Características construtivas de um carneiro hidraúlico com materiais alternativos

Hydraulic ram pump manufacturer features using alternative materials

ENGENHARIA DE IRRIGAÇÃO E DRENAGEM

Características construtivas de um carneiro hidraúlico com materiais alternativos

Hydraulic ram pump manufacturer features using alternative materials

Denis C. Cararo^I; Flavio A. Damasceno^II; Greta Griffante^II; Lívia A. Alvarenga^II

^IDoutor em Agronomia/Irrigação e Drenagem. Rua Américo Brasiliense, 1458, CEP 87033-420, Maringá, PR. Fone: (44) 3267-6218. E-mail: [e-mail]

IIGraduando em Engenharia Agrícola/UFLA. Fone: (61) 3383-4273. E-mail: [e-mail]

RESUMO

O objetivo deste trabalho foi avaliar um carneiro hidráulico construído com conexões roscáveis de PVC roscáveis e metálicas e garrafa de polietileno tereftálico (PET). O estudo foi realizado no Laboratório de Hidráulica da Universidade Federal de Lavras, MG. Testaram-se tamanhos de câmaras de ar (0,6 e 2,5L), diâmetros de furos da tampa da garrafa (5, 15 e 25mm), tipos de garrafa plástica (descartável de guaraná e descartável e retornável de refrigerante de cola), e posições da válvula de escape (vertical e horizontal), a diferentes pressões de recalque (48,39 a 483,92kPa), a cada 48,39 kPa. O desnível do reservatório de alimentação ao carneiro hidráulico foi mantido constante a 4,36m. Os resultados indicaram que a combinação de características construtivas que possibilitam melhor rendimento, maior vazão recalcada, menor vazão de alimentação e menor desperdício, foi o uso de garrafa PET descartável ou retornável com capacidade de 0,6L, válvula de escape na horizontal e tamanho de furo de 25mm na tampa da garrafa.

Palavras-chave: avaliação hidráulica, golpe de aríete, garrafa descartável.

ABSTRACT

Tests were conducted at the Hydraulics Laboratory of Universidade Federal de Lavras - UFLA, Lavras, to evaluate a hydraulic ram pump built with PVC and metallic threadable connections, and a bottle made with polyethylene tereftalic, known as PET. The manufacturer features tested were: bottle size (0.6 and 2.5L), hole size of the bottle top (5, 15 and 25mm), bottle models (disposable and returnable) and valve positions (horizontal and vertical). The operational hydraulic head was 4.36m and the simulated pump elevation pressures were 48.39 to 483.92kPa and 48.39 to 48.39kPa. The best efficiency, the highest pumped water flow, the lowest operational water flow and the lowest waste water flow were obtained using the 0.6L PET disposable or returnable bottle with horizontal valve position and top size of 25mm.

Key words: hydraulic evaluation, blow of ram, disposable bottle.

INTRODUÇÃO

A recente crise da energia convencional, principalmente em países subdesenvolvidos, tem ocasionado a exploração de fontes alternativas de energia (Abate & Botrel, 2002). Em muitos desses países não há, no setor rural, eletricidade, e os motores apresentam problemas atribuídos ao combustível e à manutenção (Zárate Rojas, 2002); assim, o uso de carneiro hidráulico, equipamento amplamente empregado em propriedades rurais onde a energia é escassa ou inexistente, caracteriza-se como fonte alternativa ao bombeamento (Abate & Botrel, 2002).

Segundo Horne & Newman (2005), o carneiro hidráulico apresenta, como vantagens, a não necessidade 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 custo de aquisição e/ou montagem relativamente baixos e a possibilidade de uso durante 24 h por dia recalcando água sem emissão de poluentes ou gases. Como desvantagens, Abate & Botrel (2002) e Carvalho (1998) apontam que a eficiência é determinada pelas condições locais, o golpe de aríete produz ruído, há necessidade de queda d'água e utilização de água limpa, além de recalcar somente uma pequena fração da vazão disponível na alimentação.

