2.4 Soleira controlada por comporta
3.1.2 Determina¸c˜ao da vaz˜ao
Para determinar a vaz˜ao no canal laboratorial foram utilizados um descarregador tri- angular e um caudal´ımetro ultrass´onico. No caso do descarregador triangular, o caudal foi determinado usando a medi¸c˜ao da altura da lˆamina l´ıquida a montante do descar- regador triangular, localizado no canal de retorno, realizada com um hidr´ometro de ponta direita. A montante do descarregador, foi colocado um dissipador de energia. Este m´etodo de determina¸c˜ao da vaz˜ao foi utilizado para caudais inferiores a 10 l s−1.
Para valores superiores da vaz˜ao, recorreu-se a um caudal´ımetro ultrass´onico.
Passa-se de seguida a descrever com mais detalhe os m´etodos utilizados na determina¸c˜ao da vaz˜ao.
Descarregador triangular
Para calcular o caudal foi utilizado um descarregador triangular com um ˆangulo de 900,
constru´ıdo em chapa de acr´ılico transparente com 5 mm de espessura (Figura 3.1.2). Foi instalado no canal de retorno e, sobre ele, foram instaladas duas guias devidamente niveladas que serviram de apoio ao hidr´ometro. A chapa de acr´ılico onde foi rasgado o
descarregador tem de dimens˜oes 0, 60 m × 0, 30 m, que corresponde `a sec¸c˜ao do canal de retorno. O v´ertice do entalhe est´a localizado a 0, 126 m do rasto do canal.
Figura 3.1.2 – Descarregador triangular de 900 em acr´ılico
Um descarregador triangular ´e caracterizado por ser um descarregador de parede del- gada, localizado perpendicularmente aos lados e fundo do canal, formando um entalhe em forma de V. A bissetriz do ˆangulo do entalhe deve ser vertical e centrada no ca- nal. O descarregador triangular ´e um dos dispositivos de medi¸c˜ao mais precisos, apto para uma ampla gama de caudais (Bos, 1989). Na Figura 3.1.3, ´e apresentada uma representa¸c˜ao esquem´atica do descarregador constru´ıdo.
Os regimes de escoamento dos descarregadores de soleira delgada podem ser:
- com contra¸c˜ao lateral completa - quando tem um canal de aproxima¸c˜ao cujo fundo e paredes laterais se encontram suficientemente afastadas dos bordos do descar- regador, permitindo que uma parcela significativa da velocidade de aproxima¸c˜ao seja paralela `a face do descarregador.
- com contra¸c˜ao lateral parcial - quando a contra¸c˜ao n˜ao se encontra completamente desenvolvida devido `a proximidade do fundo e das paredes laterais.
Os descarregadores triangulares podem ser classificados recorrendo aos parˆametros h1/p1, h1/B1, h1, p1 e B1 (Figura 3.1.3).
Na Tabela 3.1.1, pode constatar-se que, numa perspetiva hidr´aulica, um descarregador apresenta contra¸c˜ao lateral completa para pequenas cargas. Com o aumento de h1, a
contra¸c˜ao torna-se parcial.
Tabela 3.1.1 – Classifica¸c˜ao e limites de aplica¸c˜ao dos descarregadores trian- gulares (Bos, 1989)
Contra¸c˜ao lateral parcial Contra¸c˜ao lateral completa h1/P1 ≤ 1, 2 h1/p1 ≤ 0, 4
h1/B1 ≤ 0, 4 h1/B1 ≤ 0, 2
0, 05 m < h1 ≤ 0, 6 m 0, 05 m < h1 ≤ 0, 38 m
p1 ≥ 0, 1 m p1 ≥ 0, 45 m
B1 ≥ 0, 6 m B1 ≥ 0, 90 m
A instala¸c˜ao de um descarregador com contra¸c˜ao lateral parcial deve ser realizada num canal de aproxima¸c˜ao retangular. Bos (1989) refere que, devido `a falta de dados expe- rimentais que correlacionem coeficientes de vaz˜ao com a ampla gama de rela¸c˜oes h1/p1
e p1/B1, s´o devem ser considerados os descarregadores triangulares com um ˆangulo de
900 quando a contra¸c˜ao lateral ´e parcial. Os descarregadores com contra¸c˜ao lateral
completa podem ser instalados em canais de aproxima¸c˜ao cuja sec¸c˜ao n˜ao seja retangu- lar, desde que se verifiquem os limites descritos na Tabela 3.1.1 para a sec¸c˜ao do canal retangular.
