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MANUAL TÉCNICO V 1.0.1 03 de Novembro de 2010 ALLIEVI - Todos os direitos reservados Versão 1.0.1 03 de Novembro de 2010 ITA Universidad Politécnica de Valencia Camino de Vera s/n - Edificio 5C 46022 Valência (Espanha) Ph: (+34) 96 387 98 98 Fax: (+34) 96 387 98 99 3 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI CONTEÚDO Requisitos do sistema ..................................................................................................... 6 Registro .......................................................................................................................... 6 1. Introdução .................................................................................................................. 7 2. Fundamentos de cálculo do ALLIEVI ........................................................................... 9 2.1 Condutos forçados ............................................................................................. 9 2.2 Condutos Livres – CANAIS .............................................................................. 10 2.3 Cálculo do Regime Permanente ....................................................................... 11 3. Elementos do sistema a simular no ALLIEVI ............................................................... 13 3.1 Desenhar elementos ........................................................................................ 14 3.2 Nós ................................................................................................................. 15 3.3 Reservatórios ................................................................................................... 16 3.3.1 Reservatórios de grandes dimensões. ......................................................... 16 3.3.2 Reservatórios de pequenas dimensões ....................................................... 17 3.3.3 Reservatórios de seção variável ................................................................. 18 3.3.4 Reservatórios com divisão interna e vertedor ............................................. 19 3.3.5 Outras características dos Reservatórios ..................................................... 21 3.4 Tubulações ...................................................................................................... 23 3.4.1 Válvulas de ar (Ventosas) em tubulações ................................................... 27 3.5 Estações de bombeamento ............................................................................... 32 3.5.1 Bombas com curvas características universais ............................................ 35 3.5.2 Bombas com curvas características por pontos .......................................... 36 3.5.3 Válvulas de grupo: Válvula de retenção ..................................................... 37 3.5.4 Válvulas de grupo: Válvula de regulação ................................................... 38 3.5.5 Válvulas de grupo: By-pass na Estação de bombeamento ........................... 39 3.5.6 Estações de Bombeamento com grupos inicialmente em marcha ............... 40 3.5.7 Estações de Bombeamento com grupos inicialmente desligados ................ 41 3.6 Estruturas de controle de vazão ........................................................................ 42 3.6.1 Válvulas de regulação ............................................................................... 42 3.6.2 Válvulas de retenção ................................................................................. 46 3.6.3 Válvulas de alivio ..................................................................................... 47 4 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 3.6.4 Válvulas de sobrevelocidade ..................................................................... 49 3.6.5 Perda de carga localizada .......................................................................... 54 3.6.6 Válvula composta (ECQ) ........................................................................... 54 3.6.7 Válvulas automáticas ................................................................................. 55 3.7 Estruturas de proteção ..................................................................................... 58 3.7.1 Chaminés de equilíbrio ............................................................................. 59 3.7.2 Tanques Alimentadores Unidirecionais (TAUs) .......................................... 60 3.7.3 Reservatórios Hidropneumáticos (RHOs) ou Calderins .............................. 60 3.7.4 Chaminés diferenciais ............................................................................... 64 3.7.5 Outros dados das Estruturas de Proteção ................................................... 68 3.8 Lei de vazão ou de altura ................................................................................. 69 3.8.1 Lei de vazão ............................................................................................. 70 3.8.2 Lei de altura .............................................................................................. 74 3.9 Condutos com escoamento livre (canais) ......................................................... 76 3.9.1 Canal de seção retangular ......................................................................... 78 3.9.2 Canal de seção trapezoidal ....................................................................... 78 3.9.3 Canal de seção circular ............................................................................. 79 3.9.4 Canal de seção qualquer ........................................................................... 79 3.9.5 Dados para canal com vazão inicial nula ................................................... 80 4. Configuração de um novo projeto no ALLIEVI ........................................................... 81 4.1 Configuração das opções do programa ............................................................ 81 5. Campo de trabalho do ALLIEVI ................................................................................. 83 5.1 Ferramentas de visualização ............................................................................ 83 5.1.1 Ajuste da largura ou da altura da tela. ........................................................ 83 5.1.2 Ferramentas de Zoom ............................................................................... 84 5.1.3 Ferramentas de Bloqueio ........................................................................... 85 5.1.4 Vista Esquemática ..................................................................................... 86 5.1.5 A concepção do Menu .............................................................................. 86 5.2 Etiquetas .......................................................................................................... 88 5.2.1 Introduzir Etiquetas ................................................................................... 88 5.2.2 Posição das Etiquetas ................................................................................ 88 5.2.3 Mostrar ou Ocultar Etiquetas ..................................................................... 89 5 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 5.3 Ferramentas Avançadas de Desenho ................................................................ 89 5.3.1 Desenho Rápido ....................................................................................... 89 5.3.2 Mudar uma Tubulação para uma Poli tubulação ........................................ 90 5.3.3 Edição dos Vértices ................................................................................... 90 5.4 Criação de cenários .........................................................................................91 6. Assistente de resultados ............................................................................................ 93 6.1 Resultados do regime permanente ................................................................... 93 6.2 Resultados do regime Transitório ..................................................................... 94 6.2.1 Assistente dos Resultados .......................................................................... 94 6.2.2 Resultados com um “Click Chart” ............................................................ 100 6.2.3 SmartCharts ............................................................................................ 101 7. Compatibilidade do ALLIEVI com Epanet e AutoCad ............................................... 103 8. Atalhos com o teclado ......................................................................................... 106 6 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI Requisitos do sistema • Para a INSTALAÇÃO do ALLIEVI é necessário ter um computador com: − Um processador Intel ® Core Duo ou superior (ou processador equivalente da AMD). − Microsoft Windows XP SP3, Windows Vista ou Windows7 − Pelo menos 2 GB de RAM; − Pelo menos 100 MB de espaço livre em disco _ Um monitor com resolução de 1.280 x 1.024, com qualidade de cores de 32 bits (recomendável) − Conexão com a Internet.