Considerando a escassez de recursos financeiros em uma propriedade, é possível fabricar carneiros hidráulicos de maneira não industrial, utilizando-se tubo de PVC (Barreto & Lima, 1997), madeira e PVC (Silva & Rêda, 1991) ou com peças metálicas e garrafas de polietileno tereftálico, também conhecida como PET; essas garrafas têm sido largamente empregadas na substituição de alguns materiais no meio rural, podendo-se observar, em pesquisas, tais como o reúso em tubulações para sistemas de irrigação de baixa pressão (Mapurunga et al., 2003) e a desinfecção de efluentes com tratamento terciário utilizando-se energia solar (Paterniani & Silva, 2005) e, no aspecto proposto, como alternativa à câmara de ar em carneiro hidráulico, cujo material é usualmente de ferro fundido (CERPCH, 2002).

O equipamento deve ser instalado 1 a 9 m abaixo do manancial (Carvalho, 1998); usualmente, a fonte de energia do 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 ao carneiro hidráulico sai por uma válvula externa até o momento em que se atinge determinada velocidade, ocasionando um fechamento repentino e uma sobrepressão 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), recalcando a água de maneira intermitente.

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 carneiros 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 o carneiro fabricado 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 do carneiro hidráulico e segundo Zárate Rojas (2002), o mesmo depende principalmente da relação da altura de queda do reservatório de alimentação até o carneiro hidráulico 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%.

De forma análoga ao ferro, deve-se atentar para o fato de que, por serem mais rígidas e resistentes, as garrafas retornáveis, apresentariam menor atenuação ao golpe de aríete e, assim, melhor rendimento que as descartáveis. Em grande parte, as garrafas de refrigerantes de cola, retornáveis ou descartáveis, apresentam relativa resistência, haja vista que, usualmente, suportam pressões internas próximas a 200 kPa exercidas pelo refrigerante.

Além do tipo de câmara de ar, requer-se estudo do diâmetro para o furo na tampa da garrafa. Apesar de ser indicado em CERPCH (2002) o valor de 15 mm, não há certeza se este é o tamanho ideal e que permite maior vazão de recalque. Assim, novos tamanhos de furos poderiam ser testados para se verificar possíveis melhorias no desempenho do equipamento.

O carneiro hidráulico fabricado com garrafa PET é um aparelho relativamente recente, com pouca informação e de grande importância nas situações mencionadas; ele requer estudos que melhorarem seu desempenho por mudanças em suas características construtivas e quantifiquem sua vazão de alimentação, de recalque, desperdiçada, e rendimento, dados esses inexistentes e de interesse fundamental ao usuário.

Este trabalho teve como objetivo avaliar as características hidráulicas de um carneiro hidráulico construído com garrafa PET para diferentes variações construtivas, com a finalidade de recomendar a combinação de melhor desempenho.

MATERIAL E MÉTODOS

O experimento foi realizado no Setor de Hidráulica do Departamento de Engenharia da Universidade Federal de Lavras, Lavras, MG.

O carneiro hidráulico fabricado conforme a Figura 1 é um equipamento cujas peças roscáveis têm diâmetros internos de 19,05 e 25,4 mm, as quais são: câmara de ar de garrafa PET (1), tampa da garrafa com furo (2), luva de redução de PVC roscável (3), niple de PVC roscável (4 e 14), tê de PVC roscável (5), redução de PVC roscável (6 e 9), adaptador para tubulação de recalque (7), válvula de retenção metálica (10), niple galvanizado (11), tê galvanizado (12), cotovelo de PVC roscável (13), válvula de poço metálica (15), parafuso com cinco porcas e uma arruela (19, 16, 20 e 17), além de mola do acionador da válvula de descarga para vaso sanitário (18) (CERPCH, 2002).

O modelo com garrafa PET apresenta diferenças quanto a construção, em relação à modelos comerciais e PVC, cujas características estão descritas em Abate & Botrel (2002) e Barreto & Lima (1997), respectivamente, porém sua instalação (Figura 2A) ocorre de maneira similar à dos demais modelos atualmente existentes.

Como reservatório de alimentação utilizou-se um tanque de concreto com capacidade para 1,5 m³, cujo nível de água foi mantido constante a um desnível de 4,36 m em relação ao nível do carneiro hidráulico.

