1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS DEPARTAMENTO DE HIDRÁULICA E SANEAMENTO
Projeto, instalação, e análise crítica de uma bomba carneiro em pequena propriedade no município de Batatais/SP
TRABALHO DE GRADUAÇÃO
Leo Yutaka Marra Niizu nº USP: 8552122 Matheus Simitan Barros nº USP: 9807531
São Carlos 2020
2 LEO YUTAKA MARRA NIIZU
MATHEUS SIMITAN BARROS
Projeto, instalação, e análise crítica de uma bomba carneiro em pequena propriedade no município de Batatais/SP
Trabalho apresentado à Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Ambiental Área de concentração:
Hidráulica
Orientadora: Profa. Dra. Maria Mercedes Gamboa Medina
São Carlos 2020
3
4
5 SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 9
2. OBJETIVOS ... 11
2.1. OBJETIVO GERAL ... 11
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 11
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 11
3.1. BOMBAS CONVENCIONAIS ... 11
3.2. GOLPE DE ARÍETE ... 13
3.3. PERDA DE CARGA ... 15
3.4. CARNEIRO HIDRÁULICO ... 18
3.4.1. CARACTERIZAÇÃO FÍSICA... 21
3.4.2. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ... 23
3.4.3. RENDIMENTO TEÓRICO ... 24
3.4.4. RECOMENDAÇÕES CONSTRUTIVAS E DE OPERAÇÃO ... 27
3.4.5. VANTAGENS E DESVANTAGENS DE UM CARNEIRO HIDRÁULICO ... 28
4. METODOLOGIA ... 29
4.1. CARACTERIZAÇÃO DO LOCAL ... 29
4.2. CÁLCULO DA VAZÃO DO RIO ... 34
4.3. DESNÍVEL GEOMÉTRICO E COMPRIMENTO DAS TUBULAÇÕES... 36
4.4. MONTAGEM DO CARNEIRO HIDRÁULICO... 39
4.4.1. MATERIAL NECESSÁRIO PARA ELABORAÇÃO DA BOMBA ... 39
6 4.4.2. MATERIAL NECESSÁRIO PARA ADAPTAÇÃO DA VÁLVULA DE PÉ COM CRIVO: 45
4.4.3. METODOLOGIA CONSTRUTIVA DA VÁLVULA DE SAÍDA (VÁLVULA PÉ
COM CRIVO ADAPTADA) ... 45
4.5. PRESSÃO NO SISTEMA ... 47
4.6. VAZÃO DE RECALQUE ... 48
4.7. DEFINIÇÃO DO PONTO ÓTIMO DE OPERAÇÃO ... 48
4.8. ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA DO SISTEMA ... 49
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 51
5.1. VAZÃO DO RIO ... 51
5.2. CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA ... 54
5.2.1. PRIMEIRO CENÁRIO ... 55
5.2.2. SEGUNDO CENÁRIO ... 56
5.3. VAZÕES ... 58
5.3.1. PRIMEIRO CENÁRIO ... 58
5.3.2. SEGUNDO CENÁRIO ... 59
5.3.3. DETERMINAÇÃO DO PONTO ÓTIMO DE OPERAÇÃO ... 61
5.4. ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA ... 62
6. CONCLUSÕES ... 67
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 69
7 RESUMO
NIIZU, L. Y. M.; BARROS, M. S. Projeto, instalação, e análise crítica de uma bomba carneiro em pequena propriedade no município de Batatais/SP. São Carlos, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 2020. 70p.
O carneiro hidráulico é uma bomba d’água que funciona sem a utilização de energia elétrica ou combustíveis fósseis para elevar volumes de água de forma constante, desde que algumas condições de operação sejam adequadas, como a existência de volume e desnível suficiente para o adequado funcionamento da bomba. Para a realização do trabalho os autores realizaram a medição da vazão do rio, desnível geométrico do rio e do sistema de recalque, elaboração da bomba carneiro hidráulico com materiais acessíveis, vazões recalcadas em dois cenários diferentes e por fim, uma análise econômica sobre a viabilidade de instalação deste sistema em comparação com um sistema de bombeamento elétrico com bomba centrífuga. Ao fim do trabalho pôde-se analisar de forma crítica a instalação de um carneiro hidráulico, que se apresenta como uma forma de bombeamento extremamente vantajosa para locais providos de bom volume de água e desníveis acima de 1 metro, pois possui custo de implantação reduzido, nenhum custo de operação e por não utilizar fontes externas de energia, possui impacto ambiental reduzido. Assim sendo, a alternativa apresentada demonstra grande potencial de aplicação em propriedades com condições favoráveis, mesmo em situações onde recursos financeiros são escassos.
ABSTRACT
NIIZU, L. Y. M.; BARROS, M. S. Project, installation and critical analysis of a ram pump in a small property in Batatais/SP. São Carlos, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 2020. 70p.
The ram pump is a water pump that works without utilizing electric energy or fossil fuels to elevate water constantly, as long as some operational conditions are favorable, for example the availability of enough water volume and height difference between the entrance and pump body.
8 To execute the present study, the authors measured the river flow rate, geometric heights of the river, pump and pressurized line, pumped flow in two scenarios, building of the pump with easily accessible materials and an economic evaluation to measure the time until the return of investment in case of substituting a conventional centrifugal electric pump. The forementioned steps allowed the authors to perform a critical analysis, evaluating the ram pump system as an extremely advantageous way of pumping water in environments that have plentiful of water and height differences above 1 meter due to its reduced installation costs, no operational costs and total avoidance of external energy inputs (other than the water itself), consequently making its environmental footprint minimal. Therefore, the presented alternative shows great potential of application in properties that present favorable conditions, even in low budget situations, due to its relative low cost compared to other forms of pumping water.
9 1. INTRODUÇÃO
A água é essencial para a manutenção da vida humana, tanto para consumo quanto para realizar grande parte de nossas atividades cotidianas, funcionamento de indústrias e produção de alimentos para os seres vivos do planeta. Tal recurso natural recebe diversas classificações de acordo com a função que ela pode ser realizada com essa água, sendo que os usos menos nobres vão de harmonia paisagística e navegação, passando por irrigação de plantas e em suas melhores classes, para dessedentação humana após devido tratamento (CONAMA). Baseado em tais classificações, podem ser dados usos diferentes para os recursos hídricos e otimizar a forma que realizam-se diversas atividades, destinando a classe correta para as utilizações previstas na Resolução CONAMA 357/2005.
Dentre as atividades antrópicas, a agropecuária é a que mais utiliza a água doce disponível, sendo responsável por cerca de 70% de todo o volume captado no Brasil (ANA, 2012). Assim sendo, é essencial buscar observar de forma crítica a maneira com que esse recurso é utilizado em propriedades rurais, especialmente em propriedades de grandes extensões territoriais que servem ao princípio do extrativismo e acumulação capitalista dos recursos sociais e ambientais originalmente disponíveis para as populações tradicionais, que são caracterizadas pelos latifúndios.
(SILVEIRA, 2019). Uma grande propriedade rural é caracterizada como “o imóvel rural de área superior a 15 (quinze) módulos fiscais.” (INCRA, 2020), tendo como unidade de medida os módulos fiscais que variam de acordo com cada município, assim como definido na Lei 8.629, de 25 de fevereiro de 1993.
Desta forma, com o presente trabalho, pretende-se utilizar da pesquisa em favor de pequenas propriedades e pequenos proprietários, ao buscar alternativas que permitam uma aproximação à alguns dos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) estabelecidos pela Organização das Nações Unidas (ONU), como os objetivos 1, 2, 6, 8, 9, 10, 11, 12 e 13. Vale lembrar que o Brasil firmou compromisso com os ODS pelo Decreto número 8.892/2016, com a criação da Comissão Nacional para os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável. (EMBRAPA, 2020). A Comissão Nacional foi extinta por meio do Decreto Nº 10.179, de 18 de dezembro de 2019, juntamente com diversas outras comissões e grupos de estudo de diversas áreas de pesquisa
10 e desenvolvimento nacional, principalmente voltados para a preservação e exploração consciente dos recursos naturais. (BRASIL, 2019)
A agricultura que, assim como antes comentado, é responsável por aproximadamente 70%
do volume de água doce captado, utiliza, em sua maioria, bombas elétricas para captar, mover e pressurizar a água para as finalidades de produção. Essas bombas são custosas para serem adquiridas e requerem uma fonte de energia elétrica para funcionarem, trazendo assim um grande dispêndio financeiro de custo fixo inicial e um custo variável de acordo com a quantidade de água a ser bombeada.
