Relatorio de Chamine

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DA PARAÍBA – UEPB
CENTRO DE CIENCIAS TECNOLOGIA E SAÚDE – CCTS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
CURSO: ENGENHARIA CIVIL
CHAMINÉ DE EQUILÍBRIO
Douglas Ramos Nóbrega
Aluno
Maria Cordão
Professora
Hidráulica Experimental
Disciplina
Araruna – PB
25 / Maio / 2015
INTRODUÇÃO
Em hidráulica, a análise dos vários aspetos que a compreende, se defronta com um tema dos mais complexos e que nos últimos tempos tem tido notáveis progressos, que é o que se refere aos fenômenos transitórios. O desenvolvimento deste tema tem se verificado não só devido à sua grande importância em projetos de sistemas hidráulicos, mas também devido às contribuições dos incessantes avanços da informática. 
Dentre esses fenômenos, o mais comum, que ocorre com muita frequência, e um dos mais interessantes, é o que se conhece como golpe de aríete. Por golpe de aríete se denominam as variações de pressão decorrentes de variações da vazão, causadas por alguma perturbação, voluntária ou involuntária, que se imponha ao fluxo de líquidos em condutos, tais como operações de abertura ou fechamento de válvulas, falhas mecânicas de dispositivos de proteção e controle, parada de turbinas hidráulicas e ainda de bombas causadas por queda de energia no motor, havendo, no entanto, outros tipos de causas.
Durante o fenômeno do golpe de aríete, a pressão poderá atingir níveis indesejáveis, que poderão causar sérios danos ao conduto ou avarias nos dispositivos nele instalados. Danos como ruptura de tubulações por sobre pressão, avarias em bombas e válvulas, colapso de tubos devido a vácuo, etc. 
Em alguns casos são especificadas tubulações com classes de pressão capazes de suportar as sobre pressões e depressões previstas. Porém estas variações de pressão na tubulação submetem o material constitutivo do tubo a variações de tensões, que podem levá-lo à fadiga, o que não é recomendável para sua boa conservação.
Portanto, um bom procedimento seria valer-se de algum tipo de proteção capaz de minimizar estas variações de pressão. Assim, uma vez calculado o golpe de aríete, causado pela parada do grupo eletrobomba, já se pode analisar a conveniência e os meios de minimizá-lo.
A seleção de um ou vários dispositivos de proteção deverá resultar da análise de um número conveniente de alternativas que possibilitem eleger aquela de melhor resposta, considerando a eficiência, a economia, a natureza, a freqüência de manutenção, etc.
Os dispositivos de proteção contra o golpe de aríete devem, portanto, ter por efeito limitar os valores da sobre pressão e da depressão. Alguns dispositivos utilizados para este fim são descritos nos tópicos que se seguem. As chaminés de equilíbrio, ou stand pipes, são dispositivos que atuam, ao mesmo tempo, na proteção contra as depressões e contra as sobre pressões, visto que possibilitam a oscilação em massa da água entre a chaminé e o reservatório de descarga, evitando-se, neste trecho, a ocorrência de variações elevadas de pressões.
OBJETIVOS
Entender o funcionamento de um método para controle de transiente hidráulico como golpe de aríete.
METODOLOGIA
Iniciou-se o experimento fazendo a observação da tubulação e anotação da altura da chaminé de equilíbrio como também o diâmetro da tubulação, depois foi aberto o fluxo de água e demonstrado a forma com que a chaminé de equilíbrio funciona quando o fluxo é interrompido, através das explicações dadas no momento do experimento foi produzido o seguinte relatório, que não é somente uma revisão bibliográfica sobre o assunto abordado.
FUNDAMENTAÇÃO TEORICA
No Brasil é evidente um predomínio do uso da energia hidráulica como fonte primária na geração de energia elétrica. A existência de grandes potenciais hidráulicos e a busca pela redução no custo de geração fez com que, por muito tempo, essa energia fosse produzida em grandes centrais hidrelétricas, apesar de essas implicarem em um impacto ambiental considerável, resultante da formação do reservatório (NOGUEIRA, 2013).
3.1 Chaminés de Equilíbrio
A chaminé de equilíbrio é um reservatório de eixo vertical, normalmente posicionado no final da tubulação de adução de baixa pressão e a montante do conduto forçado, com as seguintes finalidades:
Amortecer as variações de pressão, que se propagam pelo conduto forçado, golpe de aríete, decorrente do fechamento rápido da turbina; e
Armazenar água para fornecer ao conduto forçado o fluxo inicial provocado pela nova abertura da turbina, até que se estabeleça o regime contínuo.
