A maioria dos engenheiros envolvidos no planejamento de sistemas de bombeamento está familiarizada com os termos “transiente hidráulico”, “pressão de surto” ou, em aplicações hidráulicas, “golpe de aríete”. A questão de saber se uma análise de fluxo transitório ou de surto é necessária ou não durante a fase de planejamento é respondida com menos facilidade. Sob circunstâncias desfavoráveis, podem ocorrer danos devido ao golpe de aríete em tubulações medindo mais de cem metros e transportando apenas alguns décimos de litro por segundo. Mas mesmo tubulações muito curtas e sem suporte em estações de bombeamento podem ser danificadas por vibrações ressonantes se não estiverem devidamente ancoradas. Em contrapartida, o fenómeno não é muito comum em sistemas de serviços de construção, por exemplo, em condutas de aquecimento e de abastecimento de água potável, que normalmente são curtas e têm uma secção transversal pequena.
Os proprietários ou operadores de sistemas afetados pelo golpe de aríete geralmente relutam em transmitir informações sobre quaisquer danos sofridos por surtos de aríete. Mas estudando as fotos tiradas de alguns “acidentes” (Figs. 1-a, 1-b, 1-c) uma coisa é clara: os danos causados pelo golpe de aríete excedem em muito o custo da análise preventiva e das medidas de controle de surtos.
A capacidade de fornecer equipamentos de controle de surtos projetados de forma confiável, como um reservatório de ar ou acumulador, volante e válvula de ar, tem sido o estado da arte há muito tempo. O folheto de instruções técnicas W 303 “Alterações dinâmicas de pressão em sistemas de abastecimento de água”, publicado pela Associação Alemã do Setor de Gás e Água, afirma claramente que os transientes de pressão devem ser considerados ao projetar e operar sistemas de abastecimento de água, porque podem causar danos extensos. Isso significa que uma análise de surto de acordo com os padrões da indústria deve ser realizada para cada sistema de tubulação hidráulica em risco de golpe de aríete. Software dedicado está disponível para essa finalidade – uma ferramenta importante para o analista especialista em surtos usar. Consultores e projetistas de sistemas enfrentam as seguintes questões.
- Como podemos saber se existe risco de golpe de aríete ou não?
- Quão significativas são as fórmulas de aproximação para calcular o golpe de aríete?
- A análise de surtos de um sistema de tubulação pode ser usada como base para tirar conclusões para sistemas similares?
- Quais parâmetros são necessários para uma análise de surto?
- Quanto custa uma análise de surto?
- Quão confiável é o equipamento de controle de surto disponível e quanto custa para operá-lo?
- Quão confiável é uma análise computadorizada?
O projetista do sistema e o analista de surtos precisam trabalhar juntos para economizar tempo e dinheiro. O golpe de aríete é um fenômeno complexo; o objetivo desta brochura é transmitir um conhecimento básico dos seus muitos aspectos, sem simplificá-los demais.
Fluxo constante e instável em um pipeline
Ao discutir a pressão de um fluido, deve-se fazer uma distinção entre pressão acima da atmosférica [p bar], pressão absoluta [p bar(a)] e altura manométrica h [m]. A cabeça de pressão h denota a altura de uma coluna líquida homogênea que gera uma certa pressão p. Os valores para “h” referem-se sempre a um dado (por exemplo, nível médio do mar, linha central axial do tubo e topo do tubo, etc.).
Como regra, os projetistas do sistema começam determinando as pressões operacionais em estado estacionário e as taxas de volume de fluxo. Neste contexto, o termo estável2 significa que as taxas de fluxo, as pressões e as velocidades da bomba não mudam com o tempo. A Figura 2.1-a mostra um perfil típico de fluxo constante:
Com um diâmetro de tubo constante e uma rugosidade superficial constante das paredes internas do tubo, a curva da carga de pressão será uma linha reta. Em casos simples, o ponto de funcionamento em estado estacionário de uma bomba pode ser determinado graficamente. Isto é feito determinando o ponto onde a curva da bomba cruza a característica da tubulação.