A energia elétrica produzida no país é predominantemente proveniente de fontes consideradas renováveis, sendo responsável por 83% da matriz energética do país, de acordo com o Secretário de Planejamento e Desenvolvimento Energético do Ministério de Minas e Energia, Reive Barros. (BRASIL, 2020). No entanto, vale lembrar que a energia hidrelétrica é responsável por 63,8% da matriz energética nacional, que sofre alterações em sua capacidade de produção de acordo com os níveis de seus reservatórios e consequentemente, necessitando ser suprida por fontes não-renováveis, como a termelétrica.
Desta forma, a busca por soluções de baixo custo é essencial para a melhoria na qualidade de vida das populações mais carentes, reduzindo custos de implementação e de operação, para que as tecnologias sejam acessíveis ao maior número de cidadãos possível, a fim de aumentar a relevância e o impacto do trabalho para a sociedade.
Com as considerações levantadas acima, buscou-se alguma tecnologia que possa trazer impacto social, econômico e ambiental caso exista mais conhecimento sobre o assunto e maior volume de aplicações da mesma no contexto rural brasileiro. A tecnologia escolhida é o carneiro hidráulico, uma bomba d’água que utiliza apenas a energia potencial gravitacional e parte do volume de água para elevar líquidos à uma cota superior à cota de captação da mesma.
11 2. OBJETIVOS
2.1. OBJETIVO GERAL
Utilizar conhecimentos de hidráulica e gestão ambiental integrada adquiridos no curso de Engenharia Ambiental para o projeto e instalação de um carneiro hidráulico de baixo custo em uma pequena propriedade rural.
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Revisar conceito a respeito do bombeamento de água;
- Construir e operar uma bomba Carneiro Hidráulico real;
- Medir a capacidade de bombeamento do sistema;
- Analisar a viabilidade econômica da instalação de um carneiro hidráulico.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. BOMBAS CONVENCIONAIS
Uma bomba hidráulica tem como objetivo principal a adição de energia à um escoamento.
Em condutos forçados, este aumento de energia se dá pelo aumento da carga de pressão do fluido.
Com isso, se faz possível o transporte deste fluído para pontos mais distantes e/ou em cota mais elevada.
12 As bombas comumente utilizadas funcionam acopladas à uma fonte de energia, que, na maioria dos casos, é um motor elétrico. Este motor transfere energia cinética para a bomba, onde a movimentação das peças irá possibilitar a transferência de tal energia para o fluido.
As principais características que devem ser avaliadas na escolha de uma bomba para ser utilizada em determinado projeto devem ser:
- Altura manométrica a ser vencida - Vazão
- Curva característica da bomba - Motor a ser utilizado
- Custo
A altura manométrica que uma bomba deve superar é o desnível geométrico entre a saída da bomba e o final da tubulação, somado à perda de carga (localizada e distribuída) que ocorre devido às forças de atrito relativas ao movimento da água (PORTO, 2006).
Uma das principais características dos sistemas de bombeamento convencionais é a necessidade de utilização de energia elétrica. A potência recebida pela bomba para determinada vazão e altura manométrica pode ser calculada utilizando a equação 1.
𝑃𝑜𝑡 = 9,8 . 𝑄 . 𝐻
𝜂 (Equação 1)
Sendo,
Pot, a potência, em kW;
Q, a vazão recalcada, em m³/s;
H, a altura manométrica, em m;
𝜂, o rendimento global da bomba.
13 Outro fenômeno importante que deve ser levado em consideração ao projetar um sistema de bombeamento que utiliza rotores é a cavitação. A cavitação é o fenômeno de formação e colapso de pequenas bolhas de ar diretamente a montante dos rotores, que, caso ocorra em determinada intensidade por um período de tempo, pode vir a trazer danos ao conjunto, como redução de eficiência, ruídos, vibrações e até mesmo a quebra do equipamento (PORTO, 2006). Este efeito deve ser previsto no projeto, visando criar condições onde a energia que o líquido possui a montante do rotor seja maior do que a Net Positive Suction Head (N.P.S.H.) requerida para o sistema.
3.2. GOLPE DE ARÍETE
De acordo com Azevedo Netto & Alvarez (1988), o golpe de aríete é produzido pelo choque violento que é produzido sobre as paredes de uma tubulação quando o movimento de um líquido é modificado bruscamente. Porto (2006) define o golpe de aríete como a variação de pressão que ocorre em uma tubulação como consequência de mudança na velocidade média, gerada a partir de uma manobra relativamente brusca dos registros.
Quando uma válvula é fechada bruscamente em um conduto onde está ocorrendo um escoamento, a vazão que passa pela válvula é impedida, ocasionando o aumento da carga a montante da válvula, pois a água é um fluido muito pouco compressível, porém, durante um golpe de aríete, onde a pressão é elevada, ocorre uma pequena deformação do fluido. A energia do golpe de aríete é distribuída de algumas formas, seja pela propagação de uma onda de alta pressão; na compressão do fluido; pela expansão da tubulação, no caso de tubulações de flexíveis; na abertura de alguma outra válvula, como é o caso de uma bomba carneiro hidráulico.
Quando ocorre o golpe de aríete, existe a formação de uma onda de pressão, conforme citado no tópico 3.2.1. Segundo Denículi (1992), é possível calcular a celeridade de tal onda de pressão com a equação 2.
14
𝑐 = 9900
√(48,3 + 𝑘𝐷
𝑒 ) (Equação 2)
Sendo,
c, a celeridade, em m.s-1;
D, o diâmetro interno do tubo, em m;
e, a espessura do tubo, em m;
k, a constante que depende da natureza do tubo, sendo:
k = 0,5 para aço;
k = 1,0 para ferro fundido;
k = 4,4 para cimento amianto;
k = 5,0 para concreto e chumbo;
k = 18,0 para plástico e k = 10,0 para madeira.
De posse do valor da celeridade de propagação da onda de pressão é possível, segundo Verspuy (1993) citado por Rojas (2002), aplicar a equação da continuidade e equação do momento que são conhecidas como as equações de golpe de aríete, nas equações 3 e 4.
𝜕𝑉
𝜕𝑋+ 𝑔 𝑐²∗𝜕𝐻
𝜕𝑡 = 0 (Equação 3)
15
𝜕𝑉
𝜕𝑡 + 𝑔𝜕𝐻
𝜕𝑥∗𝜕𝐻
𝜕𝑡 = − 𝑓
2𝐷𝑉 [𝑉] (Equação 4)
Sendo:
V, a velocidade da água na tubulação de alimentação em m.s-1;
x, a distância ao longo da tubulação de alimentação, em m;
g, a aceleração da gravidade em, m.s-2;
H, a pressão no início, m;
t, o tempo, em segundos;
f, o fator de atrito de Darcy-Weisbach
c, a velocidade da onda de pressão (celeridade) em m.s-1.
3.3. PERDA DE CARGA
Tomando-se como base a equação 5, que define a energia de um fluido em um conduto forçado, em termos de carga, é possível dividir a energia (carga) total de um fluido em três componentes de carga: carga de pressão, carga de posição ou topográfica, e carga cinética (PORTO,2006).
𝐻 = 𝑝 𝛾+𝑉2
2𝑔+ 𝑧
(Equação 5)
Sendo,
H, a carga de energia total, em m;
𝑝
𝛾 , a carga de pressão, em m;
𝑉2
2𝑔, a carga de velocidade, em m;
Z, a Carga de posição, em m.
16 Levando em consideração a primeira lei da termodinâmica, a diferença entre a energia total entre duas seções será igual a perda de carga que ocorre neste trecho. A perda de carga ocasiona a redução da carga de pressão, e é apresentada na equação 6.
