Elevação De água Por Princípio De Golpe De Ariete (Bomba Carneiro)

Resumo

Nos dias atuais a necessidade de se obter novas fontes de energia é iminente. Este trabalho mostra o funcionamento de uma bomba d’agua carneiro, que utiliza princípios de golpe de Ariete. A bomba carneiro, também conhecida por bomba aríete e carneiro hidráulico, é uma bomba simples de ser construída e com a grande vantagem de não requerer nenhuma fonte de energia externa para funcionar. Apesar do rendimento do sistema ser considerado baixo, para regiões onde a energia é escassa e muitas vezes inexistente, este modelo de bomba pode ser um grande recurso.

Palavras chave: Água, Elevação, Bomba Carneiro

Introdução

A elevação de água e sua locomoção é praticada pela humanidade a milhares de anos. O sistema mais conhecido para desenvolver estas locomoções é o de bombas d’água. Bombas sempre foram utilizadas em muitos pontos na sociedade para uma grande variedade de propósitos. Há muito tempo, as aplicações incluíam o uso de cata-ventos ou rodas d'água no bombeio de água para o consumo humano, para a irrigação ou para o consumo animal. Uma bomba hidráulica é um dispositivo que adiciona energia aos líquidos, tomando energia mecânica de um eixo, de uma haste ou de um outro fluido.

O objetivo desse trabalho é mostrar o funcionamento de uma bomba d’agua carneiro, que utiliza princípios de golpe de Ariete, e estudar formas de melhorar o seu rendimento.

Nos dias atuais as bombas são utilizadas para diversas situações, como por exemplo, para irrigação, para abastecimento de água corrente, abastecimento de gasolina e outros combustíveis, sistemas de condicionamento de ar, refrigeração, etc. O intuito de apresentar a bomba carneiro é mostrar uma tipologia de bomba alternativa, que é capaz de fazer grandes deslocamento e ainda não utiliza energia elétrica, visto que tem-se buscado muitas opções de energia alternativa.

Revisão Bibliográfica

O carneiro hidráulico, também chamado bomba de aríete hidráulico, balão de ar, burrinho, etc., foi inventado em 1796 pelo cientista francês Jacques E. Montgolfier. Trata-se de um aparelho muito simples e de grande utilidade para o abastecimento de água nas fazendas, podendo ser definido como uma máquina de elevação de água com energia própria (Evangelista, 2005). Segundo Horne & Newman (2005), a bomba carneiro hidráulico apresenta, como vantagens, não necessitar de fontes externas de energia, tais como os combustíveis derivados de petróleo ou energia elétrica, a manutenção e a operação simples, não exigindo mão de obra qualificada.

O equipamento deve ser instalado 1 a 9 m abaixo do manancial (Carvalho, 1998); usualmente, a fonte de energia da bomba carneiro hidráulico é esta altura de queda d’água que, em geral, é produzida artificialmente por meio de pequena barragem. Durante o funcionamento a água que chega a bomba carneiro hidráulico sai por uma válvula externa até o momento em que atinge determinada velocidade, ocasionando um fechamento repentino e um aumento de pressão que possibilita a elevação da água, fenômeno conhecido como golpe de aríete (Azevedo Netto & Alvarez, 1988) o qual se repete continuamente em ciclos de 20 a 100 vezes por minuto, dependendo da vazão de alimentação (Jennings, 1996), possibilita assim o recalque da água de maneira intermitente.

O Golpe de aríete é um fenômeno comum em situações onde há escoamento transitório no interior de um conduto forçado, que é caracterizado pela dependência de suas variáveis (pressão e velocidade, ou carga e vazão) em relação ao tempo. Em hidráulica, um transitório hidráulico em conduto forçado caracteriza-se pela ocorrência de ondas de pressão que propagam-se ao longo da tubulação sempre que, por algum motivo, o escoamento sofre aceleração ou desaceleração. Tomando a segunda lei de Newton, é possível associar que uma variação da aceleração da massa de fluido provocará o surgimento de variação de pressão. As ondas de pressão então propagam ao longo da tubulação, sofrendo reflexões nas extremidades, sofrendo mudanças de amplitudes (de positivas para negativas), perdendo a intensidade na medida em que a energia é dissipada. Portanto, define-se como golpe de aríete a variação brusca de pressão, acima ou abaixo do valor normal de funcionamento, devido a mudanças bruscas da velocidade da água. As causas principais deste fenômeno são as manobras instantâneas das válvulas da bomba carneiro (Leigui,2011).

