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Golpe de aríete
(Carneiro hidráulico)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

(revisado e ampliado em 27/10/2011)

Apresentação
A bomba “carneiro”, ou carneiro hidráulico é um dispositivo automático elevador de água. Seu princípio de funcionamento é simples. Um fluxo de água atravessa o corpo do mecanismo e, quando a velocidade desse fluxo atinge um valor adequado, uma válvula o interrompe abruptamente. A energia cinética da água toda (não só a do corpo da bomba, como também aquela da canalização) determina no corpo da bomba um violento golpe. Esse golpe é suficiente para empurrar uma certa quantidade de água a uma boa altura, sendo recolhida numa caixa d’água. A bomba carneiro transforma energia cinética da água em energia potencial. Seu rendimento hidráulico é pequeno.

Um pouco de teoria
Se em um conduto (tubulação, cano) que está sendo percorrido por um liquido com uma certa velocidade, interrompermos total ou parcialmente o movimento desse liquido de uma maneira instantânea, no trecho aquém de onde ocorreu o fechamento, teremos necessariamente a anulação ou diminuição da velocidade do liquido. Se o liquido fosse incompressível e o conduto indeformável e, ainda, se a interrupção ocorresse realmente instantaneamente, a energia cinética do liquido deveria anular-se, também instantaneamente, transformando-se em uma sobrepressão de valor extremamente elevado no trecho do conduto em questão.

Na realidade a interrupção não é instantânea, o liquido é sempre compressível (se bem que em valores bem limitados) e ainda, também o conduto é ligeiramente deformável e dotado de uma certa elasticidade; a sobrepressão acima referida, portanto, se mantém sempre de valor finito e calculável. A coluna de líquido (geralmente, água) localizada aquém da seção na qual se verifica o brusco fechamento, não para toda instantaneamente, mas sim progressivamente. Existe portanto uma exata seção de separação entre o trecho de coluna liquida já parada, na qual a pressão vai aumentando e o resto do liquido ainda em movimento, que vai comprimindo-se sobre o liquido já parado. Após todo o liquido ter parado, as camadas mais comprimidas reagem elasticamente, pelo que se cria movimento do liquido em sentido inverso e uma progressiva diminuição da pressão de 'cima a baixo'. O fenômeno se repete diversas vezes, até que termina, por efeito dos atritos internos.
Ele toma o nome de golpe de aríete, e é o único caso na hidráulica em que se deve levar em conta a compressibilidade dos líquidos.
O período de oscilação vem expresso por:  T = 4.L/v, onde L é o comprimento do conduto, v é a velocidade de propagação da perturbação no seio do liquido.
Se o fechamento é repentino, em todas as seções do conduto gera-se uma sobrepressão p = v.vo/g, onde vo é a velocidade do liquido no conduto antes do inicio da manobra e g é a aceleração local da gravidade. Se o fechamento é brusco, ou seja, dura um tempo inferior a 2.L/v, a sobrepressão p referida é alcançada apenas em um primeiro trecho do conduto, perto do fechamento, enquanto que no trecho mais afastado não alcança valores tão elevados. Se o fechamento ocorre lentamente, ou seja em um tempo maior que 2.L/v a sobrepressão em nenhuma seção do conduto alcança o valor p acima indicado.
O valor da velocidade de propagação da perturbação nos grandes condutos hidráulicos gira entre 600 a 700 m/s; mas às vezes supera os 1100 m/s, ou seja, se aproxima da velocidade do som na água.

Na pratica o problema do golpe de aríete se apresenta nas manobras de abertura e fechamento do distribuidor das turbinas hidráulicas e nas paradas das bombas de elevação. Nestes casos o tempo de fechamento deve ser entendido não em sentido absoluto, mas referido ao tempo de propagação de uma onda de pressão ao longo do conduto e a sua reflexão ao ponto de partida. Portanto, um fechamento que pode supor-se lento para um conduto de pequeno cumprimento pode tornar-se rápido demais para um conduto de comprimento notável. No caso das turbinas hidráulicas, o aumento de pressão que se determina na água em seguida ao fechamento, contrastaria com o próprio movimento de fechamento. O fenômeno pode verificar-se, se bem que de uma maneira menos grave, no momento da abertura do conduto, porque a depressão que se gera provoca também uma onda de sobrepressão de retorno.
O caso mais grave se apresenta indubitavelmente quando se deve cessar bruscamente a distribuição da potencia, porque é improvisadamente cessada a solicitação, ou para verificar-se um defeito, acidente, etc. Neste caso é necessário cessar rapidamente a alimentação da turbina. Porém, independentemente desses artifícios, o tempo de fechamento para evitar sobrepressões é tanto maior quanto maior for o conduto. Devido a isso convém, as vezes, subdividir este em dois trechos separados por um poço piezométrico, ou seja, por uma bacia na qual a água seja livre para oscilar; dessa maneira se impede as ondas de pressão de continuar no trecho do conduto acima do poço.
Se a massa de água do poço fosse infinita, ela se manteria em nível constante e a pressão naquela seção não variaria. Já que, ao contrario, a massa de água do poço é limitada, ela também sofre inevitavelmente movimentos de oscilação que se traduzem em aumento e diminuição periódicos de nível. O fenômeno resulta ainda amortecido pela ação dissipadora das resistências ao movimento. A determinação da grandeza do poço, na pratica, é o fruto do compromisso entre a existência da máxima regulagem do movimento das águas nas condições mais graves e a necessidade de conter economicamente as despesas. Em cada caso, para as manobras de fechamento das turbinas hidráulicas usam-se também outros sistemas para diminuir o golpe de aríete, ou seja: o desviador do jato para turbinas Pelton e as descargas síncronas para turbinas de reação. Ambos estes sistemas são próprios para desviar o jato de água diretamente do conduto para a descarga em um tempo muito curto, de maneira que a turbina seja descarregada; enquanto sucessivamente se providenciará o lento fechamento do conduto contendo, da maneira mais adequada, as sobrepressões. A manobra de fechamento do conduto normalmente possui um comportamento linear, ou seja, a área da seção de afluxo possui um comportamento decrescente com o tempo.