H1 = H2 + ΔH (Equação 6)
Sendo,
H1 = Carga de energia total na seção inicial, em m;
H2 = Carga de energia total na seção final, em m;
ΔH = Perda de carga naquele trecho, em m.
A perda de carga de um fluído em uma tubulação ocorre de duas formas. A primeira forma é pelo atrito do fluido com a parede interna da tubulação, tendo em vista que a parede da tubulação possui certa rugosidade, que irá ocasionar dificuldade de escoamento. A segunda forma de perda de carga é pelo atrito de escorregamento, que é causado pelo diferencial de velocidade, que cria tensões tangenciais, e portanto dissipa aquela energia pela geração de turbulência. (PORTO, 2006).
A energia que é perdida nesse processo é transformada principalmente em calor, e é calculada em função da vazão a ser transportada, do diâmetro e comprimento da tubulação, e de um coeficiente de rugosidade. Para esse cálculo existem várias fórmulas, como a de Darcy- Weisbach ou universal, e as fórmulas empíricas com a de Hazen-Williams. Uma diferença importante entre elas é o uso de um coeficiente de rugosidade variável em função do número de Reynolds e rugosidade absoluta no caso da fórmula universal, ou um valor constante tabelado para diversos materiais de tubulação e tempo de uso na de Hazen-Willians.
Para o cálculo da perda de carga em tubulação de polietileno de pequeno diâmetro, deve ser levada em consideração a dilatação da tubulação devido à pressão interna da mesma. A fim de
17 refinar o cálculo da perda de carga para tais tubulações, Cardoso, Frizzone, Resende (2008) desenvolveram fórmulas empíricas, baseadas em experimentos de laboratórios:
Diâmetro de 10,0 mm → 𝐽 = 1753568,6𝑄1,713; 𝑅2 = 0,9996 Diâmetro de 12,9 mm → 𝐽 = 485585,9𝑄1,709; 𝑅2 = 0,9995
Diâmetro de 16,1 mm → 𝐽 = 245980,7𝑄1,757; 𝑅2 = 1,000 Diâmetro de 17,4 mm → 𝐽 = 180808,3𝑄1,757; 𝑅2 = 1,000 Diâmetro de 19,7 mm → 𝐽 = 98023,0𝑄1,757; 𝑅2 = 0,9999
Cardoso, Frizzone, Resende (2008) observaram que os valores observados de perda de carga foram, em geral, menor do que aqueles calculados por equações como a de Darcy-Weisbach, com ƒ calculado pela equação de Blasius.
Com isso, é possível calcular a perda de carga da linha de recalque do sistema. Sendo assim, é possível calcular também a altura manométrica, que é a somatória da perda de carga do recalque com a altura geométrica a qual a água será recalcada. O cálculo da altura manométrica do sistema está apresentado na equação 7.
Hm = Hg + ΔH (Equação 7)
Sendo,
Hm, a altura manométrica do sistema, em m;
Hg, a altura geométrica, em m;
𝛥𝐻, a perda de carga, em m.
18 Vale ressaltar também que, por ser uma tubulação flexível, as equações de perda de carga se aplicam de forma diferente. Portanto, vamos supor que as diferenças não sejam significativas.
3.4. CARNEIRO HIDRÁULICO
A bomba carneiro hidráulico (CH) é uma máquina hidráulica cujo objetivo é utilizar o próprio momento do escoamento de um corpo hídrico para aumentar a carga de uma parcela da água utilizada no processo e elevar tal parcela à alturas superiores à captação. Diferentemente de máquinas hidrodinâmicas que utilizam momento recebido por rotores movimentados com motores elétricos ou à combustão, o CH utiliza a sobrepressão gerada pelo golpe de aríete, aproveitada com um sistema de abertura coordenada de válvulas.
Uma primeira iteração foi criada por John Whitehurst, em 1772, com o objetivo de prover uma cervejaria com água potável. No entanto, este modelo de carneiro hidráulico necessitava ter suas válvulas operadas manualmente. Tal modelo foi aperfeiçoado em 1796 pelos irmãos Montgolfier (DENÍCULI, 1992) e é utilizado para bombear água sem a utilização de energia elétrica, combustíveis fósseis ou trabalho humano e animal. Tal dispositivo conta somente com a energia potencial da água para seu funcionamento, além de possuir somente duas partes móveis, sendo assim simples, barato e livre de poluição. (YOUNG, 1995)
Segundo Zárate Rojas (2002), o desenho original proposto pelos irmãos Montgolfier representado pela figura 1, trabalha em um ciclo que envolve três momentos.
Num primeiro momento, que chamaremos de aceleração, a água que desce pela tubulação sai pela válvula de saída. que está aberta enquanto a velocidade da água é inferior à resistência de fechamento da válvula de saída. A válvula unidirecional, que controla o fluxo de água para a tubulação de recalque permanece fechada durante essa fase.
Em seguida ocorre o bombeamento, que se dá quando a válvula de saída fecha bruscamente, ocasionando um golpe de aríete que eleva a pressão dentro da bomba para valores
19 muito superiores à pressão manométrica do desnível. Tamanha pressão força uma pequena parte do volume d’água através da válvula unidirecional, pressurizando o ar presente na campânula.
Por fim, ocorre o recuo, caracterizado pelo momento em que a pressão dentro da bomba cai devido ao recuo da água pela tubulação em direção ao reservatório, após a onda de pressão. A válvula unidirecional se fecha, mantendo a campânula e tubulação de recalque pressurizadas e a válvula de saída se abre novamente, permitindo o fluxo de água e levando à fase de aceleração, reiniciando o ciclo.
Na figura 1, podemos observar os elementos envolvidos no ciclo, sendo a válvula de saída apontada como uma bola de ferro que bloqueava a vazão de água quando a velocidade do fluído era suficiente para empurrá-la em direção à saída do carneiro dos irmãos Montgolfier, bloqueando repentinamente a vazão de água.
20 Figura 1 - Bomba carneiro original dos Irmãos Montgolfier.
Fonte: adaptado de ROJAS, 2002.
De acordo com Calvert, citado por Young (1995), a tubulação de entrada não deve ter menos do que 5 metros de comprimento, a fim de evitar que o retorno da onda de choque na tubulação impeça o fechamento adequado da válvula de saída. Segundo Denículi, a altura de queda, ou desnível de entrada, deverá estar contido entre 1 e 9 m. Uma altura menor do que 1 metro irá criar um sistema ineficiente, enquanto que para alturas maiores do que 9 metros, o desgaste de todo o sistema será acelerado, devido às grandes cargas de energia, principalmente no momento do golpe de aríete.
O princípio de funcionamento do carneiro hidráulico está apresentado na figura 2.
21 Figura 2 - Princípio de funcionamento do carneiro hidráulico.
Fonte: GUO, 2018. (Adaptado)
3.4.1. CARACTERIZAÇÃO FÍSICA
Um carneiro hidráulico moderno não difere significativamente do modelo proposto por Whitehurst e melhorado pelos Irmãos Montgolfier. Contando ainda essencialmente com uma
22 válvula de saída (válvula de pé com crivo adaptada, esfera de aço, castelo e outras), uma válvula unidirecional e uma campânula, que serve como câmara de pressurização.
Pode ser afirmado que as principais evoluções são os materiais modernos utilizados para confecção das mesmas e os tipos e configurações das válvulas utilizadas. Originalmente as peças eram fabricadas exclusivamente em metal, material de resistência excepcional que, no entanto, pode ser suscetível à corrosão e possui alto custo de manufatura.
O desenvolvimento dos processos produtivos e de materiais mais modernos permite acesso facilitado a peças fabricadas em PVC, como tubulações, conexões e até algumas das válvulas, cujo custo é expressivamente reduzido quando comparado à peças de metal, .
Na figura 3 a seguir, retirada do manual do carneiro hidráulico Marumby, existe a relação de todas as peças presentes no mesmo.
Figura 3 - Peças constituintes de um carneiro hidráulico comercial.
Fonte: Manual Bomba Carneiro Marumby, 2020.