− Recomendado banda larga (1) − Adobe ® Reader ou compatível − NET − Framework 3.5 (1) A instalação do ALLIEVI requer conexão com a Internet. A primeira vez que você executar o ALLIEVI o programa será ativado; não é possível usar o ALLIEVI sem ativá-lo. Para fazer isso você precisa se conectar a Internet para validar sua cópia do ALLIEVI nos nossos servidores e será necessário validar a licença periodicamente Registro Durante o processo de instalação do ALLIEVI, o sistema necessitará introduzir os dados da sua licença. Sem esta informação, a ser prestada durante a instalação, você não poderá usar o programa Ativação A primeira vez que executar o programa, ele deve ser ativado. Para isso, você precisa de uma conexão à Internet para validar a sua cópia nos servidores do ITA. 7 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 1. Introdução Este manual técnico do ALLIEVI foi elaborado com o intuito de apresentar ao usuário as ferramentas e conceitos necessários para a correta utilização do programa, e é dirigido especificamente para aqueles com conhecimentos básicos de hidráulica e sem experiência na utilização de softwares de simulação de transientes hidráulicos (golpe de aríete). É recomendável, complementarmente, assistir os tutoriais em vídeo que estão disponíveis no site www.ALLIEVI.es e saber que outros recursos práticos estarão muito em breve disponíveis nesta página. ALLIEVI é um programa que proporciona condições para analisar e verificar os efeitos transitórios de manobras efetuadas nos elementos do sistema hidráulico. O programa permite analisar o escoamento em redes hidráulicas de condutos forçados alimentadas por vários reservatórios, com várias estações de bombeamento, e com o fluxo regulado por estações de válvulas formando redes malhadas, ramificadas ou mistas. O programa dispõe de diferentes tipos de estações de válvulas inseridas nas tubulações da rede ou com descarga para o exterior. Algumas destas válvulas podem operar também como um sistema de proteção para controlar os transitórios hidráulicos. Em um sistema hidráulico operando em regime permanente, os transitórios podem ser gerados pelas ações dos elementos ativos do sistema. Estas ações ou manobras implicam variações das condições operacionais iniciais até se atingir o regime permanente final. As manobras de ligar/desligar bombas, abrir/fechar válvulas poderão ser simultâneas e também poderão ocorrer ações adicionais que provocam transitórios. Estas ações adicionais podem incluir mudanças no nível de liquido num reservatório, a modulação do consumo em uma rede de distribuição e, também a ruptura de uma tubulação em um dado momento. Destas três ações, as duas primeiras são geralmente consideradas manobras lentas ou muito lentas, razão pela qual o transiente gerado é irrelevante. No entanto, a ruptura de um conduto pode causar uma transição rápida, especialmente quando a ruptura é significativa e ocorre em um intervalo de tempo relativamente curto. Durante a transição, e enquanto o sistema se adapta de um estado permanente para outro, há variações e permutações de energia cinética em energia de pressão, e vice- versa, provocando flutuações de vazão e pressão no escoamento. As flutuações de velocidade não têm impacto direto sobre o sistema, mas se associam as mudanças de pressão variando entre valores máximos e mínimos. É a pressão máxima que pode provocar rupturas e indicará a necessidade de proteger adequadamente o sistema instalando dispositivos apropriados para limitar os valores das pressões máximas. http://www.allievi.es/� 8 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI As pressões mínimas não produzem danos se forem mantidas acima da pressão atmosférica. Mas se ocorrer o vácuo interno as tubulações submetidas a uma depressão transitória poderão colapsar e, em juntas flexíveis ou em pequenas fissuras, poderá ocorrer a entrada de ar ou de líquidos contaminantes o que não é desejável pelos riscos que acarreta na operação. Se a queda de pressão é elevada poderá ocorrer a vaporização do líquido transportado, resultando em macro cavitação com a formação de bolhas de vapor e a separação da coluna líquida. Posteriormente, quando a pressão atinge valores oscilando acima da pressão de vapor, as bolhas de vapor tendem a desaparecer provocando a colisão das duas colunas separadas; são gerados choques hidráulicos e picos de pressão com valores máximos superiores aos que ocorrem se não houver a separação da coluna liquida. O fenômeno poderá provocar a ruptura da instalação. Considerando os efeitos prejudiciais que podem ocorrer durante o desenvolvimento de um transitório hidráulico a solução será proporcionar aos elementos do sistema a resistência mecânica capaz de suportar as variações de pressão, ou instalar elementos de proteção para reduzir a amplitude destas flutuações e mantê-las entre limites aceitáveis. Para proceder de uma forma ou de outra sempre será necessário dispor de um programa de cálculo para simular o transitório e prever, dentre outros resultados, as pressões extremas que ocorrem depois de uma manobra assumida. Este é, como mencionado, o objetivo principal do ALLIEVI. ALLIEVI é um programa de cálculo que pode ser utilizado tanto na fase de concepção de um projeto como na fase de verificação da operação de um sistema hidráulico. Na fase de concepção o programa permite que se incorpore ao sistema vários dispositivos de proteção (vasos de pressão, tanques alimentadores unidirecionais, chaminés de equilíbrio, válvulas de alívio, etc.), de modo que as oscilações de pressão geradas por manobras nos componentes do sistema sejam mantidas entre limites predeterminados. Adicionalmente o ALLIEVI permite diagnosticar e visualizar os efeitos transitórios na operação do sistema ao se simular várias manobras numa instalação previamente projetada. 9 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 2. Fundamentos de cálculo do ALLIEVI 2.1 Condutos forçados Em um conduto forçado o transiente hidráulico é analisado aplicando as equações de conservação de massa e da quantidade de movimento para um volume de controle que acompanha o deslocamento da onda de pressão ao longo da tubulação. É obtido um sistema de duas equações diferenciais não-lineares nas duas incógnitas (x-espaço e t- tempo), para a determinação da carga piezométrica H=H(x, t) e da velocidade V=V(x, t). A forma desse sistema de equações é: 0 2 0 2 =+ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ D VV f x Hg x VV t V x V g a x HV t H (1) Como estesistema não tem solução analítica, para a integração das equações o procedimento habitual é transformá-lo num sistema de equações de diferenças finitas e admitir que a solução seja alcançada em instantes t sucessivos separados de um intervalo ∆t e em pontos x específicos (separados de uma distância ∆x) obedecendo a condição: a t x = ∆ ∆ (2) sendo "a" a celeridade, isto é, a velocidade de propagação da onda de pressão na tubulação. Esta celeridade, no caso da água, é calculada utilizando a expressão: e DC a + = 6,47 900.9 (3) onde o coeficiente C depende do material da tubulação. As equações diferenciais acima são transformadas em um sistema de duas equações algébricas, lineares com duas incógnitas, da forma: ( ) ( ) 0 0 11 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 = ∆ −−−− = ∆ +−+− ++ + + + + + −− − − + − + n i n i n in i n i n i n i n i n i n in i n i n i n i VV D xfVV g aHH VV D xfVV g aHH (4) Com as quais se pode calcular a carga piezométrica H e a velocidade V, na iésima seção da tubulação e no dado instante n+1, a partir dos valores de H e V conhecidos nos 10 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI pontos i, i-1, i+1 no instante anterior n. Este procedimento utilizado no Allievi é conhecido como o "MOC - MÉTODO DAS CARACTERÍSTICAS". O sistema (4) pode ser resolvido para todos os pontos interiores de qualquer tubulação, mas não nos extremos, pois, aí, só há uma equação e duas incógnitas. Nesses extremos, onde se supõe que a tubulação está ligada a algum outro elemento da rede hidráulica, a equação que falta deverá representar o comportamento deste elemento; são as “condições de contorno”. Estas condições de contorno representando o comportamento transitório do elemento podem se associar a novas incógnitas e, o ALLIEVI permite resolver o sistema de equações resultantes para considerar: 1. Reservatórios com seção variável 2. Estações de Bombeamento 3. Estruturas de controle de fluxo, que consiste em válvulas de vários tipos associadas em paralelo ou perda de carga localizada 4. Estruturas de Proteção, composto por vasos de pressão, tanques alimentadores unidirecionais e chaminés de equilíbrio. 5. Válvulas de Ar (ventosas), que podem ser distribuídas ao longo das tubulações. 6. Leis de carga piezométrica ou de vazão impostas nos extremos das tubulações. 