A partir do reservatório, a água era conduzida por uma tubulação de aço galvanizado de 50 mm, correspondente à tubulação de alimentação do equipamento, enquanto a água recalcada foi derivada para uma tubulação de polietileno com 12,7 mm de diâmetro interno e sua vazão medida pelo processo volumétrico usando uma proveta com capacidade para 0,5 L e cronômetro; o registro de gaveta foi instalado próximo a um manômetro digital com precisão de 9,68 kPa com a finalidade de medir as diferentes pressões de recalque.

Grande parte da água não recalcada era coletada com uma caixa de concreto na qual foi instalado o carneiro hidráulico (Figura 2B); a vazão de alimentação era definida pelo processo volumétrico, utilizando-se balde calibrado com capacidade para 10 L, pela relação da soma do volume não recalcado e volume recalcado pelo tempo de coleta; para isto ser possível, a tubulação de recalque era colocada dentro da caixa de concreto e, com auxilio do cronômetro determinou-se o número de batidas da válvula de escape no intervalo de um minuto. O rendimento era calculado pela Eq. 1 e a vazão de desperdício pela diferença entre alimentação e recalque.

em que:

h - rendimento do carneiro hidráulico, %

q - vazão de recalque, m³ s^-1

H - altura de recalque em relação ao carneiro hidráulico, m

Q - vazão de alimentação, m³ s^-1

h - desnível da fonte de alimentação ao carneiro hidráulico, m

Realizaram-se cinco repetições para cada volume coletado de alimentação e recalque, nas pressões simuladas de recalque de 48,39; 96,78; 145,18; 193,57; 241,96; 290,35; 338,74; 387,14; 435,53 e 483,92 kPa.

Os tratamentos testados foram três tipos de garrafa: descartável do tipo de guaraná e descartável e retornável, de refrigerante de cola (Figura 3A); dois tamanhos de garrafa: 0,6 e 2,5 L (Figura 3A); três tamanhos de diâmetro de furo na tampa da garrafa: 5, 15 e 25 mm (Figura 3B) e duas posições da válvula de escape: horizontal e vertical. As características construtivas do carneiro hidráulico a cada tratamento estão apresentadas na Tabela 1.

Cada tratamento foi realizado separadamente mantendo-se, porém, as características construtivas do carneiro hidráulico. A água utilizada não continha impurezas e se apresentou apropriada para o funcionamento do aparelho. Efetuou-se a análise estatística dos dados de vazão de recalque, rendimento e vazão de desperdício, utilizando-se a análise de variância e o teste de comparação de médias por Tukey a nível de significância de 5%.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os dados coletados foram analisados comparativamente considerando-se o desempenho do carneiro hidráulico de garrafa PET, para diferentes volumes de garrafas, posicionamento da válvula de retenção, diferentes diâmetros dos furos e tipos de garrafa.

Tem-se, na Tabela 2, os valores de vazão de recalque obtidos experimentalmente. Nota-se que o carneiro hidráulico recalca de 0,58 a 11,76 L min^-1, de acordo com as condições construtivas e alturas de recalque. Esses valores estão coerentes com os encontrados por Carvalho (1988) para carneiro de PVC, porém superiores, devido à diferença de 1,96 m na altura de alimentação e características intrínsecas ao equipamento testado. Comparando-se o equipamento testado aos de fabricação brasileira descritos por Azevedo Netto & Alvarez (1998), nota-se um acréscimo de 3 a 7 vezes na vazão de recalque quando se emprega o primeiro.

Estatisticamente, em quase todas as alturas de recalque a vazão recalcada com a garrafa de 0,6 L foi superior à de 2,5 L; com a válvula na posição horizontal, foi superior à vertical; com garrafa retornável ou descartável de refrigerantes de cola, foi igual ou superior à de Guaraná e, com diâmetro de furo na tampa igual a 25 mm, foi superior às de 5 e 15 mm, indicando que as características construtivas desejáveis para vazão de recalque máxima são de um carneiro hidráulico com garrafa descartável de refrigerante de cola de 0,6 L, válvula de escape na horizontal e furo de 25 mm.