Quando necessário, a chaminé de equilíbrio deve ser instalada o mais próximo possível da casa de força, para reduzir o comprimento do conduto forçado e diminuir os efeitos do golpe de aríete.
3.2 Verificação da Necessidade de Instalação da Chaminé de Equilíbrio.
A indicação inicial para que não haja necessidade da instalação de uma chaminé de equilíbrio é obtida a partir da relação a seguinte.
Onde:
 = comprimento do conduto forçado (m);
= queda bruta (m).
Assim, se tem-se uma indicação inicial de que a instalação de uma chaminé de equilíbrio poderá ser necessária.
A verificação dessa necessidade deverá ser feita pelo critério da constante de aceleração do escoamento no conduto forçado, como apresentado a seguir.
Onde:
=tempo deaceleração do escoamento no conduto forçado (s);
= velocidade do escoamento no conduto forçado (m/s);
= aceleração da gravidade = 9,81 m/s².
Para , não há necessidade de instalação da chaminé. Entre 3 e 6 é desejável mas não obrigatória. Para é obrigatória a instalação da chaminé.
Destaca-se que a constante de aceleração do escoamento no conduto forçado guarda uma relação com a constante de aceleração do grupo turbina-gerador, que deve satisfazer, igualmente, os critérios de sobre pressão máxima admissível, conforme item Golpe de Aríete.
A instalação de uma válvula de alívio na entrada, ou na caixa espiral da turbina, pode evitar a necessidade da chaminé. No entanto, essa solução deve ser analisada criteriosamente, considerando a segurança que deve haver na abertura da mesma, em caso de fechamento rápido do distribuidor.
 
RESULTADO E DISCUSSÕES
5.1 Golpe de Aríete
	Denomina-se golpe de aríete ao choque violento que se produz sobre as paredes de um conduto forçado quando o movimento do liquido é modificado bruscamente. Em outras palavras: É a sobre pressão que as canalizações recebem quando, por exemplo, se fecha um registro, interrompendo-se o escoamento.
Figura 1: Ilustração das Forças em um Golpe de Aríete.
	No caso de fechamento de um registro a força viva com que a água estava animada se converteria em trabalho determinando nas paredes da tubulação pressões superiores á carga inicial:
	Se , fechamento instantâneo e ainda, se a água fosse incompressível e a canalização inelástica, a sobre pressão teria um valor infinito.
	Na prática o fechamento sempre leva algum tempo, por pequeno que seja e a energia a ser absorvida se transforma em esforços de compressão da água e deformação das paredes da tubulação.
5.2 “Mecanismos” do fenômeno
	A canalização representada na figura abaixo está conduzindo água com certa velocidade. Considerando ao longo da massa líquida vária porções que serão designadas por “lâminas”, verifica-se o seguinte:
Com o fechamento do registro R a “lamina” 1 se comprime e a sua energia de velocidade (velocidade ) é convertida em pressão, ocorrendo simultaneamente à distensão do tubo e esforços internos na lâmina (deformação elástica). O mesmo acontecerá em seguida com as lâminas 2, 3, 4,... etc. Propagando-se uma onda de pressão até a lâmina n junto ao reservatório.
Figura 2: Ondas de pressão.
A lâmina n em seguida, devido aos esforços internos e á elasticidade do tubo tende a sair da canalização em direção ao reservatório, com velocidade (), o mesmo acontecendo sucessivamente com as lâminas , , ... , .
Enquanto isto, a lâmina 1 havia ficado com sobre pressão durante o tempo:
Sendo chamado de tempocrítico ou período da canalização e a velocidade de propagação da onda, geralmente denominada “celeridade”.
Há então, essa tendência da água sair da tubulação, pela extremidade superior. Como a extremidade inferior do tubo está fechada, haverá uma depressão interna. Nessas condições () é convertida em uma onda de depressão.
No reservatório verifica-se a oscilação do nível d’água.
Devido á depressão na canalização, a água tende a ocupá-la novamente, voltando as lâminas de encontro ao registro, desta vez com a velocidade .
E assim por diante.
Figura 3: Nível de água no Reservatório.
	Nas considerações feitas acima foi desprezado o atrito ao longo da tubulação, que na prática contribui para o amortecimento dos golpes sucessivos, como demonstra a figura abaixo.