2.2 Condutos Livres – CANAIS Complementarmente, em redes com canais, poderão ocorrer transitórios nestes elementos como conseqüência de manobras em comportas ou de alterações dos níveis de água nos reservatórios conectados aos extremos dos canais, ou por mudanças nas demandas. O regime transitório nestes canais é governado pelas equações de Saint-Venant, que decorre da aplicação das equações de conservação da massa e da quantidade de movimento para um volume de controle que acompanha a mudança nas condições de fluxo no canal. As equações resultantes são as seguintes: ( ) 0 0 0 =−−∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ fssgx yg x VV t V x V T A x yV t y (5) Nestas equações as incógnitas são a profundidade da água y = y (x, t) e a velocidade do escoamento V = V (x, t), funções da posição ao longo do canal e do tempo. Na expressão (5), A é a área da seção de escoamento, T a largura da superfície livre definida pela área A, s0 é a declividade da soleira do canal e sf é o gradiente hidráulico definido pela expressão: 11 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 3/4 22 h f R Vns = (6) Onde, n é o coeficiente de Manning e Rh raio hidráulico da seção ocupada pelo escoamento. Aceitando algumas simplificações, o sistema (5) é resolvido de forma semelhante ao apresentado em (1) pelo método das características e, com um desenvolvimento paralelo, se obtém um sistema similar ao das equações apresentadas em (4). Neste caso, a expressão (2) se substitui por: cV t x ±= ∆ ∆ (7) Onde c é a velocidade da onda de gravidade no canal e apresenta o valor: T Agc = (8) ALLIEVI permite simular transitórios em redes nas quais há tubulações forçadas e canais, mediante a aplicação do método das características para ambos os tipos de condutos obedecendo, para cada um deles, a formulação apropriada. Como o intervalo de tempo característico para a resolução do transitório no conduto forçado é da ordem de décimos ou centésimos de segundo e, para o conduto livre é da ordem de segundos, resulta que, o incremento de tempo para a resolução do transitório no canal será um múltiplo do intervalo de tempo utilizado na resolução dos condutos forçados. No ALLIEVI os canais somente podem ser conectados a reservatórios ou a outros canais e, nos canais só se admite escoamento subcrítico (ou crítico no extremo final com descarga livre) e, os canais poderão ter seções transversais retangulares, trapezoidais, circulares ou quaisquer outras 2.3 Cálculo do Regime Permanente Em um sistema hidráulico o regime transitório decorre de manobras em seus elementos e começa a partir de um regime permanente inicial. No ALLIEVI, o cálculo do regime permanente inicial é realizado através do método das características sem admitir a ocorrência de manobras. Com os resultados obtidos neste calculo, essas condições são tomadas como CONDIÇÕES INICIAIS para a simulação do regime transitório, para o qual, se especificam as manobras a realizar nos elementos do sistema. NOTA: É muito importante ressaltar que para o cálculo de qualquer transitório, ALLIEVI realiza primeiramente o cálculo do regime permanente e o usuário poderá ver os resultados em formato de tabelas apresentadas para cada um dos elementos do sistema hidráulico. 12 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 13 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 3. Elementos do sistema a simular no ALLIEVI O sistema hidráulico a simular é constituído de elementos que se interconectam entre si através de seus nós extremos. Em geral, cada elemento dispõe de dois nós, um inicial ou de entrada e outro final ou de saída, de maneira que o sentido positivo do fluxo em cada elemento se estabelece do nó inicial ao nó final. Os tipos de elementos considerados no programa são os seguintes: Tipos de Elemento Representação Gráfica no ALLIEVI 1. Nós Nó 2. Reservatórios 3. Tubulações 4. Estações de bombeamento 5. Estruturas de Proteção 6. Estruturas de controle de vazão 7. Leis de Vazão (Q) ou de carga (H) 8. Condutos livres (canais) 14 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 3.1 Desenhar elementos A interface gráfica do ALLIEVI foi concebida para que o usuário com um só click introduza todos os elementos necessários para criar desde um sistema simples até sistemas complexos como, por exemplo, redes malhadas. Os elementos de desenho estão agrupados em cinco categorias. De um lado se encontram os elementos básicos de uma rede, a saber: as bombas, as tubulações, os nós e os condutos livres ou canais. No segundo grupo estão os diferentes tipos de reservatórios que se poderá simular. No grupo seguinte estão as válvulas, nos outros grupos estão as estruturas de proteção e no último se configuram as leis de vazão e de carga. O modo de Introduzir os elementos no ALLIEVI é o seguinte: • Ir ao menu Desenho Básicos Selecionar entre Nó, Tubulação, Bomba, Canal. • Ir ao menu Desenho Reservatório Selecionar o tipo de reservatório e sua forma de conexão • Ir ao menu Desenho Válvulas Selecionar o tipo de válvula que necessitas entre as possíveis opções proporcionadas no ALLIEVI (Válvula de regulação, retenção, automática, perda de carga, Estrutura composta para a opção de se ter válvulas instaladas em ramais em paralelo, e outras). • Ir ao menu Desenho Proteção Selecionar entre Reservatório Hidropneumático (RHO), Tanque Alimentador Unidirecional (TAU) ou Chaminéde Equilíbrio (CEQ). • Ir ao menu Desenho Vários Selecionar Lei ou outra opção indicada. IMPORTANTE: Considerar que certos elementos não podem ser conectados diretamente a outros no ALLIEVI. No caso que se intente conectar dois elementos que são incompatíveis, o cursor avisa com um sinal de proibido e, então, será necessário recorrer ao desenho de um tramo curto de tubulação que una os dois elementos. 15 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI Em continuação se apresentam as características mais importantes de cada um dos elementos, detalhando os seus parâmetros hidráulicos, apresentando as considerações necessárias e indicando a maneira que se deve fornecer os seus dados. 3.2 Nós Ao gerar um nó, ALLIEVI requer que o usuário forneça o valor correspondente a: - Denominação. A denominação (ou Nome) de cada nó é uma variável alfanumérica, com a única condição de não haver dois nós com a mesma denominação. Ao gerar um nó, o programa lhe atribui uma determinada denominação, que poderá ser modificada pelo usuário em qualquer momento. É muito importante ter em conta que, se a denominação proposta já está sendo utilizada em outro nó, será emitido o aviso de advertência e é necessário que o usuário modifique a denominação para poder continuar o desenho. - Cota. É a cota do nó definida a partir de um nível de referência estabelecido pelo usuário. Nos dados da tabela de nós, ALLIEVI visualizará o tipo de elemento ao qual corresponde cada um dos nós. Desta maneira poderão ser confirmados os valores das cotas que se está atribuindo ao respectivo elemento. . 16 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 3.3 Reservatórios Os Reservatórios são elementos do sistema nos quais se armazena líquido a pressão atmosférica. Os tipos de Reservatórios incluídos no programa são os seguintes: Tipo de Reservatórios Representação no ALLIEVI Reservatórios de grandes dimensões ou de nível constante (GD) Reservatórios de pequenas dimensões ou de nível variável (PD) Reservatórios de seção variável (SV) Reservatórios com divisão e vertedor (DV) Para facilitar a representação gráfica do sistema, se dispõe de ícones de reservatórios com um só nó (direita ou esquerda) ou com dois nós. Em caso de reservatórios com dois nós, ambos nós deverão ter a mesma cota. A cota de nós de um reservatório corresponde a sua cota de soleira. Em continuação são indicadas as características destes Reservatórios. 3.3.1 Reservatórios de grandes dimensões. - Cota inicial de água (Z0): É a cota de água utilizada para calcular o regime permanente. Ao se tratar de um reservatório de grandes dimensões esta cota não se altera durante toda a simulação, independentemente das vazões de entrada e de saída que se estabelecem no processamento dos cálculos. Para declarar um reservatório de grandes dimensões e introduzir a cota inicial de água no ALLIEVI, o procedimento é o seguinte: • Ir a Dados Básicos Tipo GD • Ir a Dados Básicos Z0 (m) NOTA: Quando dois nós pertencem a um mesmo elemento, ALLIEVI atribuirá automaticamente um mesmo valor da cota para ambos extremos do elemento. 17 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI As unidades e a Cota Inicial de água podem ser modificadas tão somente com um click utilizando o botão direito sobre o campo correspondente, pois, se está operando no modo de edição. • Com um Click direito em Z0 Cambiar unidade Gestão de Unidades: Este assistente permite modificar a unidade atual para a unidade desejada no campo que se está trabalhando. 3.3.2 Reservatórios de pequenas dimensões - Seção (S). É a seção transversal do reservatório, cujo valor é constante. - Cota inicial de água (Z0). É a cota de água utilizada para calcular o regime permanente. Ao se tratar de um reservatório de pequenas dimensões esta cota se NOTA: O procedimento para se modificar as unidades das grandezas é similar para todos os dados de entrada requeridos no cálculo. 18 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI modificará ao longo da simulação, em função da seção do reservatório e das vazões de entrada e de saída que se estabelecem durante o processamento dos cálculos. A maneira de declarar um reservatório de pequenas dimensões é a seguinte: • Ir a Dados Básicos Tipo PD 3.3.3 Reservatórios de seção variável Nestes Reservatórios se admite que a seção varia em degraus, com tramos de seção constante entre a cota inferior e superior de cada degrau. As características destes Reservatórios são as seguintes: - Cota inicial de água (Z): É a cota de água utilizada para calcular o regime permanente. Esta cota pode se modificar ao longo da simulação do transitório. - Para cada ponto i que define a seção do reservatório de seção variável: - Cota do ponto (z). É a cota associada ao ponto i, a partir do nível de referência estabelecido. - Volume acumulado (V). É o volume do reservatório acumulado desde a soleira até o ponto i. Para i = 0, o programa assume diretamente um volume acumulado igual a zero. IMPORTANTE: Em caso de desconhecer o significado de algum campo de dados de entrada, é possível obter esclarecimentos com o click direito sobre o campo que deseja conhecer. Com esta ação, ALLIEVI apresentará uma etiqueta com a informação necessária. 