Carneiro Hidráulico

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE DOURADOS
FACULDADE DE ENGENHARIA
SISTEMA DE ENSINO PRESENCIAL CONECTADO
curso de ENGENHARIA DE ENERGIA - UFGD
TURMA PRÁTICA III
 
Carneiro hidráulico
Construção e ensaios
DOURADOS-MS
2018
TURMA PRÁTICA 3
Carneiro hidráulico
Construção e ensaios
Relatório Experimental apresentado ao Curso de Engenharia de Energia da UFGD - Universidade Federal da Grande Dourados, para a disciplina Mecânica dos Fluidos Experimental referente ao experimento “CONSTRUÇÃO E ENSARIOS COM UM CARNEIRO HIDRÁULICO” realizado dia 20/06/2018.
Prof. Dr. Orlando M. Jr.
Dourados
2018
SUMÁRIO
1 RESUMO .................................................................................................................. 3
2 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 4
3 DESENVOLVIMENTO/ MATERIAIS E MÉTODOS ................................................. 6
3.1 MATERIAL ............................................................................................................ 6
3.2 MÉTODO ............................................................................................................... 7
4 ANÁLISE DOS DADOS ........................................................................................... 9
4.1 TABELAS E GRÁFICOS ....................................................................................... 9
4.2 EFICIÊNCIA DO DISPOSITIVO .......................................................................... 10
5 DIMENSIONAMENTO ........................................................................................... 12
6 CONSLUSÃO ........................................................................................................ 14
REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 15
rESUMO 
No experimento foram realizados testes com um carneiro hidraulico, construindo no LAMAQFLU, e testando na área externa do prédio da Faculdade de Engenharia. O desnível em relação a fonte foi de 1,47 metros e a altura de recalque foi de 4,80 metros. A vazão de recalque obtida foi de 1,41 x 10 ^-5 m3/s. Também foi calculado o tamanho ideal do tubo de alimentação, chegando a um valor de 5,8 metros. A eficiência do dispositivo testado foi de 12,4 %.
INTRODUÇÃO
O carneiro hidráulico é um dispositivo que, através do golpe de aríete, bombeia água para alturas maiores do que a fonte de alimentação do dispositivo. Como a fonte sempre está mais alta que o carneiro, a água flui naturalmente até o dispositivo. O golpe é causado pela interrupção brusca do fluxo de água sobre uma tubulação, com o fechamento de uma válvula. 
Imagem 1: Estrutura de um carneiro hidráulico didático. Fonte: http://www.feiradeciencias.com.br/sala07/07_57.asp.
O fluxo é bruscamente interrompido pela válvula de desperdício, e, devido a velocidade do escoamento, a mola é contraída, bloqueando a passagem de água. Desse modo ocorre uma variação no momento linear associado ao movimento da água, sendo dado por (2.1, Fonte: HALLYDAY. Fundamentos de Física – Volume 1).
A segunda lei de Newton diz que (2.2, Fonte: HALLYDAY. Fundamentos de Física – Volume 1), portanto, quanto menor for o tempo associado a variação do momento linear, maior será a força que irá agir sobre a área interna do carneiro, ou seja, maior sera a pressão interna do sistema.
Esse acontecimento, também pode ser descrito pela equação de Bernoulli (Fonte: HALLYDAY. Fundamentos de Física – Volume 2), onde a queda de velocidade é compensada com o aumento da pressão.
Essa pressão faz com que a válvula de entrega abra, permitindo a entrada de água na garrafa, devido as características compressíveis do ar. Desse modo, quando a pressão na garrafa se iguala a pressão no sistema inferior, a válvula de fecha novamente, e a expansão do ar faz com que a água seja bombeada para cima através do tubo de saída.
Após todo esse processo, a força que estava sendo aplicada na mola, é menor que a força de expansão da mola, fazendo com que a válvula se abra novamente.
Portanto, essa interrupção brusca do fluxo faz surgir o “golpe de aríete”, provocando um aumento de pressão no interior do conjunto e transformando a energia cinética da água em energia potencial gravitacional. Esse aumento de pressão é suficiente para elevar a água para um reservatório a uma determinada altura, com suas devidas proporções.
desenvolvimento / Material e Métodos
Durante a aula prática o objetivo foi analisar o comportamento da bomba carneiro hidráulico. A mesma utiliza um efeito conhecido como “golpe de aríete’’ para bombear água de um nível mais baixo para um nível mais alto. Utiliza-se a própria força da gravidade, para obter pressão suficiente para elevar uma quantidade de água para um reservatório a uma determinada altura sem a necessidade de combustível fóssil ou uso de eletricidade.