Figura 4: Amortecimento de golpes sucessíveis
5.3 Celeridade
	A velocidade de propagação da onda pode ser calculada pela conhecida fórmula de Allievi:
Em que:
 = Celeridade da onda, ;
 = Diâmetro dos tubos, ;
 = Espessura dos tubos, ;
 = Coeficiente que leva em conta os módulos de elasticidade:
	No caso de tubos de concreto armado, tomando-se considera-se uma espessura representativa para os tubos, obtida pela expressão:
Em que:
 = Espessura representativa;
 = Espessura média distribuída dos ferros;
 = Espessura do tubo;
 = Coeficiente prático (valor aprox. = 10).
	Para tubulações indeformáveis ∞, resultando que é a velocidade de propagação do som na água. 	A celeridade, geralmente da ordem de , algumas vezes, chega a ser terço desse valor.
5.4 Períodos da canalização. Classificação das manobras de fechamento.
	Denomina-se “período da canalização” ao tempo que a onda de sobre pressão leva para ir e voltar de uma extremidade a outra da canalização. , período da canalização ou tempo crítico.
Quando a onda chega ao voltar, ela muda de sentido, fazendo novamente o mesmo percurso de ida e volta no mesmo tempo , porém com o sinal contrário, sob forma de onda de depressão, como mostrado na figura 3.
5.4.1 Duração da manobra do fechamento
	O tempo de fechamento da válvula ou registro é um importante fator: Se o fechamento for muito rápido o registro ficará completamente fechado antes da atuação da onda de depressão. Por outro lado, se o registro for fechado lentamente, haverá tempo para atuar a onda de depressão antes da obturação completa.
Daí a classificação das manobras de fechamento:
Se Manobra Rápida
Se Manobra Lenta
A sobre pressão máxima, ocorre quando a manobra é rápida, isto é, quanto e ainda não atuou a onda de depressão.
5.5 Fechamentos Rápidos. Cálculo da sobre pressão máxima
	A sobre pressão máxima, no extremo da linha, pode ser calculada pela expressão:
	Sendo a velocidade média da água e o aumento de pressão. Ao longo da canalização a sobre pressão se distribui conforme a figura abaixo.
Figura 6: Distribuição da sobre pressão.
5.6 Fechamentos Lentos. Fórmula de Michaud, Vensano.
	No caso de manobra lenta, em que pode se aplicar a formula aproximada de Michaud, que considera a proporcionalidade a :
Figura 7: Distribuição de sobre pressão.
	Ao longo da tubulação a sobre pressão se distribui conforme indica a figura 7. A formula de Michaud também pode ser aplicada para a determinação do tempo de fechamento a ser adotado afim de que a sobre pressão não ultrapasse determinado limite preestabelecido.
	A formula de Michaud leva a valores superiores aos verificados experimentalmente. Contudo ainda vem sendo aplicada na pratica por estar do lado da segurança.
5.7 Golpes de Aríete em linhas de recalque
O caso mais importante de golpe de aríete em uma linha de recalque de bombas acionadas por motores elétricos é o que se verifica logo após uma interrupção de fornecimento de energia elétrica.
Neste caso, devido á inércia das partes rotativas dos conjuntos elevatórios, imediatamente após a falta de corrente, a velocidade das bombas, começa a diminuir, reduzindo-se rapidamente a vazão. A coluna líquida continua a subir pela canalização de recalque, até o momento em que a inércia é vencida pela ação da gravidade. Durante esse período verifica-se uma “descompressão” no interior da canalização (golpe de aríete negativo).
Em seguida ocorre a inversão no sentido de escoamento e a coluna liquida retorna para as bombas. Não existindo válvulas de retenção as bombas começariam então a funcionar como turbinas, girando em sentido contrario.
Com exceção dos casos em que a altura de elevação é pequena com descarga livre, nas linhas de recalque são instaladas válvulas de retenção ou válvulas especiais, com o objetivo de evitar o retorno do liquido através das bombas.
A corrente liquida ao retornar para a bomba, encontrando a válvula de retenção fechada, ocasiona o choque e a compressão do fluido, dando origem a uma onda de sobre pressão (golpe de aríete positivo).
Se a válvula de retenção funcionar normalmente, fechando-se no momento preciso, o golpe de aríete não atingirá o valor correspondente a duas vezes a altura manométrica (teoricamente a elevação máxima junto á válvula de retenção igualha a da carga estática).
