PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS

INSTITUTO POLITÉCNICO DA PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE

CATÓLICA DE MINAS GERAIS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA

MECÂNICA/MECATRÔNICA

LABORATÓRIO DE FLUIDOMECÂNICOS:

Autor: Marcio António Mutunda

Carneiro Hidráulico

BELO HORIZONTE

2014

1. Objetivos

Objetivo Geral :

Conhecer o funcionamento do carneiro hidráulico

Aprender a projetar um carneiro hidráulico

Objetivo Específico :

Determinar a eficiência do carneiro hidráulico

Avaliar a usabilidade do carneiro hidráulico

1.2 Conceituação Teórica

Bomba “carneiro”, ou carneiro hidráulico é um dispositivo automático elevador de água. Seu

princípio de funcionamento é simples. Um fluxo de água atravessa o corpo do mecanismo e,

quando a velocidade desse fluxo atinge um valor adequado, uma válvula o interrompe

abruptamente. A energia cinética da água toda (não só a do corpo da bomba, como também

aquela da canalização) determina no corpo da bomba um violento golpe. Esse golpe é suficiente

para empurrar uma certa quantidade de água a uma boa altura, sendo recolhida numa caixa

d’água. A bomba carneiro transforma energia cinética da água em energia potencial. Seu

rendimento hidráulico é pequeno

1.3 Descrição de Funcionamento

Consta o carneiro de uma câmara (1), geralmente feita em ferro fundido, que

armazena certo volume de água e de ar, conforme figura 1. Pelo fundo, a câmara liga-se à

tubulação de adução por meio de um orifício guarnecido por uma válvula unidirecional dotada

de mola calibrável, ou uma válvula basculante (V).

No conjunto 2, conforme figura 1, desliza uma válvula motora composta de

martelo e castelo. O martelo possui a face superior tronco-cônica e assenta-se

contra uma sede conhecida como castelo, de mesma conicidade quando se acha na

sua posição extrema superior. A válvula martelo é dotada de furos, em toda a sua

periferia, furos pelos quais verte a água do tubo de adução sempre que a válvula

não está em sua posição de fechamento.

Figura 1 : Vista da câmara e da válvula martelo

Fonte : Apostila de Máquinas e Fluxos Puc Minas

Para obter o funcionamento do carneiro, libera-se a válvula martelo do corpo

2, colocando-se em sua posição inferior, abertura total. Estabelece-se, então, um

fluxo de água do reservatório na cota H para o exterior, vertendo a água livremente

pelo corpo 2, passando pelos orifícios da válvula, conforme linhas de fluxo

representadas na Figura 1. Sendo a seção de escoamento formada pelos furos da válvula martelo

e pelo espaço que se segue entre a mesma e a sede cônica, ou seja, o castelo, o regime

de escoamento ali, antes que a água verta livremente, é forçado, sob forte aceleração da água.

Aceleração essa que implica na redução da pressão, o que causa o desequilíbrio da válvula

martelo dentro do corpo 2. Esta é, então, impelida para cima, com aceleração crescente, pois em

sua face inferior, atua a pressão da adutora, que é gH, a menos da dedução devido à velocidade

e às perdas por atrito. Tal pressão vence o peso próprio da válvula, mais a pressão na face

superior que, é baixa, e se reduz à medida que a válvula sobe, estrangulando a seção de

passagem. A subida da válvula martelo cria um progressivo efeito de frenagem sobre a massa

líquida em escoamento. Quando ela atinge o seu ponto superior, fica vedada a passagem da água

e produz-se, pelo fechamento brusco, um golpe de aríete.

Esse golpe gera uma sobrepressão local que se propaga em onda de intensidade

decrescente, no sentido montante. Tal onda, ligeiramente amortecida pelo trabalho

de deformação das paredes do tubo, atinge a válvula vizinha e a força a abrir-se, dando entrada a

um certo volume de líquido DV para dentro da câmara. Nesse instante, já a sobrepressão na

adutora foi aliviada, e a diferença de pressão obriga o fechamento da válvula, que se situa na

parte inferior da câmara. O ar, comprimido na parte superior da câmara, reage expandindo-se e

expulsando o excesso de volume de água DV pela tubulação de recalque.

Enquanto isso, à sobrepressão na válvula martelo (2), segue-se uma

depressão devido ao fluxo em sentido contrário ao que o fenômeno causou. A válvula, que

fechava a passagem no ponto superior do castelo (corpo 2), cai, obrigada pelo seu peso próprio e

pela pressão atmosférica, que venceu a depressão criada na sua face inferior. Com a queda da

válvula, a passagem livre para a adutora fica novamente aberta, e o ciclo recomeça, voltando a

haver fluxo direto na adutora.