19 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI A maneira de introduzir os dados do reservatório de seção variável é a seguinte: • Ir a Dados Básicos Seção do Reservatório S (m2) Se apresentará um assistente no qual se deverá introduzir a cota e o correspondente volume acumulado. 3.3.4 Reservatórios com divisão interna e vertedor São os Reservatórios que dispõem de um vertedor retangular de parede delgada, transversal interno, que divide o reservatório em zona de entrada e de saída. Suas características são: z0 z1 z2 Volumen 1 Volumen 2 Volumen 3 z3 20 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI - Seção transversal a montante do vertedor (Si). É a seção do reservatório na zona de entrada. - Seção transversal a jusante do vertedor (Sf). É a seção do reservatório na zona de saida. - Cota a montante e jusante do nível de água (Z Si; Z Sf). São as cotas de água nas seções de entrada e de saída do reservatório, com as quais se calcula o regime permanente. Estas cotas podem ser iguais ou diferentes para as duas zonas do reservatório e podem ser alteradas durante a simulação do transitório. O modo de introduzir estes parâmetros é a seguinte: • Ir a Divisão e Vertedor Seção Inicial (Si) Seção Final (Sf) Cota Inicial (Z Si) Cota Final (Z Sf) - Comprimento do vertedor (L). É o comprimento transversal do reservatório. - Cota da crista do vertedor (Z Crista). É a cota da crista do vertedor, a partir do nível de referência estabelecido. - Coeficiente de vazão do vertedor (Cq). É o coeficiente Cq do vertedor retangular de parede delgada no interior do reservatório, utilizado para o cálculo da vazão de descarga obedecendo a seguinte equação: 2 3 2 3 2 HgLCQ q= (9) Sendo, L o comprimento do vertedor e H a altura da lâmina de água sobre a Crista do Vertedor (Z Crista), antes que se inicie o rápido descenso. Valores típicos de Cq variam entre 0,60 e 0,80. O modo de introduzir estes dados é o seguinte: 21 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI • Ir a Vertedor/vertedor Comprimento do Vertedor (L) Crista do vertedor (Z Crista) Coeficiente de Vazão do Vertedor (Cq) 3.3.5 Outras características dos Reservatórios Além dos dados anteriores, existem outras características comuns a diferentes tipos de Reservatórios como indicamos em seqüência.3.3.5.1 Vertedor de Alívio em Reservatórios de pequenas dimensões ou de seção variável Nestes reservatórios pode existir um vertedor retangular de parede delgada, situado em uma de suas paredes laterais, que verta a água para o exterior quando se atinge a cota da crista deste vertedor de alívio. Os dados do vertedor são os seguintes: - Comprimento do vertedor de alívio: É o comprimento do vertedor. Se este comprimento é nulo se entende que o reservatório correspondente não dispõe de vertedor de alívio. - Cota da crista do vertedor de alívio: É a cota da crista, tomada a partir do nível de referência estabelecido para o sistema. - Coeficiente de vazão do vertedor de alívio: É o coeficiente Cq do vertedor retangular de parede delgada, utilizado no cálculo da vazão vertida de acordo com a equação (9). - Reservatório para descarga do vertedor de alivio: A água descarregada no vertedor de alívio pode verter para o leito de um rio receptor ou a um dos Reservatórios de pequenas dimensões ou de seção variável instalados no sistema hidráulico. Indicar- se-á com a denominação do reservatório ao qual se verte a água ou, deixar em branco este dado para indicar que se está vertendo a água para o leito de um rio receptor. Nos casos em que o reservatório tenha vertedor de alívio, este vertedor poderá ser fixo ou ser equipado com uma comporta com movimento vertical que verte água pela aresta superior. Neste último caso, a comporta poderá realizar um único movimento linear de elevação ou descenso durante o desenvolvimento do transitório. As características deste vertedor de alivio com crista móvel através de comporta são as seguintes: 22 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI - Crista (Fixa - Móvel). Indica a característica da crista móvel (Si) ou fixa (No). No caso de crista fixa não são requeridos os dados seguintes. • Ir a vertedor de alívio móvel Crista (Fixa/ Móvel) En caso de crista móvel, os dados requeridos são os seguintes: - Cota final da crista (Zf). É a cota que alcançará a crista do vertedor ao final de seu movimento. A cota da crista no início do movimento é a cota anteriormente indicada. - Instante inicial do movimento da crista (Ti). É o instante em que se inicia o movimento da comporta, isto é, da crista do vertedor. - Instante final do movimento da crista (Tf). É o instante em que finaliza o movimento da comporta. Procedimentos para inserir os dados: • Ir a vertedor de alívio móvel Cota final de a crista (Zf) Instante inicial do movimento da crista (Ti) Instante final do movimento da crista (Tf) 3.3.5.2 Mudança do nível de água durante o cálculo do regime permanente em Reservatórios de pequenas dimensões, de seção variável com divisão e vertedor Nestes Reservatórios, a diferença com os reservatórios de grandes dimensões, é que o nível de água se altera durante o regime transitório. No entanto, para o cálculo do regime permanente, o nível de água nestes Reservatórios pode permanecer constante ou mudar até que se cumpra a equação da continuidade considerando as vazões de entrada e de saída do reservatório. 23 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI No caso do cálculo do regime permanente, no qual se assume que o nível de água nestes Reservatórios permanece constante, obter-se-a um regime permanente que, em geral, não satisfaz a equação da continuidade entre as vazões de entrada e de saída. Isto se deve ao fato que na maioria das vezes não é possível conhecer a priori os níveis de água nestes Reservatórios quando o sistema opera em regime permanente. Por isto se originará um fluxo não permanente ao iniciar o cálculo do regime transitório, muito embora não se efetuem manobras nos elementos ativos do sistema. Se, ao contrário, se permite que o nível nestes Reservatórios se altere durante o cálculo do regime permanente, ao se finalizar este cálculo o nível de água alcançado será tal que se cumprirá a equação da continuidade entre as vazões de entrada e de saída do reservatório. Em conseqüência, se em todos os Reservatórios do sistema, exceto os de grandes dimensões, se permite que o nível de água se altere durante o cálculo do regime permanente, a situação a que se chegará será tal que os níveis serão mantidos sem alterações durante o cálculo do transitório ao não se efetuarem manobras nos elementos ativos do sistema. Segundo seja o caso, a variável a introduzir será: - Cota variável em regime permanente (Sim - Não). Para o cálculo do regime permanente, a água do reservatório pode ter cota variável (Si) ou cota fixa (No), sendo, neste último caso, igual a cota inicial indicada anteriormente. • Ir a Dados Básicos Cota de água variável (Zvar) SIM / NÃO 3.4 Tubulações As características das tubulações são as seguintes: - Comprimento (L): É a extensão da tubulação. - Diâmetro (Dint ): É o diâmetro interno da tubulação. - Espessura da tubulação (e): É a espessura da parede da tubulação que se utiliza para calcular a celeridade. 24 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI A maneira de introduzir estes dados no programa é a seguinte: • Ir a Tubulações – Dados Básicos Comprimento (L) Diâmetro (Dint) Espessura (e) - Rugosidade absoluta ou (Rug): As perdas por atrito em tubulações se calculam por meio da equação de Darcy, com o fator de atrito obtido mediante a fórmula de Colebrook. O usuário deve introduzir a rugosidade absoluta das paredes interiores da tubulação. - Coeficiente de perdas singulares (k): É o coeficiente adimensional de perdas singulares global na tubulação. Com este coeficiente, as perdas singulares se calculam mediante a equação: g V kh tm 2 2 = (10) sendo Vt a velocidade da água na tubulação. • Ir a Tubulações – Perdas Rugosidade absoluta (Rug) Coeficiente de perdas singulares (k) IMPORTANTE • Se o usuário introduz neste campo a rugosidade com um valor negativo como, por exemplo (-1), o programa realiza o cálculo considerando que nesta tubulação não há perdas por atrito. • No caso de se introduzir um valor nulo como rugosidade absoluta, a tubulação será considerada lisa com o fator de atrito correspondente. . 25 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI - Celeridade: É a velocidade de propagação das ondas de pressão. Este dado se atribui diretamente para a tubulação ou se poderá calcular através do assistente a partir do diâmetro interno, da espessura da parede e do coeficiente do material da tubulação. Se é atribuído o valor zero para a celeridade, o transitório na tubulação será tratado como uma oscilação de massa O assistente se encontra justamente no campo da celeridade na tabela de dados das tubulações. - Coeficiente kmt do material da tubulação. É o coeficiente, dependente do material da tubulação, que se utiliza para o cálculo da celeridade, por meio da expressão (válida somente para a água). t t mt e D k a + = 3,47 9900 (11) No assistente se indicam valores de kmt para diferentes materiais de tubulação. A maneira de introduzir a celeridade em cada uma das tubulações no ALLIEVI é a seguinte: • Ir a Tubulações – Dados Básicos Celeridade (a) se introduz manualmente o valor da celeridade para cada tubulação • Ir a Tubulações – Dados Básicos Celeridade (a) Calcular. Abrir-se-á a etiqueta do assistente no qual será somente necessário introduzir o coeficiente do material da tubulação; no lado direito do assistente, o usuário dispõe do valor do coeficiente para os materiais usuais utilizados nas tubulações. 