MATERIAL
Para a realização do experimento foi necessário a utilização de diversos materiais, que conforme fora proposto a construção do mesmo no padrão de 1 polegada – os materiais já estão tabelados na literatura, são eles:
01 Garrafa PET 2 litros;
01 Tampas de garrafa com furo de 15mm de diâmetro;
01 Bucha de redução;
01 Tê PVC rosca – diâmetro de entrada: ¾’’;
01 Buchas de redução PVC rosca – diâmetro de entrada: ¾’’ x ½’’;
01 Adaptador de mangueira – diâmetro de entrada: ½’’;
01 Niple PVC – diâmetro de entrada: ¾’’;
01 Bucha de redação PVC rosca – diâmetro de entrada: 1’’ x ¾’’;
01 Válvula retenção vertical (tipo Docol) – diâmetro de entrada: 1’’;
02 Niple galvanizado – diâmetro de entrada: 1’’;
01 Tê galvanizado – diâmetro de entrada: 1’’;
01 Válvula de poço docol (latão docol) – diâmetro de entrada: 1’’;
01 Parafuso com três porcas e uma arruela – diâmetro de entrada: 5/16 ou M8;
01 Mola de acionador da válvula de descarga para vaso sanitário marca (hydra).
Imagens 2 e 3 – Carneiro Hidráulico devidamente montado, no qual a imagem 2 (a esquerda) representa o mesmo ainda não regulado e a imagem 3 (a direita) este já se encontra em perfeito estado de regulagem e pronto para a inicialização dos testes propostos. Fonte própria.
MÉTODO
Os dados catalogados foram realizados a partir do momento em que o carneiro hidráulico encontrou-se finalmente instalado, regulado (esta é a parte de crucial importância para o bom funcionamento do mesmo, pois obtendo um boa regulagem do parafuso na válvula de poço entorno de 40 a 60 golpes de aríete, o seu índice de eficiência estará em suas projeções máximas) e posicionado (uma segunda característica de relevância é o seu posicionamento em relação ao reservatório de captação, que segundo Evangelista (2011) admite-se: 1,5m < h < 9m, sendo condições ótimas: 2m < h < 5m). Conforme é ilustrado na imagem 4.
 
 
Imagem 4: Ilustração teórica de funcionamento do carneiro hidráulico a ser analisado. Fonte: CARNEIRO HIDRÁULICO - UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS ESCOLA DE AGRONOMIA E ENGENHARIA DE ALIMENTOS SETOR DE ENGENHARIA RURAL.
Para a configuração experimental realizada, os dados foram (em relação a imagem 4) h – 1,47 m e H – 4,80 m. E a altura da coluna de água em cima do registro do reservatório foi de 30 cm.
Os testes foram realizados em três séries de 60 segundos, onde foram contados o numero de golpes durante esse período. A fim de obter o volume mais precisamente, deixou-se o carneiro bombear até chegar em 1 litro de água no reservatório, e fez-se a relação para quanto foi bombeado em 1 minuto.
ANÁLISE DOS DADOS
A partir dos dados obtidos experimentalmente, foi possível fazer a análise gráfica dos dados, e assim tirar as conclusões sobre a eficiência dodispositivo.
Tabelas e gráficos 
	Como a altura da coluna de água acima do registro, é possível calcular a vazão da água teórica de saída do registro, que será dado pela equação (4.1.1, NUSSENZVEIG. Curso de Física Básica – Volume 2).
	Assim é possível obter a vazão de saída do reservatório, que é de 7,62 x 10^-4 m3/s, mas como é necessário considerar a contração da veia liquida, a vazão será 0,6xV, ou 4,572 x 10^-4 m3/s, teoricamente.
	Essa vazão se mostrou diferente da calculada experimentalmente, onde, se mediu a vazão de 3,72 x 10 ^-4 m3/s, bem próximo do valor teórico proposto.
A tabela 1 faz referência aos dados recolhidos quando foi esperado o carneiro recalcar 1 litro de água, em vez de apenas a água recalcada em 1 minuto, pois o recipiente onde estava sendo medido o volume de água recalcada tinha 1 L como medida mínima.
Tabela 1: Vazão obtida ao deixar o carneiro bombear 1 litro de água
	Medida
	Vazão de recalque (m3/s) x10^-5
	1
	1,25
	2
	1,47
	3
	1,49
	Média
	1,41 ± 0,13
A tabela 2 mostra a quantidade de litros bombeados em 1 minuto a partir da relação do tempo gasto para bombear 1 litro, e o número de golpes durante o processo.
Tabela 2: Dados obtidos experimentalmente com o carneiro hidráulico.