Este modelo de CH é fabricado inteiramente em metal, com exceção das vedações que são compostas de couro bovino, as peças 3 e 4 representam a válvula de saída e as peças 10 e 11, a
23 válvula unidirecional. É importante ressaltar que um modelo Nº3, que funciona com 7 a 15 litros de água por minuto pela entrada de 1” custa mais de R$ 1000,00 em cotação realizada no segundo semestre de 2020.
Uma alternativa com custo mais baixo vem se popularizando em especial no meio rural e de baixo poder aquisitivo, que é o carneiro hidráulico feito com peças de PVC. Essa é a configuração que será adotada para o presente trabalho, pois pode ser construída com materiais de fácil aquisição e custo baixo em lojas de construção pelo país.
3.4.2. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Segundo Verspuy et al.(1993) o carneiro hidráulico opera utilizando um fluxo de água em queda de um ponto mais alto a um ponto mais baixo através da tubulação de entrada e câmara da bomba. Tal fluxo é abruptamente interrompido com o fechamento da válvula de saída quando a água atinge uma determinada velocidade, fazendo com que a válvula de saída suba e feche a saída.
O interrompimento da vazão reduz a velocidade de movimento d’água na tubulação rapidamente, gerando um aumento de pressão que, como visto no tópico 3.2.1, é conhecido como golpe de aríete.
O aumento de pressão repentino causa a abertura da válvula unidirecional, permitindo a passagem de parte do volume do líquido pressurizado para a câmara de ar, que, quando tem sua pressão interna equalizada com a da tubulação, ocorre o fechamento da válvula unidirecional, o que causa um pequeno refluxo que aliado à exaustão do momento da água, reabre a válvula de saída, reiniciando o ciclo descrito. O ar pressurizado dentro da câmara procede, após o fechamento da válvula unidirecional, a impulsionar a água presente na tubulação em direção ao reservatório.
De acordo com Young (1995), o ciclo de funcionamento de um carneiro hidráulico automático possui três fases distintas:
● Aceleração: É o momento em que a água está saindo pela válvula de saída (válvula de pé com crivo adaptada), adquirindo velocidade e consequentemente, vazão, até
24 que a força da água supere as forças que mantém a válvula de saída aberta (tais forças podem ser provenientes de uma mola ou pesos que dificultem o fechamento da válvula);
● Bombeamento: Ocorre devido às ondas de pressão ocasionadas pelo fechamento repentino da válvula de saída. Tais ondas de pressão são caracterizadas como golpes de aríete, que circulam ao longo da tubulação em ambos os sentidos à velocidade do som. Quando a pressão na câmara de entrada supera a pressão da linha de recalque e campânula, um pequeno volume de água passa pela válvula unidirecional e não retorna à tubulação de entrada quando a pressão se estabiliza;
● Recuo: no recuo, o fluxo na tubulação entra momentaneamente em retrocesso após o fechamento da válvula unidirecional, devido à estabilização da pressão na câmara de ar e retorno da onda de pressão em direção ao reservatório. Tal refluxo permite a abertura automática da válvula de saída, reiniciando o ciclo de aceleração.
3.4.3. RENDIMENTO TEÓRICO
O rendimento teórico do carneiro hidráulico é a razão entre o volume recalcado e o volume total utilizado na operação da bomba carneiro. Um alto rendimento significa que uma grande porção da água que participa do processo de bombeamento está sendo elevada e, consequentemente, um baixo rendimento ocorre quando grande parte do volume de água que passa pelo sistema está sendo descartada pela válvula de saída.
Em levantamento realizado por Abate (2000), a autora cita três formas de calcular o rendimento teórico de um carneiro hidráulico: o rendimento volumétrico (equação 8), equação de Rankine (equação 9) e equação D’Aubuisson (equação 10).
25
𝑛 = 𝑞
(𝑄 + 𝑞) (Equação 8)
𝑛 =𝑞 (𝐻 − ℎ)
𝑄 ∗ ℎ ∗ 100
(Equação 9)
𝑛 = 𝑞 ∗ 𝐻
(𝑄 + 𝑞) ∗ ℎ∗ 100
(Equação 10)
Sendo,
𝑛, o rendimento, em %;
q, a vazão recalcada, m³.s-1;
Q, a vazão na válvula de saída, m³.s-1;
h, a altura de alimentação, m;
H, a altura de recalque, m.
Tais métodos diferem entre si, sendo o rendimento volumétrico a forma mais simples de cálculo, considerando apenas as vazões de saída e bombeada, enquanto Rankine e D’Aubuisson levam em conta os desníveis geométricos para calcular o rendimento do sistema.
Em uma bomba de aríete, podemos obter diversos valores de eficiência no bombeamento devido às diferenças construtivas, mas a literatura sugere valores entre 50% e 80% de rendimento.
Variações ocorrem de acordo com as diferenças de altura de captação e recalque, número de ciclos por minuto, material de construção da bomba e tubulação de entrada, entre outros. Para Kitani e Willardson (1984), é possível operar um carneiro hidráulico em pontos em que a eficiência
26 é menor, mas com maior vazão de entrega ou também em um ponto em que a pressão de recalque seja mais elevada, apesar de maior descarte na válvula de saída.
Variações ocorrem de acordo com as diferenças de altura de captação e recalque, número de ciclos por minuto, material de construção da bomba e tubulação de entrada, entre outros. Para Kitani e Willardson (1984), é possível operar um carneiro hidráulico em pontos em que a eficiência é menor (há maior vazão de água na válvula de escape) mas com maior vazão de entrega ou também em um ponto em que a pressão de recalque seja mais elevada, apesar de maior descarte na válvula de saída.
Young (1995) afirma ser possível operar um carneiro hidráulico com maior eficiência ao reduzir o tempo de abertura e velocidade de saída da água necessário para o fechamento da válvula de saída, assim reduzindo o volume descartado, mas reduzindo a força dos golpes de aríete e consequentemente, reduzindo a pressão de recalque e volume elevado. Tal forma de operação é mais vantajosa para aplicações onde o volume de água disponível é reduzido (numa estação seca do ano por exemplo).
A tabela 1 apresenta a proporção entre a altura de sucção e de recalque, e o rendimento do carneiro.
Tabela 1 – Relação entre a altura de alimentação e recalque e o rendimento do carneiro.
Proporção Rendimento
1/2 60
1/3 55
1/4 50
1/5 45
1/6 40
1/7 35
1/8 30
Fonte: Adaptado de Filho e Viana, 1996.
27 3.4.4. RECOMENDAÇÕES CONSTRUTIVAS E DE OPERAÇÃO
É essencial a disponibilidade de desnível adequado na propriedade para a boa operação do carneiro. Denículi (1992) afirma que a altura de queda deve possuir entre 1 a 9 metros, pois um desnível menor que 1 metro proporciona baixo rendimento de recalque e uma diferença maior que 9 metros ocasiona desgaste excessivo dos componentes móveis da bomba.
Quanto menor o módulo de elasticidade da tubulação de entrada e dos componentes do carneiro hidráulico, maior será a eficiência do mesmo. Em aplicações com grandes desníveis e volumes maiores de água a ser bombeada, recomenda-se utilizar peças e tubulações metálicas.
A tubulação de entrada não deve ter menos do que 5 metros de comprimento, tendo em vista que o retorno da onda de choque pela curta tubulação pode atrapalhar o funcionamento adequado do carneiro hidráulico, caso a onda alcance o reservatório e retorne até a válvula de saída antes que a mesma esteja completamente fechada. (Calvert, apud Young).
Para Calvert, o comprimento da tubulação de entrada afeta a eficiência de um CH, devendo ser entre 150 e 1000 vezes o diâmetro da tubulação de entrada. Já Kitani e Willardson afirmam que para o correto funcionamento, a tubulação deve ter entre 6 e 12 vezes a altura de alimentação (ou desnível geométrico de entrada).
É essencial que a tubulação de entrada esteja completamente preenchida por água, para garantir que a onda de choque do golpe de aríete seja integralmente transferida pela água, um fluido não comprimível, e não amortecida em bolhas de ar.
28 3.4.5. VANTAGENS E DESVANTAGENS DE UM CARNEIRO
HIDRÁULICO
É de suma importância que se leve em consideração a situação em que pretende-se aplicar um sistema de bombeamento baseado em um ou mais carneiros hidráulicos, especialmente a vazão e desnível disponíveis no terreno em questão.