Um sistema de bombeamento nunca pode ser operado em estado estacionário o tempo todo, uma vez que a partida e a parada da bomba por si só alterarão as condições de funcionamento. De modo geral, cada mudança nas condições de operação e cada perturbação causam variações de pressão e vazão ou, dito de outra forma, fazem com que as condições de vazão mudem com o tempo. Condições de fluxo deste tipo são comumente chamadas de instáveis ou transitórias. Referindo-se especificamente às pressões, elas são às vezes chamadas de mudanças dinâmicas de pressão ou transientes de pressão. As principais causas das condições de fluxo transitório são:
- Desarme da bomba como resultado de desligamento da fonte de alimentação ou falha de energia.
- Arranque ou paragem de uma ou mais bombas enquanto outras bombas estão em funcionamento.
- Fechamento ou abertura de válvulas de corte no sistema de tubulação.
- Excitação de vibrações ressonantes por bombas com curva H/Q instável.
- Variações do nível de água de entrada.
A Figura 2.1-b pode servir como um exemplo representativo mostrando o envelope de pressão3 com e sem um vaso de ar após o disparo da bomba.
hestável na Fig. 2.1-b está a curva da carga de pressão SteadyState. Envelopes de cabeça de pressão hminWK e hmaxWK foram obtidos de uma instalação com hmin e hmax de uma instalação sem reservatório de ar. Considerando que hminWK e hmaxWK estão dentro da faixa de pressão permitida, hmin dá evidência de pressão de vapor (macrocavitação) ao longo de uma distância de tubo de 0 m a aproximadamente 800 m. Quase ao longo de todo o comprimento do tubo, o valor de hmax excede a pressão nominal máxima permitida do tubo PN 16 (curva marcada como “tubo PN”) e é, portanto, inadmissivelmente alta. Via de regra, a pressão de vapor é um fenômeno extremamente indesejável. Pode ter os seguintes efeitos nocivos:
- Amassados ou empenamentos de tubos de aço de paredes finas e tubos de plástico.
- Desintegração do revestimento de cimento da tubulação.
- Água suja sendo puxada para tubulações de água potável através de vazamentos nas tomadas de conexão.
Daremos continuidade a estes posts técnicos e também voltaremos ao assunto da macrocavitação, ou seja, separação de colunas líquidas, nas próximas partes.
REF: Conhecimento KSB, Volume 1
FREQUENTLY ASKED QUESTIONS
Water hammer is less common in building services systems because these pipelines are typically short in length and have a small cross-section. This reduces the likelihood of unfavorable circumstances that can lead to water hammer damage.
Proper anchoring of pipelines, especially in pumping stations, is crucial for preventing water hammer damage. Unanchored pipelines can experience resonant vibrations, which can lead to damage or failure. Anchoring helps to dissipate the energy generated by water hammer, reducing the risk of damage.
The flow rate of a pipeline plays a significant role in determining the likelihood of water hammer damage. Pipelines with low flow rates (e.g., several tenths of a liter per second) are more susceptible to water hammer damage than those with higher flow rates. This is because low flow rates can lead to a greater pressure surge when the flow is suddenly stopped or changed.
Hydraulic transient surge pressure and water hammer are often used interchangeably, but they refer to the same phenomenon: a sudden increase in pressure in a pipeline due to a change in flow rate or direction. Water hammer is a specific type of hydraulic transient surge pressure that occurs in water applications.
A transient flow or surge analysis is necessary during the planning phase of a pumping system when the pipeline characteristics and operating conditions suggest a high risk of water hammer damage. This includes pipelines with long lengths, low flow rates, and unsupported sections. A thorough analysis can help identify potential issues and inform design decisions to mitigate water hammer risks.
Common signs of water hammer damage in pipelines include loud banging or knocking noises, vibration, and leakage or rupture of the pipeline. In severe cases, water hammer can cause catastrophic failure of the pipeline, leading to costly repairs and downtime.
