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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
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.