A maior vantagem do CH em relação à vasta maioria de bombas disponíveis é o funcionamento da mesma sem motores elétricos ou à combustão, o que permite sua aplicação em locais que não recebem suprimento de energia, além de descartar completamente os custos de operação, pois a mesma funciona continuamente enquanto houver volume de água constante.
Além disso, por não apresentar motor, como os conjuntos moto-bomba tradicionais, o CH apresenta ruído reduzido quando operando. O ruído causado pela bomba carneiro é resultado do fechamento da válvula de saída e do golpe de aríete.
Uma das desvantagens da bomba carneiro hidráulico é que, devido à sua vazão reduzida, esta tem que operar por estendidos períodos de tempo a fim de se equiparar com bombas convencionais. Para tanto, a bomba pode ser mantida operando incessantemente, dependendo de qual for o uso e capacidade de reservação desta água.
Como citado no tópico 3.3.4, o rendimento pode variar entre 30% e 80%, significando que até 70% da água que entra no sistema é expelida pela válvula de saída durante a operação. Assim sendo, em locais onde a disponibilidade de água é limitada, deve ser estudado mais precisamente se a implementação de uma bomba carneiro hidráulico é realmente vantajosa.
29 4. METODOLOGIA
4.1. CARACTERIZAÇÃO DO LOCAL
O estudo está sendo realizado em um sítio no município de Batatais, localizado no interior do estado de São Paulo e pertencente à Região Metropolitana de Ribeirão Preto, noroeste da capital estadual. Localizado na latitude 20º53’28” sul, longitude 47º35’06” oeste, conforme apresentado na Figura 4. A altitude do local é de 862 metros acima do nível do mar. (PREFEITURA MUNICIPAL DE BATATAIS, 2020).
Figura 4 - Localização do município de Batatais no estado de São Paulo.
Fonte: IBGE, 2020.
O bioma predominante na região é o cerrado, com trechos de mata atlântica. De acordo com a classificação de köppen-geiger, o clima do município é considerado Cwa, correspondente a
30 subtropicais úmidos com inverno seco, sendo os principais meses de chuva entre novembro e março. (CALDAS, 2015).
O local de estudo se localiza exatamente nas coordenadas de latitude 20°55'06.5" sul e longitude 47°26'35.4" oeste. A propriedade tem área total de 10 ha, sendo considerado um minifúndio rural pois o módulo fiscal do município correspondente a 22 hectares. (INCRA, 2010).
Ao analisar a localidade com as imagens de satélite, pode-se identificar que a propriedade se encontra na bacia hidrográfica do Ribeirão da Paciência (compartimento 7), o qual deságua no Rio Sapucaí, conforme demonstrado na Figura 5. (MUNICÍPIO DE BATATAIS, 2012)
Figura 5 - Localização do sítio nos compartimentos hidrológicos de Batatais (SP).
Fonte: Município de Batatais, 2012.
31 A figura 6 apresenta a delimitação do sítio em estudo.
Figura 6 - Limites da propriedade em estudo.
Fonte: Google Earth, 2020.
A propriedade conta com duas pequenas casas, uma horta de cerca de 100 m², um pomar de 50 árvores, galinheiro, 1 ha de cafezal e um curral com cerca de 4 ha de pasto. O projeto visa oferecer água para os diversos usos não potáveis do sítio, primeiramente como irrigação da horta e pomar e com possibilidades de expandir a área irrigada para o cafezal e/ou pasto. A figura 7 apresenta o layout do sistema.
32 Figura 7 - Disposição do sistema do cenário 1 na propriedade
Fonte: Google Earth, 2020 (editado).
A linha vermelha representa o traçado aproximado da tubulação de entrada do sistema, a estrela amarela apresenta a posição da bomba carneiro hidráulico na propriedade, a linha azul representa a tubulação de recalque, a estrela verde a posição do reservatório, e as linhas laranjas representam os limites da propriedade.
33 Figura 8 - Disposição do sistema do cenário 2 na propriedade
Fonte: Google Earth, 2020 (editado).
Já na figura 8, podemos observar as mudanças feitas para o segundo cenário, onde a bomba carneiro é representada pela estrela amarela, a linha de tubulação rígida em vermelho, a linha de recalque em azul, reservatório de água elevado com a estrela verde, reservatório de estabilização na entrada da tubulação rígida marcado com a estrela branca e a tubulação de captação em roxo.
O detalhamento das diferenças entre os cenários será abordado no tópico 5.2.
34 4.2. CÁLCULO DA VAZÃO DO RIO
A medição da vazão do rio foi feita com o Método do Flutuador (PALHARES, 2007). Este método permite estimar a vazão do rio, sabendo-se as seguintes informações:
- Área de uma determinada seção - Velocidade média
- Comprimento entre dois pontos
- Caracterização do fundo do rio (Pedregoso ou lamacento)
O Cálculo da vazão de um determinado rio pode ser expresso pela equação 11:
𝑄 = 𝐴 𝑋 𝐿 𝑋 𝐶
𝑇 (Equação 11)
Sendo,
Q, a vazão, em m³/s
A, a área da seção transversal do rio, em m² L, o comprimento da área de medição, em m.
C, o coeficiente de correção (0,9 para rios com fundo barrento e 0,8 para rios com fundo pedregoso)
T, o tempo necessário para o flutuador atravessar o comprimento, em segundos.
Fonte: (EPA,1997)
É importante a aplicação do coeficiente de correção C, uma vez que a velocidade da água na superfície é maior do que a velocidade no fundo do rio, devido ao atrito gerado entre a água e o material sedimentado.
35 O trecho selecionado para realização do experimento deverá estar limpo de obstáculos que impeçam ou atrapalhem o deslocamento do Flutuador. O trecho deverá ser também ser reto, ou sem curvas acentuadas.
A medição do comprimento do trecho selecionado foi feita utilizando uma trena, conforme mostrado na Figura 9.
Figura 9 – Medição do comprimento do trecho
Fonte: Autores, 2020.
A medição do tempo que o flutuador demora para chegar do ponto de lançamento até o ponto final foi feita utilizando um cronômetro digital. A Fim de obter dados mais representativos, foram feitas 5 medições de tempo na mesma seção, e então, foi obtida uma média entre esses valores. O flutuador utilizado para as medições foi uma laranja, que é um bom objeto para ser utilizado nesse tipo de medição (EPA, 1997), uma vez que a flutuabilidade dela é suficiente para que ela esteja um pouco abaixo da superfície da água, em uma região mais próxima da velocidade máxima do rio (PORTO, 2006).
A medição da área da seção transversal do rio foi feita com duas trenas. A primeira trena foi utilizada para medir a largura da seção, e também os pontos fixos nessa largura, onde foram medidas as profundidades, conforme apresentado na Figura 10.
Figura 10 – Medição da largura da seção do rio com a trena.
36 Fonte: Autores, 2020.
As profundidades foram obtidas colocando a segunda trena perpendicular à primeira trena, que é mantida fixa durante a medição. A diferença entre o fundo do rio e o nível d’água é a profundidade naquele ponto. Foram feitas várias medições ao longo do comprimento da primeira trena.
Para calcular a área da seção transversal do rio, foi feita uma aproximação da sua forma para a de um trapézio, a fim de facilitar a obtenção da área.
4.3. DESNÍVEL GEOMÉTRICO E COMPRIMENTO DAS TUBULAÇÕES
Para realizar as medidas de desnível optou-se por utilizar uma mangueira de nível, que consiste em uma mangueira de pequeno diâmetro, flexível, mantida em formato de “U”, e com ambas extremidades abertas à atmosfera.
Este procedimento é fundamentado no Princípio de Pascal, que estabelece:
“A pressão aplicada num ponto de um fluído em repouso transmite-se integralmente a todos os pontos do fluido” (BRUNETTI, 2008).
37 Desta forma, ao utilizar a mangueira com ambas as extremidades abertas, pode-se afirmar que a água dentro da mesma se encontrará no mesmo nível em ambas as extremidades devido ao equilíbrio de pressão.