Segundo Azevedo Netto & Alvarez (1988), os aparelhos de fabricação brasileira são operados com vazões de 5 a 150 L min-1, elevando 0,17 a 1,67 L min-1. Para bombas carneiro hidráulicas de PVC, a alimentação pode chegar a 8,33 L min-1, conforme a altura de recalque (Barreto & Lima, 1997). CERPCH (2002) relata que, para bombas fabricadas com garrafa PET, a altura de elevação deve ser 2 a 8 vezes a altura de queda do manancial, de acordo com o diâmetro do tubo de entrada e de saída.

Quanto ao rendimento da bomba carneiro hidráulica e segundo Zárate Rojas (2002), o mesmo depende principalmente da relação da altura de queda do reservatório de alimentação até a bomba e altura de elevação do aparelho ao reservatório superior e, ainda, da perfeição com que é fabricado o aparelho. Azevedo Netto & Alvarez (1988) afirmam que o rendimento varia entre 20 e 70%. De acordo com CERPCH (2002), o rendimento do carneiro hidráulico fabricado com garrafa PET está entre 30 e 60%. Algumas análises que também podem ser realizadas para definição do rendimento, é o Cálculo da Taxa mássica presente neste sistema. Conforme equação 1 sendo:

Eq. 01 M=((A x V))/v

M – Taxa Mássica (Kg/s);

A – Área através da qual a massa escoa (m2);

v – Volume específico do fluido (m3/Kg);

V – Velocidade do escoamento (m/s).

Em grande parte, as garrafas de PET, retornáveis ou descartáveis, apresentam relativa resistência, haja vista que, usualmente, suportam pressões internas próximas a 200 kPa exercidas pelo refrigerante.

Figura 1 – Esquema e exemplo de instalação de um carneiro hidráulico (Setelombas - 2013).

A bomba carneiro hidráulica é constituído basicamente das seguintes partes: Um tubo de alimentação (1), uma válvula de impulso (2), uma válvula de recalque (3), uma câmara de ar (4) e um tubo de recalque (5), conforme apresentado na Figura 1 (Setelombas).

Ao ser instalada a bomba tem a válvula de impulso fechada pela ação da pressão da água do tubo de alimentação, para iniciar a operação basta abrir, com a mão a válvula de impulso. O funcionamento da bomba é automático. Para paralisar o sistema, basta manter a válvula de impulso fechada (Setelombas).

A escolha do tamanho da bomba carneiro está relacionada com a queda (h) e quantidade de água (Q) disponíveis. A quantidade de água aproveitada, (q), é função do tamanho do carneiro e da relação entre a queda disponível e a altura de recalque (Setelombas).

Inicialmente esta mesma pressão força a abertura da válvula de recalque, que permite a entrada da água na câmara de ar. Desta forma o ar contido neste local é comprimido até que as pressões se equalizem. Nesta situação o carneiro hidráulico está pronto para funcionar (Setelombas).

Para colocá-lo em funcionamento, basta acionar a válvula de impulso, que quando aberta permite que a água comesse a sair em pequenos esguichos até que, com o aumento da velocidade da água, ocorre o seu fechamento. A água que tinha uma velocidade crescente sofre uma interrupção brusca, causando um surto de pressão ou “Golpe de Aríete”, que irá percorrer o carneiro e todo o tubo de alimentação. Este surto de pressão provoca a abertura da válvula de recalque, que por sua vez, permite a entrada da água na câmara de ar. A medida que o ar contido no interior da câmara é comprimido, uma resistência à entrada da água vai aumentando, até que a pressão no interior fique maior e provoque o fechamento da válvula de recalque. A água contida no interior da câmara, impedida de retornar ao corpo do carneiro, só tem como saída o tubo de recalque. Em momento posterior ocorre a formação de uma onda de pressão negativa que provoca a abertura da válvula de impulso, dando condições para a ocorrência de um novo ciclo. Com o desenrolar dos ciclos sucessivos, a água começa encher o tubo de recalque e sua elevação ocorre a medida que o ar da câmara fica comprimido (Setelombas).

A vazão de Recalque por ser determinada pelo produto da vazão de alimentação disponível (Q) e o aproveitamento (R) multiplicados pela razão entre a queda disponível (h) pela altura que a água deverá ser elevada conforme equação 2 (Setelombas).