26 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI - Traçado da tubulação (Perfil). Corresponde a forma geométrica do perfil da tubulação, definida a partirdo traçado de seu eixo. Os dados necessários para definir o traçado de cada tubulação são os seguintes: - Distância da origem. É a distância do ponto i ao inicio da tubulação, medida ao longo do seu eixo. Para o ponto inicial o programa atribui diretamente à distância o valor zero, e para o ponto final o programa atribui à distancia o valor igual ao comprimento da tubulação. - Cota. É a cota do ponto i situado sobre o eixo da tubulação. Para os extremos da tubulação o programa atribui as cotas dos nós correspondentes. O perfil da tubulação se introduz do seguinte modo: • Ir a Tubulações – Dados Básicos Perfil Configuração da Tubulação i. Se abrirá o assistente, no qual se introduzirão as distâncias da origem e as correspondentes cotas. 27 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 3.4.1 Válvulas de ar (Ventosas) em tubulações As ventosas se instalam para evitar pressões negativas em uma tubulação, admitindo ar quando a pressão interna no ponto em que está instalada tende a ser menor do que a pressão atmosférica e expulsando o ar quando a pressão alcança valores superiores a atmosférica. No entanto, a admissão de ar na tubulação poderá em alguns casos criar mais problemas do que soluções e, a utilização de ventosas como sistema de proteção para controlar os transitórios hidráulicos, se utiliza somente quando não há outro modo para evitar a ocorrência de pressões negativas. ALLIEVI conta internamente com uma base de dados de características de ventosas, assim como permite que o usuário introduza os dados das curvas características de uma ventosa que deseja utilizar na instalação que está analisando. A maneira de introduzir dados de ventosas é a seguinte: • Ir a Tubulações – Dados Básicos Perfil Configuração da Tubulação i Ventosas. Se especifica a distância em metros desde a origem da tubulação e no botão de tipo de ventosas, se pode optar entre selecionar uma das ventosas disponíveis na base de dados ou configurar uma nova ventosa de seu arquivo pessoal introduzindo a respectiva curva característica. 28 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 3.4.1.1 Configuração das Ventosas No Allievi as ventosas são configuráveis, ou seja, o usuário pode acessar as curvas de admissão e expulsão de ar das ventosas definidas e configuradas no programa. O modo de acessar estas curvas é a seguinte: • Ir o menu configuração Opções Bases de dados Configurar as ventosas definidas no Allievi 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑀𝑖𝑛í𝑚𝑎 ≥ 0.5(∆𝑥) = 0.5 ∗ (𝑎 ∗ ∆𝑡) 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑀𝑖𝑛í𝑚𝑎 ≥ 1.5(∆𝑥) = 1.5 ∗ (𝑎 ∗ ∆𝑡) IMPORTANTE: É muito importante considerar que para efeitos do cálculo, se a tubulação conecta com um elemento não tubo em um de seus extremos, as ventosas que se instalarão devem situar-se a uma distancia mínima que equivalerá a: ∆𝑡: Intervalo de tempo a: Celeridade No caso de tubulações cujos extremos se conectam com outras tubulações, somente se admite instalar uma ventosa nos nós associados ao extremo de uma das tubulações. Para as outras tubulações as ventosas deverão ser instaladas a uma distância mínima dos nós obedecendo à condição: Esta distância mínima também deverá prevalecer entre duas ventosas instaladas na tubulação. 29 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI Neste assistente se apresentarão todas as ventosas definidas; simplesmente fazendo click no nome da ventosa, se acessa os valores de ∆pre ssão e da vazão de ar que definem as suas curvas de admissão e expulsão de ar. Para criar ou modificar alguma destas curvas, se dispõem de duas opções. Por um lado, o botão Novo permite inserir os valores de uma nova ventosa, enquanto que o botão Duplicar permite modificar os valores de alguma das ventosas já definidas. 30 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 3.4.1.2 Ruptura de tubulação ALLIEVI permite simular o efeito da ruptura de uma tubulação no sistema. Para isto, no assistente, para introduzir o perfil da tubulação que vai sofrer a ruptura, e selecionando a opção “Tubulação com ruptura” se introduzirão os seguintes dados: - Distância da origem. É a distância desde a origem da tubulação até o ponto onde se vai produzir a ruptura. - Instante da ruptura. É o instante que se inicia a ruptura. - Duração da ruptura. É o tempo durante o qual permanece a ruptura. - Kv final. É o coeficiente Kv final da ruptura, que relaciona a vazão descarregada por ruptura Qrot com a pressão no interior da tubulação no ponto de ruptura Ptub, de acordo com a equação: ( ) ( )barPKvhmQ tubrot =3 (11) Para introduzir estes dados siga o procedimento seguinte: Ir a Tubulações – Dados Básicos Perfil Configuração da Tubulação i selecionar a tubulação com ruptura. 31 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 3.4.1.3 Tubulações com vazão inicial nula Para calcular o regime permanente, e a vazão circulante nas tubulações se iniciam os cálculos assumindo a velocidade da ordem de 0,5 m/s (ou outro valor introduzido pelo usuário). Durante o cálculo do regime permanente esta velocidade irá sendo modificada em cada iteração, e para cada tubulação, até se alcançar o valor de regime permanente. No caso em que a vazão em regime permanente de uma ou de várias tubulações é zero (pelo fato de existirem bombas desligadas e/ou válvulas fechadas), as condições de regime permanente se obtém com um número elevado de iterações, consumindo muito tempo de cálculo. Nestes casos, para o cálculo do regime permanente, poder-se-a admitir diretamente a vazão nula naquelas tubulações para as quais se reconhece a priori que esta será a vazão do regime permanente. Para cada tubulação os dados necessários são: - Q inicial nulo (Sim – Não). Indica se imporás, ou não, vazão inicial nula. - Extremo para impor H (Inicial – Final). No caso de impor vazão inicial nula, se indicará se a altura piezométrica da tubulação em condições de regime permanente será a de seu extremo inicial ou a de seu extremo final. 32 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI O processo para introduzir estes dados é o seguinte: • Ir a Tubulações – Vazão Nula Qin = 0 • Ir a Tubulações – Vazão Nula H Imp Inicial / Final 3.5 Estações de bombeamento As características gerais das estações de bombeamento são as seguintes: - Número de bombas em paralelo. É o número de grupos instalados em paralelo, todos iguais, formando a Estação de bombeamento. Estes grupos terão exatamente o mesmo comportamento durante o transitório e poderão dispor a jusante de válvulas de regulação e de retenção submetidas a manobras iguais e, também de by-pass. • Ir a Estações de bombeamento (Tabela de dados) – Dados gerais Num. - Forma das curvas características das bombas. Se indica a forma de apresentação das curvas características das bombas, Hb = Hb (Qb) e Pacc = Pacc (Qb), as quais podem ser Universais ou Ajustadas (por pontos). • Ir a Estação de bombeamento – Dados gerais CurvaPor Pontos / Universais IMPORTANTE: Há que ter muito cuidado com estes dados, pois quando se indica vazão nula em uma tubulação o programa calcula o regime permanente assumindo esta vazão nesta tubulação, assim como a altura piezométrica no extremo indicado. O regime permanente obtido será errôneo se, na realidade, não se cumprem as hipóteses assumidas. Em caso de dúvida é melhor não assumir este tipo de dados. 33 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI - Tipo de válvula de grupo. Indica se existe ou não válvula de retenção e de regulação na saída de cada grupo, assim como by-pass entre a entrada e a saída da Estação de bombeamento. • Ir a Instalação V Regulação SIM / NÃO V Retenção SIM / NÃO By-Pass SIM / NÃO - Inércia de cada grupo. É o momento de inércia das massas girantes de cada grupo, e inclui o rotor da bomba, o eixo, o acoplamento e o rotor do motor de acionamento. No caso de não dispor destesdados, o programa proporciona uma estimativa do momento de inércia do grupo utilizando a fórmula de Thorley, 48,19556,0 3 0043,003768,0 + = N P N PI (12) onde, I é o momento de inércia do grupo em Kg·m2, P a potencia nominal do grupo em Kw, e N a velocidade de rotação nominal em mil rpm. Na expressão (12), o primeiro termo do segundo membro representa o momento de inércia da bomba e, o segundo termo o momento de inércia do motor elétrico de acionamento. Se for conhecido o valor de PD2 do grupo, sua relação com o momento de inércia é: ( ) ( ) ( ) ( ) 4 ··; 4 ·· 22 2 22 2 mKpPDmKgI g mNwPDmKgI == (13) Como se mencionou anteriormente existe duas possibilidades para introduzir o momento de inércia. A maneira direta é: • Rotação I (Kg.m2) 34 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI Em caso de não contar com este dado, ALLIEVI proporciona ao usuário a opção de calculá-lo utilizando o assistente que se busca da seguinte maneira: • Rotação I (Kg.m2) Calc. Calcular potência e Inércia - Velocidade de rotação de regime. É a velocidade de rotação dos grupos quando funcionam nas condições de regime permanente. • Ir a Rotação Nreg (rpm). - Velocidade de rotação nominal. É a velocidade de rotação das bombas que corresponde às curvas características utilizadas. • Ir a Rotação Nnom (rpm). 