A altura da água em cada extremidade em relação ao terreno foi medida por duas pessoas com o auxílio de uma régua rígida e trena, sendo a diferença dessas alturas igual ao desnível do terreno entre os dois pontos. Marcações foram feitas ao longo do percurso. A figura 11 apresenta a medição do desnível geométrico
Figura 11 – Medição do desnível com régua rígida e mangueira
Fonte: Autores, 2020.
38 A figura 12 apresenta a configuração do reservatório elevado, onde foi conectada a mangueira de recalque que sai da bomba carneiro hidráulico.
Figura 12 – Reservatório elevado
Fonte: Autores, 2020.
39 Para a medição dos comprimentos das tubulações, foi utilizada uma trena de 8 metros de comprimento, somente possível devido à pequena distância entre a entrada do carneiro hidráulico e da captação de água.
4.4. MONTAGEM DO CARNEIRO HIDRÁULICO
A montagem da bomba carneiro hidráulica foi realizada, como parte deste projeto, na propriedade em questão. A instalação foi realizada na margem esquerda do córrego que passa pela propriedade, o qual não possui nomenclatura. O diâmetro das peças do carneiro foi selecionado principalmente pela facilidade de encontrar as peças e o custo das mesmas. Já o diâmetro da tubulação foi selecionado baseado na disponibilidade já existente de peças, e também foi dada preferência para tubulações com maior diâmetro, tendo em vista que estas geram menor perda de carga, e consequentemente, maior vazão recalcada.
4.4.1. MATERIAL NECESSÁRIO PARA ELABORAÇÃO DA BOMBA
As peças utilizadas para a confecção da Bomba Carneiro Hidráulico estão apresentadas na tabela 2.
Tabela 2 - Peças da Bomba Carneiro Hidráulico
Peças
1 Registro de esfera 1”
1 Tê Soldável 1”
1 Válvula de retenção vertical 1”
1 Tê Soldável e rosca 3/4”
1 Adaptador de rosca 1”x1/2”
1 Conexão de mangueira 1/2”
40 0,5m Cano de PVC 1”
1 Tampa 1”
1 Adaptador de rosca 1”
1 Cotovelo 1”
1 Nipple 1”
As peças para a confecção de uma bomba carneiro hidráulico também são apresentadas na figura 13. É importante ressaltar que o tamanho de cada peça irá mudar dependendo do diâmetro estabelecido para o carneiro, porém, não seguirão necessariamente o mesmo esquema do aqui apresentado. Este modelo é somente um dos diversos possíveis esquemas de montagem de uma bomba carneiro hidráulico.
41 Figura 13 - Peças posicionadas para a montagem da bomba
Fonte: Autores, 2020.
A conexão entre o registro de esfera e o tê soldável 1”, do tê soldável 1” até o adaptador soldável/rosca 1”, do tê soldável 1” com a válvula unidirecional, e da válvula unidirecional com o tê azul foram feitas utilizando pedaços de tubulação de pvc marrom 1” com comprimento de 10 cm.
A figura 14 apresenta a bomba carneiro hidráulico montada no local, a mangueira de saída conectada, e o carneiro em funcionamento.
42 Figura 14 - Bomba instalada e em funcionamento
Fonte: Autores, 2020.
A figura 15 apresenta o reservatório utilizado no cenário 2. Este reservatório é utilizado como “tanque de respiro” na tubulação de entrada, tendo em vista que este está aberto para a atmosfera, ele tem a capacidade de receber a onda de choque do golpe de aríete, e dissipa-la em todo o seu volume de água. O reservatório em questão é abastecido pela tubulação de polietileno de 1 1/2”, que capta a água diretamente do rio, com a utilização de um filtro. A saída do reservatório é a tubulação de PVC marrom de 1”, que vai para a bomba carneiro hidráulico.
43 Figura 15 - Reservatório aberto utilizado no cenário 2
Fonte: Autores, 2020
Dependendo das características do local, é essencial a utilização de algum método para evitar a entrada de sólidos grosseiros e sedimentáveis na bomba carneiro hidráulico, tendo em vista que estes podem afetar ou até parar o funcionamento da bomba. A fim de reduzir a quantidade de
44 sólidos dentro da tubulação, foi adicionado um filtro construído com um tubo de PVC furado, e uma tela. O filtro de entrada está apresentado na figura 16.
Figura 16 - Filtro de captação montado (superior) e instalado (inferior)
Fonte: Autores, 2020.
45 4.4.2. MATERIAL NECESSÁRIO PARA ADAPTAÇÃO DA VÁLVULA DE
PÉ COM CRIVO:
O material necessário para a confecção de uma válvula de saída (válvula de pé com crivo adaptada) estão mostrados na tabela 3.
Tabela 3 - Peças utilizadas para a confecção de uma válvula de pé com crivo adaptada
Peças
1 Válvula de pé com crivo 1”
1 Parafuso 5/16” x 2.½”
3 Porcas 5/16”
1 Mola ¼” x 1”
4.4.3. METODOLOGIA CONSTRUTIVA DA VÁLVULA DE SAÍDA (VÁLVULA PÉ COM CRIVO ADAPTADA)
A válvula de saída foi construída a partir de uma válvula de pé com crivo. Esta válvula é essencial para o funcionamento da bomba carneiro hidráulico. Dentro da válvula há uma parte móvel que tem a capacidade de fechar a válvula. O fechamento desta válvula ocorre pela energia cinética da água passando por ela, onde, em determinada vazão, a peça é erguida pela água e a mesma fecha a válvula, criando uma repentina mudança de velocidade da água.
Para possibilitar que haja um controle maior sobre o tempo de fechamento da válvula de saída, pode ser adicionado um dispositivo que adicione uma carga ao êmbolo, com o objetivo de alterar o fechamento do mesmo até que a velocidade da água passando esteja suficientemente alta, com o objetivo de intensificar o efeito do golpe de aríete.
46 A forma com que se obtém tal peça é desrosqueando o topo da válvula de pé com crivo, e realizando um furo no centro da mesma, primeiro com uma broca de aço rápido (6,53 mm) e então com um macho M5 (5/16”), cria-se uma rosca fêmea no crivo. Em tal rosca será colocado o parafuso de 5/16”, que deverá ter uma das porcas rosqueada até seu fim. Após passado o parafuso pelo crivo, deve se adicionar as outras duas porcas e travá-las uma na outra, impedindo as mesmas de se soltarem (com o princípio da contra-porca) e criando uma superfície de apoio para a mola.
Com todos os componentes adicionados, o topo da válvula pode ser enfim rosqueado em sua posição inicial. A Figura 17 apresenta o crivo adaptado com os componentes necessários para funcionamento e regulação da frequência de golpe de aríete.
Figura 17 - Crivo adaptado com furo, rosca, parafuso, porcas e mola afixados.
Fonte: autores, 2020.
Assim, pode-se obter controle sobre a vazão necessária para fechamento da válvula, e, consequentemente do tempo entre batidas ao apertar ou afrouxar a mola que pressiona o êmbolo
47 da válvula de fundo de poço. A Figura 18 apresenta a adaptação da válvula de pé com crivo finalizada.
Figura 18 - Válvula de pé com crivo adaptada finalizada
Fonte: autores, 2020.
4.5. PRESSÃO NO SISTEMA
A pressão na saída do carneiro foi medida utilizando um manômetro análogico. Porém, durante a aferição, foram observadas dificuldades para conseguir valores precisos, tendo em vista a grande dinâmica da bomba carneiro hidráulico, o tempo de estabilização do ponteiro era muito
48 pequeno, fazendo com que esse não marcasse um único valor. Além disso, por não ser um aparelho que grava os dados, como é o caso de alguns “data-loggers” de pressão, não foi possível também os valores de pressão máximo e minímo durante o funcionamento da bomba.
4.6. VAZÃO DE RECALQUE
A vazão de recalque do carneiro foi medida utilizando um medidor volumétrico, e um cronômetro. Para garantir que a medição fosse realizada de forma adequada, ela foi realizada na saída de água pressa ao reservatório, visando manter a altura geométrica fixa, e a tubulação de recalque imóvel.