A lei de vaz˜ao de um descarregador triangular vem dada por (Bos, 1989) Q = CV 8 15 p 2g tanθ 2 h1 2,5 (3.1.1)
A aplica¸c˜ao desta equa¸c˜ao a descarregadores com contra¸c˜ao lateral parcial ou completa foi proposta por Kindsvater-Shen (cit. por GT9, 2006), vindo
Q = CV 8 15 p 2g tanθ 2 he 2,5 (3.1.2)
em que θ representa o ˆangulo do descarregador triangular e he´e a altura de ´agua efetiva
igual a h1+ Kh. A quantidade Kh representa os efeitos combinados das propriedades
do fluido. Empiricamente, foram definidos os valores de Kh em fun¸c˜ao de θ que se
apresentam na Figura 3.1.4.
Figura 3.1.4 – Valores de Kh em fun¸c˜ao do ˆangulo do descarregador (Bos, 1989)
Para uma temperatura normal da ´agua, entre 50C e 300C, o C
V para um descarregador
triangular ´e uma fun¸c˜ao de trˆes vari´aveis: CV = f h1 p1 , p1 B1 , θ (3.1.3) Se as rela¸c˜oes h1/p1 ≤ 0, 4 e h1/B1 ≤ 0, 2, o descarregador tem contra¸c˜ao lateral
completa e CV passa a ser uma fun¸c˜ao que s´o depende de θ e que se apresenta na
Figura 3.1.5.
Figura 3.1.5 – Coeficiente de vaz˜ao CV em fun¸c˜ao do ˆangulo para descarre- gador com contra¸c˜ao completa (Bos, 1989)
partir da Figura 3.1.6, quando θ ´e de 900.
Figura 3.1.6 – CV em fun¸c˜ao h/p e p/B para um descarregador triangular com um ˆangulo de 900 (Bos, 1989)
Bos (1989) descreve os limites de aplica¸c˜ao para descarregadores triangulares que de- ver˜ao respeitar os seguintes indicadores:
- a rela¸c˜ao h1/p1 deve ser menor ou igual a 1, 2;
- a rela¸c˜ao h1/B1 deve ser menor ou igual a 0, 4;
- a altura da veia l´ıquida referida ao v´ertice do descarregador (h1) deve estar com-
preendida entre 0, 05 m e 0, 60 m;
- a distˆancia do fundo ao v´ertice do descarregador (p1) n˜ao deve ser inferior a 0, 10m;
- a largura do canal de aproxima¸c˜ao deve ser superior a 0, 60 m;
- o ˆangulo do entalhe do descarregador para contra¸c˜ao lateral completa pode es- tar compreendida entre 250 e 1000. Para contra¸c˜ao lateral parcial, s´o deve ser
considerado o descarregador de 900;
- a altura de ´agua a jusante deve encontrar-se abaixo do v´ertice do descarregador. O descarregador constru´ıdo est´a limitado a uma carga m´axima h1 ≈ 0, 17 m devido a
limita¸c˜oes de altura do canal de retorno. Atendendo a esta restri¸c˜ao, os limites descritos anteriormente, i.e., as rela¸c˜oes h1/p1 ≤ 1, 2 e h1/B1 ≤ 0, 4 s˜ao sempre verificadas, assim
como os restantes indicadores. Caudal´ımetro ultrass´onico
Um caudal´ımetro ultrass´onico em condutas sob press˜ao funciona devido `a emiss˜ao de ondas ultrass´onicas que se propagam atrav´es do l´ıquido e da sua rece¸c˜ao, depois de terem sofrido a influˆencia do escoamento. Utiliza o resultado dessa influˆencia para determinar o caudal. Este tipo de caudal´ımetro ´e normalmente composto por: um par
de transdutores ultrass´onicos; uma conduta de instala¸c˜ao sobre qual s˜ao instalados os transdutores; um condicionador de sinal, que permite excitar o elemento piezoel´etrico do transdutor emissor e que realiza o processamento digital dos sinais ultrass´onicos recebidos, convertendo-os em caudal (GT9, 2006).