O fenômeno do golpe de aríete pode ser verificado também nas tubulações alimentadas por bombas hidráulicas, seja pela manobra da válvula, seja pela variação da velocidade da maquina. O caso mais grave ocorre pela eventual parada imprevista do motor de tração alimentado, normalmente, com energia elétrica. Neste caso intervém dispositivos automáticos que promovem o fechamento da válvula antes que se determine o refluxo das águas no conduto em sentido à bomba. No movimento de fechamento da válvula ocorre uma depressão que se propaga da válvula até a extremidade do conduto, a qual segue uma fase de sobrepressão em sentido inverso.
Do ponto de vista prático o problema é complicado pelo fato que, para as bombas, não existe um dispositivo equivalente ao defletor, ou à descarga síncrona da turbina, pela qual não se pode obter a independência do tempo de parada das máquinas, do tempo de parada da vazão do conduto.
Se as dimensões da instalação permitem, também neste caso, se intercala em uma seção do conduto um poço piezométrico, cuja variação de nível é própria para absorver as variações da vazão do conduto. Todavia, raramente é conveniente economicamente, uma instalação desse tipo, pelo que geralmente se recorre as caixas de ar, ou seja ambientes que contém volume de água acima do qual se mantém uma certa quantidade de ar. Comparecem, assim, fenomenos de movimentos diversos do conjunto, provocados pela variação do nível do liquido, contrastados pela compressão do ar contido na câmara. Na prática, para pequenas vazões e condutos muito longos, é conveniente o uso de caixas de ar, enquanto que para vazões muito grandes ou médias (aproximadamente 50 metros de água) são mais convenientes os poços piezométricos. Porém para as vazões máximas, para as quais normalmente as alturas de elevação são limitadas, não é possível a realização do poço piezométrico, enquanto as caixas de ar seriam inadequadas. Neste caso, não resta outro recurso para regularizar o movimento da água no conduto, que aumentar o momento de inércia das massas em movimento.

Montagens didáticas
A montagem didática a seguir põe em destaque esse “golpe de aríete” devido à brusca Interrupção do movimento da água e a sua conseqüente elevação.

Nota: Em pesquisa sobre o carneiro hidráulico encontrei um excelente artigo -- Carneiro Hidráulico - Resgate Secular -- que o Prof. Luiz Roberto Toledo apresenta nas páginas do Globo Rural (outubro de 1997), descrevendo o trabalho do Prof. Luiz Antonio Lima e do pós-graduando (à época) Antonio Carlos Barreto, da Universidade de Lavras - MG. Tentei por várias vezes entrar em contato com Luiz Roberto Toledo (através da Revista), sem sucesso, infelizmente. Esse artigo eu reproduzo (três páginas da Revista Globo Rural de Outubro de 97) depois desse meu modesto trabalho didático sobre o tema.

Material e Montagem

(a) Cortar a garrafa PET de refrigerante na posição indicada. Veja item (a) do projeto 56- Turbina à reação, nessa Sala.

(b) Amarre 3 fios de linha de pesca no gargalo da garrafa. Passe suas extremidades livres pelos orifícios simétricos feitos na borda recém-cortada da garrafa e a seguir una-os em um só fio de pesca. Fixe o sistema a um suporte. Na boca da garrafa adapte uma rolha de borracha com 1 furo (ou, a própria tampa com furo central).

(c) Pelo orifício da rolha (ou tampa) passe um dos ramos de um cotovelo de vidro (ou canudo de refresco dobrável). Adapte um tubo de vidro em forma de T (junção T) a esse cotovelo, mediante um tubinho de látex. Um tubo de vidro de extremidade afilada (tipo conta-gotas reto) é preso (mediante látex) a perna central do T. Outro pedaço de tubo de látex é encaixado na extremidade livre do T.  

(d) Adapte o conjunto (c) na boca da garrafa e, apertando com os dedos o tubinho de látex livre, encha a garrafa com água. Quando cheia, solte o tubinho de látex permitindo o escoamento de água.