2. Metodologia

A ilustração abaixo é um esboço das dimensões equipamento utilizado no experimento:

Figura 1 : Dimensões do carneiro hidráulico

Fonte: Autor

2.1 Procedimento

1) Verificar os componentes do experimento

2) Desapertar as porcas do passo

3) Realizar uma volta e meia no passo

4) Abrir as válvulas

5) Ligar a bomba

6) Acionar o cronometro

7) Medir a vazão

8) Repetir os passos anteriores na sequência, até a quantidade de dados

necessárias para validação do experimento.

2.2 Equipamentos

A figura 2 abaixo ilustra os equipamentos utilizados para realização do experimento.

Figura 2 : Esquema de instalação do carneiro hidráulico

Fonte: PUC Minas

LEGENDA DA FIGURA 2

1. Câmara.

2. Corpo da Válvula.

3. Tanque de captação (nível constante).

4. Linha adutora.

5. Linha de recalque.

6. Tanque superior.

7. Tanque para a medição da vazão recalcada.

8. Tanque para medição das perdas de vazão.

9. Tubo de plástico para medição da variação de nível do tanque 7.

10. Tubo de plástico para medição da variação de nível do tanque 8

2.3 Dados Obtidos

O tanque 7 coleta a vazão recalcada (q) pelo carneiro, enquanto o tanque 8

coleta a vazão perdida (q’). Sendo:

q = S7 x h7 / t (2) q’ = S8 x h8 / t (3) Q = q + q’ (4)

Onde:

S7 = área da base do tanque 7(S7 = 1.632 cm2); h7 = variação do nível do

tanque 7; S8 = área da base do tanque 7 (S8 = 3.706 cm2); H8 = variação do nível do

tanque 8; t = tempo de funcionamento.

Para o cálculo desses rendimentos considera-se:

ht = q x h / Q x H (5) e hv = q / Q (6)

Sendo:

ht = rendimento energético do carneiro; hv = rendimento volumétrico do

carneiro; q = vazão recalcada em l/min; Q = vazão aduzida para o carneiro em l/min;

h = altura de elevação da água ( h = 3,85 m); H = altura de queda disponível ( H =

1,85 m).

2.4 Fotos da bancada do laboratório

Fonte: Autor

3. Resultados

Os dados obtidos e calculados encontram-se na folha de teste em anexo no relatório.

3.1 Análise de Resultados

O aumento no curso da válvula ou o número de voltas é proporcional a vazão

perdida e vazão recalcada;

A vazão recalcada é sempre menor a vazão perdida;

Variando o curso da válvula consequentemente varia-se a vazão.

Num determinado intervalo de tempo a vazão permanece constante, caso manter-se

o curso da válvula no mesmo valor.

Na volta 1.5 do curso da válvula a diferença na vazão perdida e vazão recalcada é menor em

relação às voltas 2.0 e 3.0, ou seja em termos de perdas é melhor em relação as voltas

mencionadas, mas a vazão é a mais reduzida.

Na volta 2.0 do curso da válvula aumenta a vazão perdida e recalcada, mas não é a melhor

volta em rendimento volumétrico e total em relação às outras voltas.

Na volta 2.5 é obtido o melhor rendimento total e volumétrico em relação as voltas 1.5 ; 2.0 e

3.0, a menor diferença na vazão perdida e recalcada, sendo a volta que tende a encontrar um

equilíbrio em perdas e ganhos, sendo a volta ideal para manter o curso da válvula.

Na volta 3.0 aumenta a vazão perdida mas reduz a vazão recalcada, é provável que o

equipamento possui um erro de calibração , visto observa-se no experimento variação da vazão

sem alterar o curso da válvula

4. Conclusão

O rendimento do carneiro hidráulico é reduzido devido ao volume de água perdido ser

maior que o recalcado associadas ao seu funcionamento, a vantagem consiste na energia cinética

transformada em energia potencial sem utilizar energia elétrica ou energia química, deslocando

uma quantidade aceitável de água para uma residência rural. Não é aplicável para uma cidade ou

indústria, devido ao rendimento volumétrico e vazão reduzida. O custo benefício é aceitável em

localidades próximas de rios, família pequena, visto exigir pouco conhecimento científico,

materiais de baixo custo e disponível para aquisição.

REFERÊNCIA

BUONICONTRO, Célia Mara S. e CARVALHO, Djalma Francisco de. Manual de Laboratório

de Máquinas Hidráulicas . Fumarc: Belo horizonte, 1982.