Eq. 02 q=Q .(h¦H) .R

Q – Vazão de alimentação disponível (L/min.)

h – Altura da queda d’água disponível (m)

H – Altura que a água deverá ser elevada (m)

R – Aproveitamento

Materiais e Métodos

Para o desenvolvimento teórico do projeto aplicados foram feitas pesquisas em literaturas publicadas no meio científico. A partir dos referenciais foi desenvolvido o produto.

A bomba carneiro desenvolvida é constituída de: Um tubo de alimentação (1), uma válvula de impulso (2), uma válvula de recalque (3), uma câmara de ar (4) e um tubo de recalque (5), conforme apresentado na Figura 2 do protótipo.

Para determinar a vazão da bomba além do método experimental, pode-se projetar utilizando a equação 2 já observada anteriormente, e desenvolver o produto conforme os parâmetros determinados.

Para realizar as devidas medições foi utilizado um cronômetro, para determinar o tempo de coleta; uma trena, para determinar as alturas, conforme os embasamentos das literaturas estudados; um reservatório auxiliar para mensurar o volume de coleta e a partir daí determinar o rendimento do sistema.

Figura 2 – Protótipo Bomba Carneiro e componentes.

Tabela 1 – Especificação dos Componentes da Bomba Carneiro.

Resultados Experimentais

Devido ao sistema ser um protótipo e a fonte de água para o mesmo não ser um manancial, onde é possível manter os níveis, para a coleta dos dados foi necessário utilizar um tanque de 45 litros que durante a medição perdeu volume, consequentemente pressão. Para o sistema em questão foram feitas medições experimentais e apresentadas na tabela 2 abaixo:

Tabela 2 – Medições do sistema (protótipo)

O sistema ideal é aquele que é projetado para atingir os objetivos traçados no projeto.

Conforme as bibliografias estudas o rendimento da bomba está diretamente ligado à altura do reservatório em relação a bomba e a altura de recalque, portanto para elevar o fluido a maiores alturas consequentemente o rendimento do sistema será menor.

Para as análises acima foi utilizado um sistema pré-existente, o qual foi experimentado e avaliado conforme tabela 2 acima. Para este foi feito um projeto de melhoria, objetivando um sistema ideal o qual pode ser apresentado na tabela 3 abaixo.

Tabela 3 – Apresentação do sistema melhorado.

Conclusão

Para vazões com rendimentos melhores do que os apresentados pela bomba carneiro hidráulica, métodos que utilizam o auxílio de motores elétricos são utilizados. Entretanto levando em consideração que com o uso da bomba carneiro é possível economizar energia elétrica, e ainda sabendo que em algumas regiões está mesma energia é escassa, este sistema pode ser perfeitamente aplicado em lugares onde existem represamento de água, onde melhores rendimentos podem ser obtidos e a o volume de água perdido pode ser despendido no manancial.

Para o caso estudado pode-se concluir que para a melhoria de rendimento do sistema, conforme objetivado, fez-se necessário a diminuição do comprimento das mangueiras utilizadas inicialmente; o aumento da altura do tanque para 1 metro, deixando o sistema conforme as literaturas estudadas e conseguindo obter um rendimento coerente com estas.

Referência Bibliográfica

ZANINI, José Renato; BEDUSCHI, Luiz Carlos. Elevação de água por aríete hidráulico e bomba de pistão acionada por roda d’água. Jaboticabal, São Paulo: 1ª edição. Funep, 1991.

Disponível em: <http://www.setelombas.com.br/download/bomba-carneiro.pdf> acesso em 10 de outubro de 2013.

Azevedo Netto, J. M; Alvarez, G. A. Manual de Hidráulica. 2.ed. São Paulo: Edgar Blucher, 1988. v.1 p.1724.

Carvalho, J. A. Aproveitamento de energia hidráulica para acionamento de roda d’água e carneiro hidráulico. Lavras: UFLA/ FAEPE, 1998. 98p.

ABATE CAROLINE, ATC - Carneiro hidráulico com tubulação de alimentação em aço galvanizado e em pvc: USP/ESALQ.

AZEVEDO NETTO, J.M. de Golpe de Ariete. In: ZAMBEL, A.R. Manual de aparelhos de bombeamento de água. São Carlos: USP/EESC, 1969. cap.10, p.183-209.

CORVALÁN, A.; GÁLVEZ. R. Bomba de ariete hidráulico. http:/ /www.cipres.cec.uchile.cl/~rgalvez/bomba.htm. (29 Mar. 2000).

DAKER, A. A água na agricultura: captação, elevação e melhoramento da água. 3.ed. Rio de Janeiro: Freitas Bastos.