4.7. DEFINIÇÃO DO PONTO ÓTIMO DE OPERAÇÃO
A bomba carneiro hidráulico, como já explicado nos tópicos anteriores, funciona pelo fechamento repentino da válvula de saída repetidas vezes. A frequência de fechamento da válvula aqui está definido como Batidas Por Minutos (BPM). O tempo de fechamento da válvula de saída, considerando nível d’água na entrada constante, é diretamente proporcional à resistência da movimentação da válvula.
Neste modelo, foi feita uma adaptação na válvula de saída, para tornar possível a regulagem da resistência dessa válvula, a partir de uma mola e de um parafuso. Ao rotacionar o parafuso, o comprimento da mola é reduzido. Com isto, a força que a mola exerce sobre a válvula é maior, aumentando assim a resistência de fechamento, fazendo com que ocorra a diminuição da frequência de fechamento da válvula.
Caso a válvula opere com resistência de fechamento da válvula de saída muito baixa, o golpe de aríete ocorrerá mais frequentemente, tendo em vista que a vazão necessária para o fechamento será menor. Sendo assim, a velocidade da água dentro da tubulação no momento do golpe de aríete será menor, portanto, a pressão gerada também será menor.
49 Por outro lado, caso a resistência de fechamento da válvula de saída seja muito alta, pode ocorrer o não-fechamento da válvula. Também pode ocorrer que a frequência de fechamento da válvula seja muito baixa, fazendo com que pouca água seja recalcada.
Entre esses dois pontos extremos, há um ponto de ótimo de operação, que é o ponto onde a resistência de fechamento da válvula de saída do carneiro é aquela que propicia maior vazão recalcada em determinado período de tempo, para uma mesma elevação.
Após o cálculo da vazão do sistema para diferentes frequências de golpe de aríete, foi possível determinar o ponto ótimo de operação. Como a altura geométrica entre o carneiro e a chegada do reservatório foi mantida fixa para as diferentes frequências de golpe, o ponto ótimo de operação foi definido como o ponto de máxima vazão.
4.8. ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA DO SISTEMA
Para realizar a análise de viabilidade econômica do sistema, foi comparado o custo mensal de utilização de uma bomba elétrica, com o custo de investimento para a construção de uma bomba carneiro hidráulico. Sendo assim, foi possível obter o tempo de retorno, ou o tempo em que o investimento de substituir uma bomba elétrica por uma bomba carneiro hidráulico irá se pagar.
Para tanto, foi definida uma bomba elétrica que apresenta vazão e altura manométrica similar àquelas encontradas para o carneiro hidráulico em questão. Com isso, foi possível calcular o consumo médio de energia elétrica gasto com o bombeamento por mês, e em seguida, utilizando a tarifa média de energia elétrica no Brasil, segundo a ANEEL foi possível calcular o gasto financeiro com energia elétrica.
O cálculo do consumo de energia elétrica devido à operação desta bomba está apresentado na equação 1. Como não foram encontrados dados sobre o rendimento elétrico de tal bomba, foram
50 estimados dois rendimentos diferentes, de 60% e de 40%. Estes valores foram escolhidos também pois, conforme o envelhecimento da bomba elétrica, seu rendimento tende a diminuir.
Com isto, e fazendo o cálculo do tempo de operação necessário para que a bomba elétrica recalque o mesmo volume que um carneiro hidráulico em um dia, foi possível encontrar o consumo de energia elétrica, em kWh. Considerou-se também que a bomba não seria utilizada nos horários de ponta, ou horário de pico, momento em que o valor do kWh é maior, devido ao aumento da demanda por energia elétrica. Vale ressaltar que esta comparação só é possível se houver capacidade de reservação adequada. Dependendo das características de demanda por água e vazão de entrada e saída.
A comparação entre o custo de implantação do carneiro hidráulico e a economia financeira devido à retirada do sistema de bombeamento elétrico fornece o tempo de retorno do investimento em questão.
O tempo de retorno do investimento foi obtido utilizando o gasto médio diário com energia elétrica em um sistema convencional, e o valor médio obtido para a construção de uma bomba carneiro. O cálculo do tempo de retorno está apresentado na equação 12.
𝑇𝑅 = 𝐶𝑡
𝑅 (Equação 12)
Sendo,
TR, o tempo de retorno do investimento, em meses;
R, o retorno financeiro pela não-utilização de eletricidade, em R$/mês Ct, o custo total do investimento, em R$.
O projeto da bomba elétrica foi feito utilizando as mesmas características do sistema do carneiro (tubulação de recalque, desnível geométrico, etc).
51 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1. VAZÃO DO RIO
Os valores obtidos para a área da seção transversal do rio estão apresentados na tabela 4.
Tabela 4 - Profundidades medidas na seção transversal Medição das profundidades da seção transversal do rio
Largura = 54 cm
Distância (cm) 0 10 20 30 40 50 54 Profundidade (cm) -1 -4 -10 -11,5 -10 -4 -2,6
Fonte: Autores, 2020.
Com isso, foi possível montar o gráfico 1, a fim de calcular a área da seção transversal do rio.
Gráfico 1 - Profundidade do rio em função da distância da margem
Fonte: Autores, 2020.
52 A área calculada foi de 465,2 cm², ou 0,0465 m².
O comprimento do trecho do rio onde foi feito o teste foi de 5,1 metros.
Os tempos medidos para que o flutuador fosse do ponto de lançamento até o ponto final do trecho estão dispostos na tabela 5.
Tabela 5 - Tempos aferidos para cada lançamento
Medição de tempo
Medição: 1° 2° 3° 4° 5°
T (s) 13,5 13 12 10 12,5
Média (s) 12,2
Desvio Padrão (s) 1,35 Fonte: Autores, 2020.
Sendo assim, o tempo médio é de 12,2 segundos. O coeficiente de fundo adotado foi de 0,9.
Isso se dá pelo fato de que o trecho analisado apresenta fundo majoritariamente lamacento (EPA,1997).
Por fim, foi possível calcular a vazão média do rio naquele trecho, conforme equação 11.
A tabela 6 apresenta os valores utilizados para o cálculo da vazão do rio, bem como o valor de vazão encontrado, em m³/s,
53 Tabela 6 - Valores para cálculo e resultado de vazão para o rio.
Cálculo da vazão Q = (A*L*C)/T
Parâmetro Valor Unidade
Área (A) 0,0465 m²
Comprimento
(L) 5,1 m
Coeficiente
de fundo (C) 0,9 -
T médio 12,2 s
Vazão (Q) 0,0175 m³/s
Sendo assim, a vazão estimada do rio é de 0,0175 m³/s, ou 17,5 L/s.
Vale ressaltar também que as medições foram feitas no dia 19/09/2020, após um longo período de estiagem na região, fazendo com que a vazão do rio calculada esteja inferior à média anual. Tal fenômeno pode ser visualizado na figura 19, que apresenta a baixa precipitação histórica para os meses de agosto e setembro. A estação pluviométrica em questão está localizada a 22 km do local da medição de vazão.
54 Figura 19 - Precipitação média mensal para o município de Batatais - SP
Fonte: Usina Batatais, 2020.
5.2. CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA
Os experimentos de aplicação prática foram realizados para duas configurações diferentes, mantendo-se a mesma bomba carneiro hidráulico, reservatório e tubulação de recalque mas dois sistemas de entrada de água distintos, com o objetivo de comparar as eficiências de bombeamento com os diferentes cenários.
O reservatório utilizado possui capacidade de 1000 litros, e tem como principal objetivo armazenar a água recalcada pela bomba carneiro hidráulico para utiliza-la para irrigação. A saída
55 do reservatório é controlada por um microcomputador arduíno. Como o desligamento do carneiro hidráulico tem que ser feito na entrada da bomba, que está distante do reservatório, optou-se também pela instalação de uma tubulação para o extravasamento do reservatório.
5.2.1. PRIMEIRO CENÁRIO
Partindo da altura do eixo da bomba carneiro hidráulico, que é onde ocorre a pressão do golpe de aríete, foram realizadas 04 medições com a mangueira, que somadas resultaram em 2,15 metros de desnível entre o nível d’água na captação e o eixo da bomba carneiro hidráulico.