	Medidas
	Golpes
	Tempo (s)
	Volume bombeado (L)
	1
	67
	60
	0,75
	2
	60
	60
	0,88
	3
	69
	60
	0,90
	Média
	65,3 ± 5
	60
	0,84 ± 0,08
O gráfico 1 representa a quantidade de litros bombeados a cada golpe de aríete. Dessa forma é possível perceber que o funcionamento é dado por uma relação linear (equação no gráfico).
 
EFICIÊNCIA DO DISPOSITIVO
A eficiência do carneiro hidráulico, é dada por:
 (4.2.1, CARARO, D.C.)
Onde, é o rendimento, em porcentagem, a vazão de água de recalque, altura de recalque, em relação ao carneiro hidráulico, vazão da fonte de alimentação e o desnível entre a fonte e o carneiro. 
Assim, a eficiência do carneiro construído foi de:
Em relação a queda disponível e a altura de recalque, h/H, foi possível recalcar a água com uma queda de apenas 30,6% da altura de recalque.
Comparando com a eficiência dos dispositivos testados pela outra turma, que foram de 23,2% (Prática 2) e 14,6% (Prática 1), se pode notar que, a partir de diferentes regulagens do dispositivo, é possível melhorar significativamente e eficiência.
DIMENSIONAMENTO 
	Um carneiro hidráulico bem dimensionado, segue alguns fatores importantes, como a quantidade de água disponível para recalque, o aproveitamento, a vazão de recalque e o comprimento do tubo de alimentação e de recalque.
	A água disponível para recalque pode ser facilmente calculada fazendo o calculo do volume do reservatório que se pretende utilizar. No experimento, o reservatório foi o barril aproximadamente cilíndrico.
	O comprimento do tubo de alimentação pode ser obtido através da equação (5.1), que no experimento realizado seria ideal com 5,8 metros, e o comprimento do tubo de recalque normalmente é escolhido a partir da altura e a distância de recalque. Como no experimento, o recalque era apenas vertical, o ideal seria um tubo com aproximadamente 4,8 metros.
	O rendimento, ou aproveitamento, é tabelado, sendo:
Imagem 5: relação entre as alturas e o rendimento. Fonte: https://www.agro.ufg.br/up/68/o/Carneiro_Hidr_ulico_01.pdf.
A vazão do carneiro também pode ser escolhida antes de sua construção, sendo dependente do tamanho dos tubos de alimentação e recalque, bem como do desnível entre o carneiro e a fonte disponíveis:
Imagem 6: Dados para escolha da vazão adequada do carneiro. Fonte: https://www.agro.ufg.br/up/68/o/Carneiro_Hidr_ulico_01.pdf
E importante destacar que para a vazão de recalque, é interessante estar atento para a quantidade de água disponível. Caso o reservatório tenha uma taxa de enchimento menor do que a taxa de bombeamento do carneiro, a fonte ficará sem água disponível.
CONCLUSÃO
Após a análise dos dados obtidos experimentalmente, e das pesquisas realizadas, é possível notar que o carneiro hidráulico é um dispositivo de funcionamento simples, e de muita utilidade, diminuindo muito o trabalho humano em lugares de muito desnível onde as fontes de água são distantes.
Mas, é de suma importância destacar a necessidade de o dispositivo ser bem projetado antes de sua instalação, para ocorrer o mínimo desperdício de água, e evitar que ocorram problemas como o esvaziamento da fonte, e assim a falta de água em um momento de necessidade.
REFERÊNCIAS
NUSSEINZVEIG, H. Moyses. CURSO DE FÍSICA BÁSICA II – Fluidos, oscilações e Ondas, Calor. 4ª Edição. Editora Blucher.
CARARO, D.C.; et al. CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DE UM CARNEIRO HIDRAÚLICO COM MATERIAIS ALTERNATIVOS. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v.11, n.4, p.349–354, 2007 Campina Grande, PB. Disponível em: http://www.scielo.br/pdf/%0D/rbeaa/v11n4/v11n04a01.pdf. Acesso em 23 de junho de 2018.
EVANGELISTA, Adão W. P. CARNEIRO HIDRÁULICO. UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS ESCOLA DE AGRONOMIA E ENGENHARIA DE ALIMENTOS SETOR DE ENGENHARIA RURAL. Disponível em: https://www.agro.ufg.br/up/68/o/Carneiro_Hidr_ulico_01.pdf. Acesso em 23 de junho de 2018.
CAPÍTULO II - O R I F Í C I O S. UNIVERSIDADE FEDERAL DO PIAUÍ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPART. DE RECURSOS HÍDRICOS E GEOLOGIA APLICADA. Disponível em: http://leg.ufpi.br/subsiteFiles/ct/arquivos/files/pasta/CAP%202.pdf. Acesso em 23 de junho de 2018.