Se, ao contrario, a válvula de retenção não fechar rapidamente, a coluna líquida retornará, passando através da bomba, e, com o tempo ganhará velocidades mais altas, elevando-se consideravelmente o golpe de aríete no momento em que a válvula funcionar (podendo atingir a da carga estática, dependendo do tempo de fechamento).
O cálculo rigoroso do golpe de aríete em uma instalação de recalque exige o conhecimento prévio de dados relativos aos grupos elevatórios, que influem no fenômeno:
O momento de inércia das partes rotativas da bomba e do motor;
Características internas da bomba (efeitos sobre a dissipação de energia, funcionamento como turbina);
Condições da bomba de recalque e comportamento da onda de pressão.
Antes, portanto, de adquiridas e conhecidas as bombas apenas pode ser feita uma estimativa do golpe de aríete, com base em dados admitidos (aproximados).
Com o objetivo de limitar o golpe de aríete nas instalações de recalque podem ser tomadas as seguintes medidas de proteção:
Instação de válvulas de retenção ou válvulas especiais, de fechamento, de boa qualidade;
Emprego de tubos capases de resistir á pressão máxima prevista (geralmente duas vezes a pressão estática);
Adoção de aparelhos limitadores do golpe, tais como válvulas Blondelet, aparelhos de descarga (purga), etc;
Emprego de câmaras de ar comprimido;
Utilização de dispositivos especiais, tais como a instalação volantes nos conjuntos elevatórios;
Construção de camaras de compensação ou chaminés de equilíbrio.
5.8 Válvulas Blondelet
	As válvulas contra golpes de aríete do tipo Blondelet são fabricadas na França pela sociedade Pont – A – Mousson e fornecidas no Brasil pela Companhia de Ferro Brasileiro.
	A figura abaixo, possibilita a sua seleção nos casos mais comuns, válvulas semelhantes são fabricadas no Brasil pela Cia. Metarlúrgica Barbará.
Figura 7: Válvulas Blondelet.
5.9 Câmaras de Ar Comprimido
	As câmaras de ar comprimido são reservatórios metálicos com ar e água, dispostos no início das tubulações de recalque. Na primeira fase do golpe de aríete (descompressão) o ar expande-se e a câmara cede certa quantidade de água para a tubulação, atenuando o golpe negativo.
Durante a segunda fase (golpe positivos) a câmara passa a receber água da canalização, comprimindo-se o ar, reduzindo em parte a tendência para sobre pressões elevadas.
O orifício existente entre a câmara e a tubulação deve ser projetado de maneira a proporcionar maior resistência a entrada de água na cama do que na saída.
5.10 Volantes
Com o emprego de volantes procura-se aumentar convenientemente o momento de inércia das partes rotativas das maquinas, prolongando-se o tempo gasto na sua parada. O volante poderá ter a massa suficiente para, com a sua inércia converter a manobra rápida em manobra lenta.
Este dispositivo de grande segurança é aplicável aos casos emque as linhas de recalque são relativamente curtas.
CONCLUSÕES
O golpe de aríete é sempre proporcional à variação da velocidade, a qual varia com o inverso do quadrado do diâmetro. Desta forma, aumentos no diâmetro da tubulação trazem significativas reduções no golpe de aríete a redução do golpe também pode ser obtida reduzindo-se a celeridade. Então, tubulações com menores celeridades produzirão golpes de aríete com menor magnitude. Os tubos plásticos propiciam celeridades bem menores que os tubos metálicos e de fibrocimento, para uma mesma bitola e classe de pressão. A adoção de dispositivos de proteção, como os aqui comentados, ou outros dispositivos controladores de fluxo e pressão, juntamente com os procedimentos operacionais, geralmente podem constituir meios de manter os efeitos dos transientes dentro de limites satisfatórios. Em algumas situações pode também se tornar interessante a combinação desses dispositivos.
REFERENCIAS
Sites
http://pt.wikipedia.org/wiki/Golpe_de_ar%C3%ADete
Acessado no dia: 24 de Maio de 2015.
http://www.ppgerha.ufpr.br/publicacoes/dissertacoes/files/156-Edgar_Alberti_Andrzejewski.pdf
Acessado no dia: 24 de Maio de 2015.
http://repositorio-aberto.up.pt/bitstream/10216/68446/1/000154644.pdf
Acessado no dia: 24 de Maio de 2015.
http://www.lenhs.ct.ufpb.br/html/downloads/serea/6serea/TRABALHOS/trabalhoM%20(4).pdf
Acessado no dia: 24 de Maio de 2015.