O caudal´ımetro ultrass´onico utilizado foi o modelo TDS-100M da Dalian Hipeak Ins- truments Development Co., Ltd. ´E um caudal´ımetro de tempo de trˆansito1 e de trans-
miss˜ao por reflex˜ao. ´E um m´odulo compacto de alto desempenho de uso geral, cons- titu´ıdo pelo condicionador de sinal (Figura 3.1.7) e pelos transdutores ultrass´onicos (Figura 3.1.8). A sua instala¸c˜ao pode ser realizada sem interrup¸c˜ao do abastecimento, sem perdas de carga e sem perturba¸c˜oes do escoamento. Atrav´es do teclado e do LCD inclu´ıdos no condicionador de sinal, pode ser operado de forma aut´onoma (TDS-100M, 2012).
Figura 3.1.7 – Caudal´ımetro ultrass´onico TDS-100M: condicionador de sinal equipado com teclado e LCD
Permite a determina¸c˜ao do caudal para diferentes tipos de l´ıquido, i.e., ´agua doce, ´agua salgada, ´agua residual e pode ser utilizado em diversos tipos de tubagem, i.e., PVC, bet˜ao, ferro d´uctil, ferro fundido, vidro. Apresenta como caracter´ısticas uma precis˜ao de 1% para velocidades V > 0, 2 m s−1 e uma repetibilidade de 0,2%, assim como a
possibilidade de liga¸c˜ao a porta s´erie do tipo RS232 e RS485 e sa´ıda anal´ogica 4-20mA. O condicionador de sinal permite configurar as seguintes caracter´ısticas da conduta: diˆametro exterior, espessura da parede, tipo de material. Tamb´em permite definir o tipo de fluido e o tipo de transdutor utilizado. Ap´os realizar a configura¸c˜ao, obt´em-se a distˆancia de instala¸c˜ao dos transdutores.
O TDS-100M pode ser equipado com diferentes tipos de transdutores, os que s˜ao mon- 1O intervalo de tempo desde o instante que o sinal ´e transmitido at´e ao instante em que o sinal ´e
Figura 3.1.8 – Caudal´ımetro ultrass´onico TDS-100M: transdutores ul- trass´onicos instalados
tados num tubo de medi¸c˜ao (em contacto com o l´ıquido) ou os que s˜ao instalados sobre conduta. Foram utilizados transdutores sobre a conduta, de trajeto ´unico, denominados de Standard M1. Estes transdutores podem ser aplicados a condutas com diˆametros compreendidos entre DN50 a DN700 (TDS-100M, 2012).
Este equipamento permite dois tipos de instala¸c˜ao, por transmiss˜ao direta e transmiss˜ao por reflex˜ao (Figura 3.1.9). A instala¸c˜ao transmiss˜ao por reflex˜ao ´e recomendada pelo fabricante quando os diˆametros de tubagem est˜ao compreendidos entre DN15 e DN200. Quando este m´etodo n˜ao permite a medi¸c˜ao do sinal de forma adequada, pode usar-se em alternativa o m´etodo da transmiss˜ao direta, que normalmente ´e mais adequado para diˆametros superiores a DN200 (TDS-100M, 2012).
Os transdutores foram instalados na conduta de adu¸c˜ao em PVC do canal laboratorial, cujo diˆametro ´e DN110. A sua aplica¸c˜ao foi realizada com recurso a abra¸cadeiras que fixam os transdutores `a conduta. A sua configura¸c˜ao foi de transmiss˜ao por reflex˜ao, de acordo com o esquema da Figura 3.1.9. Entre as faces da conduta e dos transdutores foi colocado um gel de montagem para garantir um bom acoplamento ac´ustico.
Os dois transdutores foram instalados do mesmo lado sobre a conduta, o que possibilita a duplica¸c˜ao do comprimento de interroga¸c˜ao e, consequentemente, a redu¸c˜ao da incerteza de medi¸c˜ao relativamente `a instala¸c˜ao por transmiss˜ao direta.
3.1.3
Comporta plana vertical
No canal laboratorial instalou-se uma comporta plana vertical (Figura 3.1.10) com lˆamina fina em a¸co inoxid´avel e aresta cortada em bisel. A altura de abertura da comporta pode ser regulada por um man´ıpulo. A comporta foi posicionada a 3 m do
Figura 3.1.9 – Caudal´ımetro ultrass´onico TDS-100M: posicionamento dos transdutores
inicio do canal.
Figura 3.1.10 – Comporta plana vertical