35 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI - Funcionamento inicial das bombas. Nas condições iniciais os grupos podem estar em marcha (com a velocidade de rotação de regime), ou parados. • Ir a Parada/ligar Inicial Em Marcha / desligadas 3.5.1 Bombas com curvas características universais Neste caso as curvas características das bombas se obtêm das curvas universais tabeladas para um total de 14 valores da rotação específica, de acordo com as variáveis propostas por Marchal, Flesch y Suter. Estas curvas permitem caracterizar o comportamento das bombas em quaisquer condições de operação, isto é, para valores positivos, negativos ou nulos de vazão, altura e rotação. Os dados necessários para caracterizar a bomba correspondem aos valores do ponto ótimo de operação (o ponto de rendimento máximo) na rotação nominal, isto é: - Vazão Qb0. É a vazão da bomba. - Altura Hb0. É a altura gerada pela bomba. - Potencia de acionamento Pacc0. É a potência de acionamento da bomba no ponto ótimo de operação. Com estes três valores, o programa mostrará, para a verificação do usuário, o rendimento da bomba no ponto ótimo de operação com o seguinte procedimento. • Abrindo (clicar ) a tabela de Dados Gerais Rendimento Ótimo Q (l/s) Rendimento Ótimo H (m) Rendimento Ótimo P (Kw) 36 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 3.5.2 Bombas com curvas características por pontos Os dados das curvas características ajustadas são fornecidos por pontos, para a rotação nominal, a partir das informações do catálogo fornecido pelo fabricante das bombas. Com esta informação o programa não poderá caracterizar o comportamento das bombas para valores negativos de vazão, altura ou rotação. Por isto esta forma de proporcionar as curvas características somente será útil nos casos em que o funcionamento das bombas for limitado ao primeiro quadrante, com rotação positiva. Para este caso, os dados necessários para obter as curvas características ajustadas deverão ser introduzidos de acordo com o seguinte procedimento: - Vazão Qbi. Vazão bombeada no ponto de funcionamento i. - Altura Hbi. Altura associada ao ponto de funcionamento i. - Potencia de acionamento Pacci. Potencia de acionamento no ponto de funcionamento i. Com estes três valores, para cada ponto de funcionamento i, o programa mostra a curva de rendimento da bomba para a verificação do usuário. Para entrar com os dados que definem as curvas características da bomba, ALLIEVI conta com um assistente que indica o seguinte procedimento: Abrindo (clicar ) na tabela de Dados Gerais Curvas por pontos Tabela, IMPORTANTE: Os pontos de funcionamento da bomba que definem as curvas ajustadas por pontos devem cobrir todo o primeiro quadrante, desde Qb = 0 até Hb = 0, com potencias de acionamento que, em nenhum caso, poderá ser nula ou negativa. Por isto recomenda-se que o usuário proporcione suficientes pontos para definir adequadamente as curvas de funcionamento, extrapolando por sua conta a informação que o fabricante proporciona no catálogo. Este procedimento se justifica, pois, ao longo da simulação do transiente, a bomba poderá operar em qualquer ponto de sua curva característica dentro do primeiro quadrante, com o que, o programa deverá dispor de informações suficientes das características da bomba neste quadrante. 37 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 3.5.3 Válvulas de grupo: Válvula de retenção Os grupos de bombeamento com curvas ajustadas dispõem em todos os casos, de válvula de retenção. Os grupos com curvas universais poderão ou não dispor desta válvula de retenção na descarga. Os dados necessários para a simulação são os seguintes: - Coeficiente de perdas KVRt da válvula de retenção. É o coeficiente de perdas na válvula de retenção totalmente aberta, com unidades em m/(m3/s)2, para o cálculo das perdas em função da vazão da bomba. Neste coeficiente de perdas deverão ser incluídas as perdas nos acessórios instalados na descarga atravessados pela vazão da bomba excluindo-se as perdas na válvula de regulação, se instalada. • Abrindo (clicar ) na tabela de Dados Gerais V retenção K 38 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 3.5.4 Válvulas de grupo: Válvula de regulação A válvula de regulação se instala na descarga de cada grupo, geralmente após a válvula de retenção, se existe. Sua função é regular a vazão bombeada pelo grupo com o fechamento parcial ou isolar o grupo do sistema ao ser totalmente fechada. As características destas válvulas são: - Diâmetro nominal. É o diâmetro nominal da válvula de regulação. - Tipo de válvula de regulação. É o tipo de válvula de regulação a instalar, selecionada entre os seguintes tipos: • Abrindo (clicar ) na tabela de Dados V Regulação D (mm) V Regulação Tipo: Borboleta V Regulação Tipo:Comporta (gaveta) V Regulação Tipo: Globo VRegulaçãoTipo:Diafragma V Regulação Tipo: Comercial Para todos estes tipos, exceto para o caso de válvula comercial, o programa dispõe de curvas características típicas que proporcionam os valores dos coeficientes de perdas adimensionais em função do grau de abertura da válvula. Para o caso da válvula comercial, a curva característica da válvula se obterá da base de dados de válvulas, a partir de informações de catálogo, e poderá ser adicionada ao programa do seguinte modo: - Válvula comercial a instalar (Modelo). É a denominação da válvula comercial a instalar, com dados obtidos das válvulas comerciais disponíveis. 39 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI • Abrindo (clicar ) na tabela de Dados Gerais V Regulação Modelo As válvulas de regulação instaladas nos grupos das Estações de Bombeamento poderão se submeter a manobras de fechamento e/ou abertura durante a simulação do transitório. Para definir estas manobras de forma tabular deverão ser fornecidos os seguintes dados: - Instante ti. É o instante de tempo correspondente ao ponto i. - Grau de abertura Ari. É a abertura relativa da válvula, em % relativa à abertura máxima (100%), no instante ti. Para introduzir a manobra da válvula, oprocedimento é o seguinte: • Abrindo (clicar ) na tabela de Dados Gerais V Regulação Manobra 3.5.5 Válvulas de grupo: By-pass na Estação de bombeamento O by-pass se existe, se instala entre os barriletes de entrada e de saída da Estação de Bombeamento e em paralelo com os grupos. O by-pass dispõe de uma válvula de retenção com os seguintes dados: 40 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI - Coeficiente de perdas KVRbp da válvula de retenção. É o coeficiente de perdas da válvula de retenção aberta, com unidades em m/(m3/s)2, para o cálculo das perdas em função da vazão circulante no by-pass. Neste coeficiente de perdas se deverá adicionar as perdas dos outros acessórios que compõem o by-pass. • Abrindo (clicar ) na tabela de Dados Gerais By-Pass K 3.5.6 Estações de Bombeamento com grupos inicialmente em marcha As Estações de bombeamento que se encontram inicialmente em marcha podem ser desligadas em um momento determinado e, posteriormente, voltar a operar. Nestes casos teremos que completar os seguintes dados: - Instante de parada (Inst. par.). É o instante em que se desconectam simultaneamente todos os grupos da Estação de Bombeamento. - Voltar-se-á a ligar? (Sim – Não). Indica se os grupos serão ligados novamente, ou não, após o desligamento. - Instante de religar. Em caso de ser religados, este é o instante que se produzirá o ligar simultâneo dos grupos (instante posterior ao do desligamento). - Tempo de aceleração. Em caso de religar é a duração para se atingir, em evolução linear com o tempo, a rotação de regime dos grupos. Deverão ser completados os dados de acordo com o seguinte procedimento: • Ir a Parada/Religar Inicial Em Marcha Inst Parada. Novo ligar Sim / Não Inst. de religar Duração 41 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 3.5.7 Estações de Bombeamento com grupos inicialmente desligados As Estações de bombeamento que se encontram inicialmente desligadas podem ser ligadas em um determinado momento e, posteriormente, voltar a desligar. Nestes casos teremos que completar os seguintes dados: - Instante no qual se ligam os grupos. É o instante em que se ligam simultaneamente todos os grupos da Estação de Bombeamento. - Duração da aceleração. É o intervalo de tempo utilizado em evolução linear para que os grupos atinjam a rotação de regime. - Se desligarão os grupos? (Sim – Não). Indica se os grupos irão ser desligados ou não depois de ligados. - Instante de parada. Em caso de desligar este é o instante no qual se produzirá o desligamento simultâneo dos grupos (instante posterior ao de ligar). Seguir os procedimentos: • Ir a Parada/religar Inicial Paradas Inst. ligar Duração Novo desligamento Sim / Não Inst. Parada. 