A maioria dos engenheiros envolvidos no planejamento de sistemas de bombeamento está familiarizada com os termos “transiente hidráulico”, “pressão de pico” ou, em aplicações de água, “golpe de aríete”. A questão de saber se uma análise de fluxo transiente ou surto é necessária durante a fase de planejamento ou não é menos prontamente respondida. Sob circunstâncias desfavoráveis, danos devido ao golpe de aríete podem ocorrer em tubulações com 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 forem devidamente ancoradas. Por outro lado, o fenômeno não é muito comum em sistemas de serviços prediais, por exemplo, em dutos de aquecimento e abastecimento de água potável, que normalmente são curtos em comprimento e têm uma seção transversal pequena.
Os proprietários ou operadores de sistemas afetados pelo golpe de aríete geralmente relutam em repassar informações sobre qualquer dano sofrido por surto. Mas estudando as fotos tiradas de alguns “acidentes” (Figs. 1-a, 1-b, 1-c) uma coisa fica clara: os danos causados pelo golpe de aríete excedem em muito o custo de análises preventivas e medidas de controle de surtos.
A capacidade de fornecer equipamentos de controle de surto projetados de forma confiável, como um reservatório de ar ou acumulador, volante e válvula de ar, há muito tempo é o estado da arte. O folheto de instruções técnicas W 303 “Mudanças 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. Um software dedicado está disponível para essa finalidade - uma ferramenta importante para o uso do analista especializado em surge. Consultores e projetistas de sistemas se deparam com as seguintes questões.
- Como podemos saber se há risco de golpe de aríete ou não?
- Quão significativas são as fórmulas de aproximação para calcular o golpe de aríete?
- A análise de surto de um sistema de tubulação pode ser usada como base para tirar conclusões de sistemas semelhantes?
- Quais parâmetros são necessários para uma análise de surge?
- Quanto custa uma análise de surge?
- Quão confiável é o equipamento de controle de surge 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 de seus muitos aspectos sem simplificá-los demais.
Escoamento permanente e instável em uma tubulação
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 carga de pressão h [m]. A carga de pressão h denota a altura de uma coluna líquida homogênea que gera uma certa pressão p. Os valores para “h” são sempre referidos a um dado, (por exemplo, nível médio do mar, linha de centro axial do tubo e topo do tubo, etc.).
Como regra, os projetistas de sistemas começam determinando as pressões operacionais em estado estacionário e as taxas de fluxo de volume. Neste contexto, o termo estável2 significa que as taxas de volume de fluxo, pressões e velocidades da bomba não mudam com o tempo. A Fig. 2.1-a mostra um perfil de fluxo estável típico:
Com um diâmetro de tubo constante e uma rugosidade de superfície constante das paredes internas do tubo, a curva de carga de pressão será uma linha reta. Em casos simples, o ponto de operação estável de uma bomba pode ser determinado graficamente. Isso é feito determinando o ponto onde a curva da bomba intercepta a característica da tubulação.
Um sistema de bombeamento nunca pode ser operado em condições de estado estacionário o tempo todo, pois apenas a partida e a parada da bomba mudarão as condições de funcionamento. De um modo geral, toda mudança nas condições de operação e toda perturbação causam variações de pressão e vazão ou, em outras palavras, fazem com que as condições de vazão mudem com o tempo. Condições de fluxo desse tipo são comumente referidas como instáveis ou transitórias. Referindo-se especificamente às pressões, às vezes são chamadas de mudanças dinâmicas de pressão ou transientes de pressão. As principais causas de condições de fluxo transiente são:
- Desarme da bomba devido a corte de alimentação ou falha de energia.
- Partida ou parada de uma ou mais bombas enquanto outras bombas estão em operação.
- Fechamento ou abertura de válvulas de fechamento no sistema de tubulação.
- Excitação de vibrações ressonantes por bombas com curva H/Q instável.
- Variações do nível de água de entrada.
A Fig. 2.1-b pode servir como um exemplo representativo mostrando o envelope de pressão3 com e sem um reservatório de ar após o disparo da bomba.
hestável na Fig. 2.1-b é a curva de carga de pressão SteadyState. Envoltórios de cabeça de pressão hminWK e hmaxWK foram obtidos de uma instalação com, hmin e hmax de uma instalação sem vaso de ar. Considerando que hminWK e hmaxWK estão dentro da faixa de pressão permitida, hmin dá evidência de pressão de vapor (macro cavitação) ao longo de uma distância de tubo de 0 ma aproximadamente 800 m. Quase em todo o comprimento do tubo, o valor de hmax excede a pressão nominal máxima admissível do tubo PN 16 (curva marcada como “tubo PN“) e é, portanto, inadmissivelmente alta. Como regra, a pressão de vapor é um fenômeno muito indesejável. Pode ter os seguintes efeitos nocivos:
- Amassados ou empenamento de tubos de aço de paredes finas e tubos de plástico.
- Desintegração do revestimento de cimento do tubo.
- Água suja sendo puxada para as tubulações de água potável através de tomadas de conexão com vazamento.
Continuaremos com esses posts técnicos e também voltaremos ao assunto de macrocavitação, ou seja, separação de coluna líquida, nas próximas partes.
REF: KSB Know-how, Volume 1