Aperte rapidamente esse tubinho, para Interromper bruscamente a saída de água e fazer surgir o golpe de aríete. Repare na elevação da água na perna central do T. Na bomba carneiro real, esse estrangulamento é feito automaticamente. Veja, você aproveitou-se da própria energia da água para fazer subir água!

Um projeto didático completo
A montagem abaixo ilustra um projeto didático completo para descrever e operar o Carneiro Hidráulico; uma excelente sugestão para Feira de Ciências.

As válvulas de entrega e de desperdício são feitas com esfera de aço (rolamentos) vedando compartimento cônico.
Na válvula de desperdício o vértice do cone está 'para cima', na saída de água [ /O\ ] e a esfera repousa sobre uma tela logo abaixo (quando a pressão diminui --- pela velocidade de escoamento --- a esfera é sugada e fecha essa saída).
Na válvula de entrega o cone está com o vértice 'para baixo' [ \O/ ] e a esfera está vedando a entrada de água na garrafa de compressão. Quando a válvula de desperdício se fecha, a onda de compressão levanta a esfera da válvula de entrega, permitindo a entrada de água na garrafa de compressão.
Quando a pressão do ar na garrafa se iguala à pressão da água na válvula de entrega, a esfera desce e veda a comunicação. Na fase seguinte é a pressão do ar dentro da garrafa que, superando a pressão da coluna de água no tubo de saída, permite a passagem de água da garrafa para o reservatório superior.

Um modo de ilustrar como o ar comprimido na garrafa 'empurra' a água de seu interior para o reservatório pode ser evidenciado pela seguinte montagem didática (meu protótipo foi feito com duas garrafas PET de 2 litros; as próprias tampas foram furadas para permitirem as passagens dos tubos plásticos):

De início a água do béquer enche o funil; a pressão exercida por essa coluna de água vence a pressão do ar no interior da garrafa B e desce; o nível de água na garrafa B aumenta e comprime o ar da garrafa B; a pressão desse ar comprimido transfere-se para a garrafa A, forçando a água de A transferir-se para a garrafa B via funil --- e o processo continua 'por conta própria'. Uma festa!
Você reconheceu que montagem é essa? Não! Ora, .... é a fonte de Heron! Apenas o prato que recolhe a água (no modelo tradicional) foi 'trocado' pelo funil e o tubo que 'esguicha' a água para cima transformou-se no tubinho que joga água no funil (veja Fontes de Heron, e compare!).

Montagem de um real Carneiro Hidráulico
Sobre a montagem de um real Carneiro Hidráulico, reproduzo abaixo um excelente artigo.

Reprodução em formato .jpg de três páginas da Revista Globo Rural de Outubro de 1997

Aos amigos que desfrutarem desse trabalho, apreciaria comentários sobre essas "válvulas de retenção vertical" (lista de material itens N e O), detalhando seu funcionamento, indicando locais prováveis para adquirir tais válvulas (eis porque tentei várias vezes entrar em contato com os autores do trabalho) e, possivelmente, um 'modo caseiro' de produzi-las.
Antecipo agradecimentos.

Léo-Luiz Ferraz Netto - leobarretos@uol.com.br

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Com satisfação recebi algumas mensagens relativas ao parágrafo acima (válvulas de retenção). Agradeço a todos.
Abaixo coloco a cópia de uma dessas gratas e carinhosas mensagens:

"Caro professor,
Sou engenheiro e quero parabenizá-lo pelo excelente trabalho realizado em seu site feira de ciências, tenho certeza que é de grande valia para professores em sua preparação de aula.
No artigo sobre golpe de aríete, que no momento estou verificando, pois pretendo elevar uma pequena quantidade de água em um sítio, deparei com sua questão sobre as válvulas de retenção. Estou anexando um arquivo com o catálogo do fabricante Metalúrgica Ipê [ www.mipel.com.br  ] que traz os modelos utilizados no artigo da revista Globo Rural. Pode ser que este assunto já tenha sido esclarecido mas fica uma pequena contribuição para seu trabalho. Estas válvulas são facilmente encontradas, pelo menos em São Paulo onde resido, na Rua Florêncio de Abreu no centro da cidade mas o fabricante pode informar outros endereços.
Roberto Wenke Filho"

Nota: O arquivo anexado, referido no texto do amigo Roberto, pode ser 'baixado' do próprio site da Metalúrgica Ipê.
           Mais detalhes e informações sobre o Carneiro Hidráulico serão sempre bem vindas.

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Mais informações acabaram de chegar, indicando outro local de compra de tais válvulas de retenção  horizontais e verticais [ www.balaroti.com.br ]. 'Salgadinhos' os preços, não?! Eis os visuais:

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Novas contribuições, indicam (e eu endosso e agradeço) os seguintes links sobre o tema "Carneiro Hidráulico" e "Golpe de Aríete":

http://www.hidrovector.com.br/ebook-carneiro-hidraulico.asp

http://www.ceset.unicamp.br/webdidat/matdidat.php?cod=ST713&nome=Ariovaldo+Jose+da+Silva

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