É interessante observar que para a vazão de recalque com garrafa de 0,6 L, a vazão permaneceu com intermitência superior à de 2,5 L, fato este previsível em relação ao tamanho das câmaras de ar de carneiros hidráulicos e não interfere em sua finalidade, que é a de recalcar água 24 h por dia a um reservatório localizado a uma cota mais alta.

Os valores de rendimento calculados de acordo com a Eq. 1, podem ser observados na Tabela 2, na qual se nota que os valores se encontram entre 11,04 e 59,28%, indicando um rendimento abaixo dos descritos por Zarate Rojas (2002) e CERPCH (2002) que descrevem rendimentos de 30 a 60%. Usualmente, o rendimento do carneiro hidráulico não é alto visto que grande parte da água fornecida ao equipamento não é recalcada e também pelo uso de peças plásticas, as quais amortecem o golpe aríete. Com o último motivo se recomenda o uso de tubulações de metal na alimentação.

Estatisticamente, os melhores rendimentos são os referentes à combinação da garrafa de 0,6 L do tipo descartável ou retornável de refrigerante de cola, com válvula na horizontal e diâmetro de furo de 25 mm. Como sugestão pode-se adotar conexões metálicas para aumentar o rendimento mantendo, porém, a garrafa descartável ou retornável indicada.

Na Tabela 2 é possível verificar diretamente a percentagem de água que não é aproveitada no recalque, ou seja, a parte denominada vazão de desperdício. Observa-se que os valores de 64,72 a 98,16% encontrados representam grande perda de água por este equipamento, característica particular de seu funcionamento e que estão coerentes, em média, com Horne & Newman (2005), os quais mencionam desperdícios em torno 75%; estatisticamente, nota-se que os menores as menores perdas ocorrem com garrafa de 0,6 L retornável seguida da descartável, válvula na horizontal, furo de 25 mm.

A Tabela 2 indica os valores de vazão de alimentação ou vazão disponível ao carneiro hidráulico. Nota-se que os valores estão entre 21,28 e 46,81 L min^-1; portanto, dentro da faixa de valores indicada por Carvalho (1998).

Na maioria das alturas de recalque a vazão de alimentação com a garrafa de 0,6 L foi inferior à de 2,5 L; com: a válvula na posição horizontal, foi inferior à vertical; com garrafa retornável ou descartável de refrigerante de cola foi inferior à de Guaraná e com diâmetro de furo na tampa igual a 25 mm, o foi inferior também às de 5 e 15 mm, indicando que as características construtivas desejáveis para vazão de alimentação mínima é um carneiro hidráulico com garrafa descartável de refrigerante de cola de 0,6 L, válvula de escape na horizontal e furo de 25 mm.

Quanto ao número de golpes de aríete, obtiveram-se de 70 a 80 golpes por minuto, com pequena oscilação em relação à altura de recalque, conforme a Figura 4. Um número menor de golpes por minuto indica um desgaste menor de peças móveis, entre elas a válvula de escape; assim, tem-se que há número maior de golpes com a válvula na horizontal o que pode induzir a uma vida útil menor desta peça.

CONCLUSÕES

1. A característica construtiva selecionada para o carneiro hidráulico testado, foi o uso de garrafa PET descartável ou retornável, de refrigerantes de cola, com capacidade de 0,6 L, válvula de escape na horizontal e tamanho de furo da tampa da garrafa de 25 mm.

2. É possível, utilizando-se a característica selecionada, recalcar 1000 L dia^-1 de água limpa para a soma de desnível e perdas de carga na tubulação de recalque até 50 m.

3. O rendimento apresenta-se inferior a 40% e o desperdício de água superior a 90%, na maioria das condições testadas.

LITERATURA CITADA

Protocolo 070.06 - 03/07/2006 - Aprovado em 23/03/2007

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• Zárate Rojas, R. N. Modelagem, otimização e avaliação de um carneiro hidráulico. Piracicaba:ESALQ, 2002. 70p. Tese Doutorado

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  23 Ago 2007
• Data do Fascículo
  Ago 2007

Histórico

• Aceito
  23 Mar 2007
• Recebido
  03 Jul 2006