A tubulação de entrada consiste em: 24 metros de tubulação de 1” de PVC, ligada diretamente ao carneiro; 13,5 metros de tubulação de polietileno de 1 ½”, ligado na tubulação de PVC, utilizando uma peça de redução. Totalizando assim comprimento total da tubulação de entrada de 37,5 metros. Na saída do carneiro hidráulico está conectada uma tubulação (mangueira) de polietileno de ½”, com comprimento de 76 metros.
O desnível geométrico entre a saída do carneiro e a entrada do reservatório elevado é de 20 metros.
O esquema do primeiro cenário está apresentado na figura 20.
56 Figura 20 - Esquema do cenário 1
Fonte: Autores, 2020.
Desta forma, obtêm-se uma relação entre o comprimento da tubulação de entrada e desnível geométrico de L/h = 17,44, valor superior às recomendações de 6 a 12 vezes apresentadas na seção 3.4.4.
5.2.2. SEGUNDO CENÁRIO
Já no segundo cenário, foi adicionado mais um peça de 6 metros de PVC rígido, totalizando 30 metros de tubulação rígida. Ligado no ínicio desta tubulação foi instalada uma bombona de 200 litros, que atua como reservatório. Esta bombona então recebeu a ligação de entrada de uma tubulação de mangueira de polietileno preta de 1 ½”, com comprimento de 22 metros. Totalizando assim, 30 metros de PVC + 22 metros de mangueira desde a captação de água até a bomba carneiro hidráulico.
57 O desnível geométrico entre a captação de água e o carneiro hidráulico para o cenário 2 é de 3,31 metros.
Neste cenário, a tubulação de entrada é composta por 30 metros de canos de PVC 1” ligada à um reservatório com fluxo constante de água alimentado por uma tubulação de polietileno 1 ½”
de 22 metros.
O desnível entre a entrada da água na tubulação e o carneiro hidráulico é de 3,31 metros. O esquema de instalação deste cenário estão apresentados na figura 21.
Figura 21 - Esquema do cenário 2
Fonte: Autores, 2020.
Portanto, no cenário 2, a tubulação de entrada foi reduzida de 37,5 metros para 30 metros e o desnível geométrico de entrada aumentou de 2,15 metros para 3,31 metros.
58 Desta forma a relação entre a tubulação de entrada e o desnível geométrico L/h = 9,06, se adequando aos valores apresentados na seção 3.4.4.
5.3. VAZÕES
5.3.1. PRIMEIRO CENÁRIO
Os dados de vazão recalcada, para o primeiro cenário, e diferentes frequência de golpe de aríete, estão apresentados na tabela 7.
Tabela 7 - Vazões obtidas no cenário 1 para diferentes frequências de golpe de aríete.
BPM Vazão (L/h)
24 30.5
28 41.9
34 48.6
38 46.2
42 45.1
52 38.3
56 33.8
Fonte: Autores, 2020.
Sendo assim, foi possível obter o ponto de operação ótimo, que, para um altura geométrica constante, é aquele ponto onde a vazão é máxima. O gráfico 2 apresenta os valores obtido, em forma gráfica, a fim de mostrar como a vazão é alterada em função das frequências de golpe de aríete.
59 Gráfico 2 - Vazão Recalcada para diferentes BPM, cenário 1.
Fonte: Autores, 2020.
5.3.2. SEGUNDO CENÁRIO
Os dados de vazão recalcada, para o segundo cenário, e diferentes frequência de golpe de aríete, estão apresentados na tabela 8 e no gráfico 3.
Tabela 8 - Vazões obtida no cenário 2 para diferentes frequências de golpe de aríete.
BPM Vazão (L/h)
24 75,0
28 83,3
34 83,7
38 77,6
44 81,8
50 81,1
56 75,6
60 Fonte: Autores, 2020.
Gráfico 3 - Vazão Recalcada para diferentes BPM, cenário 2
Fonte: Autores, 2020.
É possível notar que no cenário 2 houve menor variação de vazão para as diferentes frequências de golpe de aríete. Enquanto no cenário 1, a diferença entre o maior valor e o menor foi de 37%, esta diferença no segundo cenário foi somente de 11%.
O gráfico 4 apresenta uma comparação entre os valores de vazão obtidos para diferentes frequência de golpe de aríete nos cenários 1 e 2.
61 Gráfico 4 - Comparação entre as vazões obtidas nos cenários 1 e 2
Fonte: Autores, 2020.
5.3.3. DETERMINAÇÃO DO PONTO ÓTIMO DE OPERAÇÃO
Analisando o gráfico de vazões dos dois cenários, foi possível obter o ponto ótimo de operação, apresentado na tabela 9.
Tabela 9 - Ponto de operação ótimo para os cenários 1 e 2.
Cenário BPM Vazão (L/h)
Cenário 1 34 48,6
Cenário 2 34 83,7
Fonte: Autores, 2020.
Sendo assim, o ponto de operação ótimo para o cenário 1 tem frequência de 34 batidas por minuto, recalcando um total de 48,6 l/h. O ponto de operação para o cenário 2 também possui frequência de 34 batidas por minuto, recalcando 83,7 l/h.
62 Inicialmente, foram feitas medições de pressão em cada ponto de operação acima explicitado. Porém, devido à grande dinâmica de pressão durante o ciclo, e devido ao fato do manômetro analógico não apresentar a capacidade de armazenar os dados, não foi possível realizar uma medição adequada das pressões na saída da bomba carneiro. Recomenda-se a utilização de manômetros mais adequados à pressões variáveis para ser feita a medição da pressão exata em cada etapa do ciclo do golpe de aríete.
5.4. ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA
A análise de viabilidade econômica foi feita criando um cenário hipotético onde já existe um sistema de bombeamento elétrico em uma propriedade, e quer se substituir este por uma bomba carneiro hidráulico
Para o cálculo da viabilidade econômica da instalação de um carneiro hidráulico em substituição à um sistema de bombeamento elétrico convencional, foi selecionada a bomba KSB- Hydrobloc-CN-1000-N/NT. Esta bomba foi escolhida por dois principais motivos, primeiramente, os dados de altura manométrica e vazão desta bomba demonstram que ela poderia ser utilizada para tal finalidade; o segundo critério de escolha foi a presença e amplo conhecimento da marca no mercado brasileiro, o que também tornaria ela uma aplicação viável ao caso. Os dados da bomba estão apresentados na tabela 10.
63 Tabela 10 - Vazão e altura manométrica para a bomba selecionada.
Altura Manométrica
(m.c.a)
Vazão
m³/h Vazão m³/s
23 11 0,00306
24 9,8 0,00272
26 8,4 0,00233
28 5,3 0,00147
30 3 0,00083
31 0,5 0,00014
Fonte: KSB, 2020. Adaptado.
O cálculo da altura manométrica do sistema está apresentado na equação 7.
Conforme apresentado no tópico 3.3, o cálculo da perda de carga em tubulações de polietileno com pequeno diâmetro é apresentado da seguinte forma:
Diâmetro de 12,9 mm → 𝐽 = 485585,9𝑄1,709; 𝑅2 = 0,9995
Assim, foi possível calcular a curva do sistema, e por fim, plotar ela em conjunto com a curva da bomba. Com isso, foi obtido o ponto de operação do sistema. O gráfico 5 apresenta as curvas da bomba, do sistema, e o ponto de operação do sistema hipotético.
64 Gráfico 5 - Ponto de operação do sistema
Fonte: Autores, 2020.
O ponto de operação esperado do sistema apresenta as seguintes características:
- Altura manométrica = 30,5 m.c.a - Vazão = 0,8 m³/h.
Sendo assim, para a bomba recalcar a mesma vazão que a bomba carneiro hidráulico transporta em um dia, no ponto de operação ótimo, a bomba elétrica precisa operar por 2,5 horas por dia.
A bomba em questão possui potência de 1 cv.
O cálculo do consumo de energia elétrica devido à operação desta bomba, para recalcar 2000 l/dia, está apresentado a seguir. Como não foram encontrados dados sobre o rendimento elétrico de tal bomba, foram estimados dois rendimentos diferentes, de 60% e de 40%.