42 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 3.6 Estruturas de controle de vazão As Estruturas de controle de vazão são constituídas basicamente por válvulas e outros componentes que intervêm na vazão circulante. Os elementos que se consideram nas Estruturas de controle de vazão são os seguintes: Tipos de Elemento Representação Gráfica no ALLIEVI 1. Válvulas de regulação 2. Válvulas de retenção 3. Válvulas de alivio 4. Válvulas de sobrevelocidade 5. Perdas de carga localizadas 6. Válvulas compostas (vários ramais em paralelo) 7. Válvulas automáticas As características de todos estes elementos são as seguintes: 3.6.1 Válvulas de regulação São válvulas cujo acionamento permite modificar a vazão circulante na instalação. Usualmente estarão inicialmente abertas, mas poderão fechar para isolar uma parte do sistema hidráulico. Suas características são: - Cota (Z). É a cota em que se situa a válvula, é a mesma dos seus nós extremos. - Diâmetro nominal (DN). É o diâmetro nominal da válvula. - Coeficiente de perdas (k) do ramal. É o coeficiente de perdas adimensional do ramal no qual a válvula está instalada. Estes dados se introduzem da seguinte maneira: • Ir a Válvula de regulação – Dados básicos Cota (Z) • Ir a Válvula de regulação – Dados básicos Diâmetro nominal (DN) 43 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI • Ir a Válvula de regulação – Dados básicos Coeficiente de Perdas (k) - Tipo de válvula. É o tipo de válvula a instalar, escolhida entre os seguintes tipos: Borboleta Esférica Comporta (Gaveta) Globo Diafragma Comercial Para definir o tipo de válvula se deve: • Ir a Válvula de regulação – Dados básicos Tipo Borboleta Esférica Comporta Globo Diafragma Comercial Para todos estes tipos, exceto no caso de válvula comercial, o programa dispõe de curvas características típicas que proporcionam os coeficientes de perdas adimensionais em função do grau de abertura da válvula. Para o caso de válvula comercial, a curva característica da válvula se obtém da base de dados de válvulas à partir de informações de catálogos. Para estas válvulas se deve dispor do coeficiente de perdas adimensional em função do grau de abertura, entre 0 % e 100 % em intervalos de 5 % do grau de abertura. 44 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI Ao introduzir uma válvula comercial, o usuário deverá decidir que tipo de válvula deseja introduzir. A maneira de preencher os dados é a seguinte: • Ir a Válvula de regulação – Dados básicos Tipo Comercial Modelo: Se apresentará uma tabela com todas as válvulas comerciais disponíveis. As válvulas de regulação poderão se submeter a manobras de fechamento e/ou de abertura durante a simulação do transitório. Estas manobras poderão ser definidas como: Tabeladas Senoidais Para definir as manobras de forma tabelada deverão ser introduzidos os seguintes dados: - Instante ti. É o instante de tempo correspondente ao ponto i. - Grau de abertura Ari. É a abertura reativa da válvula, em % relativa à abertura máxima (100%), no instante ti. O usuário deve introduzir os dados da manobra da válvula da seguinte maneira: • Ir a Manobra Tipo Tabelada 45 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI • Ir a Tabelada Tabela A manobra senoidal é periódica e obedece a seguinte expressão ( ) )2(0 BtTsenAAptAp +⋅+= π (21) Donde a abertura relativa, em % da abertura máxima, depende dos seguintes parâmetros: - Abertura inicial Ap0. É a abertura da válvula no instante inicial, em % da abertura máxima. - Amplitude A. É a amplitude da oscilação em % da abertura máxima. - Período T. É o período de oscilação da abertura da válvula, em s. - Fase B. É o angulo de fase da oscilação da abertura da válvula, em graus. A manobra senoidal se introduz da seguinte forma: • Ir a Manobra Tipo Senoidal • Ir a Senoidal Abertura inicial Apo (%) 46 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI • Ir a Senoidal Amplitude A (%) • Ir a Senoidal Período T (s) • Ir a Senoidal Angulo de fase B (s) 3.6.2 Válvulas de retenção Estas válvulas abrem quando a vazão circula no sentido direto, e fecham quando a vazão se estabelece no sentido inverso. São consideradas elementos ideais, fechando instantaneamente no mesmo momento que a vazão na saída da válvula se inverte.Suas características são: - Cota. É a cota que se instala a válvula, a mesma dos nós extremos. - Diâmetro nominal. É o diâmetro nominal da válvula. • Ir a Válvula de retenção – Dados básicos Cota (Z) • Ir a Válvula de retenção – Dados básicos Diâmetro Nominal (DN) - Coeficiente de perdas k do ramal. É o coeficiente adimensional de perdas do ramal onde a válvula está instalada. - Coeficiente de perdas k da válvula fechada. É o coeficiente de perdas adimensional da válvula fechada. Se com a válvula fechada o fluxo inverso é impedido este coeficiente é assumido com um valor da ordem de 1·1032. - Coeficiente de perdas k de a válvula aberta. É o coeficiente adimensional de perdas da válvula totalmente aberta. • Ir a Perdas de carga Coeficiente de perda do ramal (k Ramal) • Ir a Perdas de carga Coeficiente de perda na válvula fechada (k 0%) • Ir a Perdas de carga Coeficiente de perda na válvula aberta (k 100%) 47 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 3.6.3 Válvulas de alivio São válvulas que se abrem quando a pressão em seu ponto de conexão supera um determinado valor, descarregando ao exterior toda ou parte da vazão circulante enquanto a pressão se mantém acima deste valor. Uma vez abertas, o grau de abertura é função da pressão de entrada até a abertura completa. E com a pressão mais baixa a válvula permanecerá fechada. Suas características são: - Cota. É a cota na qual se instala a válvula, é a mesma de seus nós extremos. - Número de ramais em paralelo. É o número de válvulas de alivio, instaladas em paralelo, que constituem a “estrutura de alívio”. O programa admite um determinado número de válvulas em paralelo, não necessariamente iguais. • Ir a Válvula de Alivio – Dados básicos Cota (Z) • Ir a Válvula de Alivio – Dados básicos Número de ramais (NR) Para cada uma de as válvulas de alivio instaladas em paralelo, os dados necessários são: - Diâmetro nominal. É o diâmetro nominal da válvula. - Coeficiente de perdas k do ramal. É o coeficiente adimensional de perdas do ramal no qual se instala a válvula. - Tipo de válvula. É o tipo de válvula de alívio a instalar no ramal, selecionada entre os seguintes tipos: Borboleta Esférica Comporta (Gaveta) Globo Diafragma Comercial Uma vez definido o número de ramais, se apresenta a tabela na qual deverão ser introduzidos os dados correspondentes a cada um dos ramais. • Abrindo (clicar ) na tabela de Dados básicosDiâmetro Nominal (DN) Coeficiente Perda (k) Tipo 48 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI Para todos estes tipos, exceto para o caso da válvula comercial, o programa dispõe de uma curva característica típica que proporciona o coeficiente adimensional de perdas em função do grau de abertura da válvula de alívio. No caso da válvula comercial, a curva característica da válvula se obtém da base de dados de válvulas apresentadas nos catálogos dos fabricantes. Para estas válvulas dever- se-a dispor do coeficiente adimensional de perdas em função do grau de abertura, entre os valores de 0 % e 100 % em intervalos de 5 % do grau de abertura. O processo proposto é igual ao mostrado para a válvula de regulação de tipo comercial. - Manobra da válvula. Relaciona o grau de abertura da válvula com a pressão nos nós de entrada. Para definir esta manobra de forma tabelada são necessários os seguintes dados: - Pressão pi. É a pressão na entrada da válvula correspondente ao ponto i. - Grau de abertura Ari. É a abertura relativa da válvula, em % da abertura máxima, para a pressão pi. Evidentemente a pressão mínima da tabela corresponderá o grau de abertura zero, para a pressão que provocará o início da abertura. Obviamente a pressão inicial da tabela deverá ser maior do que a pressão do ponto de conexão no regime permanente. • Abrindo (clicar ) na tabela de Dados básicos ( ) Tabela 49 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI 3.6.4 Válvulas de sobrevelocidade São válvulas que se fecham automaticamente quando se detecta uma variação considerável da vazão circulante, como pode ser o caso de uma ruptura. Sua função é evitar a ocorrência de inundações quando ocorrem rupturas. As características destas válvulas são: - Cota. É a cota de instalação da válvula, é a mesma de seus nós extremos. - Diâmetro nominal. É o diâmetro nominal da válvula. - Coeficiente de perdas k do ramal. É o coeficiente adimensional de perdas do ramal da válvula. - Tipo de válvula. É o tipo de válvula a instalar, dentre os seguintes tipos: Borboleta Esférica Comporta (Gaveta) Globo Diafragma 50 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI Comercial • Ir a Válvula de Sobrevelocidade – Dados básicos Cota (Z) • Ir a Válvula de Sobrevelocidade – Dados básicos Diâmetro Nominal (DN) • Ir a Válvula de Sobrevelocidade – Dados básicos Coeficiente de perdas do ramal (k) • Ir a Válvula de Sobrevelocidade – Dados básicos Tipo Para todos estes tipos, exceto no caso de válvula comercial, o programa dispõe de curvas características típicas que proporcionam os coeficientes de perdas adimensionais em função do grau de abertura da válvula. Para o caso de válvula comercial, a curva característica da válvula se obtém da base de dados de válvulas a partir de informações de catálogos. Para estas válvulas dever-se-a dispor do coeficiente de perdas adimensional em função do grau de abertura, entre 0 % e 100 % em intervalos de 5 % do grau de abertura. As válvulas de sobrevelocidade se fecham mediante uma manobra tabelada definida por pontos. Assim, para o ponto i teremos: - Instante ti. É o instante de tempo correspondente ao ponto i. Este instante se contará a partir do instante de disparo (abertura) da válvula, é o instante em que se inicia o processo de fechamento. - Grau de abertura Ari. É a abertura relativa da válvula, em % da abertura máxima, no instante ti. Para o instante inicial o grau de abertura da válvula será o máximo (100 %). • Ir a Válvula de Sobrevelocidade – Dados básicos Tabela 51 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI Em uma válvula de sobrevelocidade, o disparo (abertura plena) poderá ocorrer: - Por velocidade mínima. A válvula dispara quando a velocidade na mesma é menor do que um valor determinado. - Por velocidade máxima. A válvula dispara quando a velocidade na mesma é maior do que um valor determinado. - Por diferencia de vazões. A válvula dispara quando a diferença de vazões entre dois valores definidos em tubulações do sistema é maior do que um valor determinado. • Ir a Válvula de Sobrevelocidade – Dados básicos Disparo Para as válvulas que disparam por velocidade mínima ou máxima, a velocidade de disparo será: - Velocidade de disparo (V). É a velocidade, mínima ou máxima, que provoca o disparo da válvula. • Ir a Válvula de Sobrevelocidade – Dados básicos Velocidade de disparo (V) 52 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI Para as válvulas que disparam por diferença de vazões com o objetivo de detecção de fugas nas tubulações, deverão ser instalados medidores de vazão no inicio e no final da tubulação para detectar a diferença de vazões que provocará o disparo da válvula. Os dados necessários são: - Tubulação onde se instalam os medidores de vazão (caudalimetros). Denominação das tubulações onde se encontram instalados o medidor inicial e final. Em geral ambos os medidores estão instalados numa mesma tubulação, muito embora possam ser instalados em tubulações diferentes. - Distancia da origem na tubulação. Distância da origem, na correspondente tubulação, onde se encontram instalados cada um dos medidores. - Coeficiente de vazão do medidor (+1, -1). É o parâmetro que indica o sentido da vazão para o cálculo da diferença de vazões que provocará o disparo. Se o coeficiente vale +1, a vazão se considerapositiva no sentido da tubulação, e se o coeficiente vale -1 a vazão se considerará positiva no sentido contrário ao da tubulação. Se os dois medidores estão na mesma tubulação, os dois coeficientes de vazão deveriam ser iguais. - O procedimento para entrada dos dados é o seguinte: • Ir a Disparo por diferença de vazão Caudalimetros Acionar a janela no campo Caudalimetros se mostrará uma tabela para que o usuário introduza os dados dos caudalimetros. 53 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI Em cada instante de cálculo, o programa calculará a diferença entre as vazões obtidas nos pontos de instalação dos medidores inicial e final, ambas afetadas pelo correspondente coeficiente de vazão. O valor absoluto desta diferença se compara com um valor de referência para decidir ou não pelo disparo da válvula de sobrevelocidade. O dado necessário será: - Diferencia de vazões. Valor de referência da diferença de vazões para o disparo da válvula de sobrevelocidade. NOTA: No caso de não constarem as tubulações indicadas o programa emite o seguinte aviso: 54 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI • Ir a Disparo por diferencial de vazão Caudalimetros 3.6.5 Perda de carga localizada Corresponde a uma perda de carga localizada em uma posição determinada do sistema. Por exemplo, um acessório que provoca uma perda localizada entre dois tramos de uma tubulação. Os dados necessários são: - Cota. É a cota que se situa a perda localizada, e a mesma dos nós extremos. - Diâmetro nominal. É o diâmetro nominal do acessório que provoca a perda localizada. - Coeficiente de perdas k. É o coeficiente adimensional de perdas do acessório. • Ir a Válvula de Perda localizada – Dados básicos Cota (Z) • Ir a Válvula de Perda localizada – Dados básicos Diâmetro Nominal (DN) • Ir a Válvula de Perda localizada – Dados básicos Coeficiente de perdas (k). 3.6.6 Válvula composta (ECQ) É um elemento composto de um determinado número de válvulas instaladas em paralelo, as quais podem ser de regulação, de retenção, e acessórios que provoquem perdas localizadas. Para as válvulas compostas, os dados necessários são: - Cota. É a cota na qual se situa a (ECQ), é a mesma de seus nós extremos. • Ir a Válvula composta (ECQ) – Dados básicos Cota (Z) - Número de válvulas de regulação. É o número de ramais com válvulas de regulação que formam parte da (ECQ). 55 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI - Número de válvulas de retenção. É o número de ramais com válvulas de retenção que formam parte da (ECQ). - Número de perdas localizadas. É o número de ramais com acessórios, que provocam perdas localizadas, e formam parte da (ECQ). • Ir a Válvulas Regulação: Se deve indicar o número de ramais com válvula de regulação. • Ir a Válvulas Retenção: Se deve indicar o número de ramais com válvulas de retenção. • Ir a Válvulas Perda: Se deve indicar o número de ramais com acessórios que provocam perda de carga localizada. Os dados de cada um dos componentes que formam parte da válvula composta são os mesmos que se apresentam em 3.6.1 (válvulas de regulação), em 3.6.2 (válvulas de retenção) e em 3.6.5 (perdas localizadas). • Abrindo (clicar ) na tabela de Dados básicos de Válvula composta- ECQ ( ) se deve introduzir os dados de cada uma das válvulas(ramais) declaradas. 3.6.7 Válvulas automáticas Estas válvulas têm funcionamento automático, modificando seu grau de abertura para manter constante o valor de um determinado parâmetro de operação. Os dados destas válvulas são: - Cota. É a cota na qual se instala a válvula automática, é a mesma dos seus nós extremos. - Diâmetro nominal. É o diâmetro nominal da válvula. 56 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI - Coeficiente de perdas k do ramal. É o coeficiente adimensional de perdas no ramal de conexão da válvula. Para introduzir estes dados da válvula automática observar o seguinte procedimento: • Ir a Válvula automática – Dados básicos Cota (Z) • Ir a Válvula automática – Dados básicos Diâmetro Nominal (DN) • Ir a Válvula automática – Dados básicos Coeficiente perdas (k Ramal) - Classe de válvula. É a classe da válvula a instalar, segundo a seguinte classificação: Redutora de pressão Sustentadora de pressão Limitadora de vazão Para declarar o tipo de válvula automática, o procedimento é o seguinte: • Ir a Válvula automática – Dados básicos Classe Redutora de pressão • Ir a Válvula automática – Dados básicos Classe Sustentadora de pressão • Ir a Válvula automática – Dados básicos Classe Limitadora de Vazão - Tipo de válvula. É o tipo de válvula a instalar, dentre os seguintes tipos: Borboleta Esférica Comporta (Gaveta) Globo Diafragma Comercial • Ir a Válvula automática – Dados básicos Tipo 57 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI Para todos estes tipos, exceto no caso de válvula comercial, o programa dispõe de curvas características típicas que proporcionam os coeficientes de perdas adimensionais em função do grau de abertura da válvula. Para o caso de válvula comercial, a curva característica da válvula se obtém da base de dados de válvulas a partir de informações de catálogos. Para estas válvulas dever-se-a dispor do coeficiente de perdas adimensional em função do grau de abertura, entre 0 % e 100 % em intervalos de 5 % do grau de abertura. O funcionamento das válvulas automáticas está concebido como um controlador proporcional que, atuando sobre o grau de abertura da válvula, objetiva manter constante o valor da variável a ser controlada (set-point). Em geral, a expressão que define o funcionamento do controlador é dada pela seguinte equação: ( ) ( )teKtu p±= (22) Sendo em cada caso: e = Erro entre o valor desejado e o valor instantâneo obtido na operação u = Resposta da válvula para a correção do erro detectado. Na expressão (22) se toma o sinal positivo para as válvulas sustentadoras de pressão, enquanto que se toma o sinal negativo para as redutoras de pressão e para as reguladoras de vazão. Os dados correspondentes para a regulação das válvulas automáticas são: - Pressão de controle: É a pressão assumida (set-point) na entrada das válvulas sustentadoras de pressão, ou de saída nas válvulas redutoras de pressão. Esta opção se habilita somente quando se declaram os parâmetros do regulador das válvulas sustentadoras e redutoras de pressão • Ir a Regulação PID Pressão de controle (P) 58 MANUAL TÉCNICO DO ALLIEVI - Vazão de controle. É a vazão assumida (set-point) nas válvulas reguladoras de vazão. Esta opção se habilita somente quando se declaram os parâmetros do regulador para as válvulas limitadoras de vazão. - Coeficiente Kp. É o coeficiente proporcional do regulador PID. A maneira de introduzir os parâmetros do regulador é a seguinte: • Ir a Regulação PID Coeficiente de proporcionalidade (Kp) 3.7 ESTRUTURAS DE PROTEÇÃO As Estruturas de proteção são utilizadas para reduzir as oscilações de pressão no escoamento transitório. Em geral elas armazenam um determinado volume de água, e funcionam contribuindo com vazão para o sistema, no momento em que se reduz a vazão circulante. Posteriormente, ao se alterar o sentido do fluxo, vazão é introduzida na Estrutura de proteção provocando a desaceleração lenta do fluxo. Desta maneira as mudanças de vazão na tubulação são amortecidas, reduzindo a amplitude das oscilações de pressão. IMPORTANTE: Em cada caso o coeficiente Kp deverá ser obtido por tentativas até que as variáveis a serem reguladas se adaptem ao valor desejado sem oscilações apreciáveis. Para que os resultados da simulação representem adequadamente o comportamento do sistema real, as válvulas automáticas a instalar deveriam ter como dado o valor do coeficiente proporcional obtido mediante
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