CONSTRUÇÃO E AVALIAÇÃO DE CARNEIROS HIDRÁULICOS. Nyara Regina Grando Borzi 1, Giuliani do Prado 2 CONSTRUCTION AND EVALUATION OF HYDRAULIC RAMS

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1 Revsta Braslera de Agrcultura Irrgada v.2, nº.5, p , 208 ISSN (On-lne) Fortaleza, CE, INOVAGRI ttp:// DOI: 0.727/rba.v2n Protocolo /04/208 Aprovado em 4/09/208 CONSTRUÇÃO E AVALIAÇÃO DE CARNEIROS HIDRÁULICOS Nyara Regna Grando Borz, Gulan do Prado 2 RESUMO O trabalo fo conduzdo na Unversdade Estadual de Marngá, em Cdade Gaúca/PR, e obetvou construr e avalar o desempeno de carneros dráulcos. Foram construídos carneros dráulcos de dos tamanos (¾ e ) empregando conexões de PVC e válvulas de bronze. As condções operaconas dos equpamentos ensaados foram consttuídas por: ) três volumes de câmara de ar (0,5;,0 e; L) e; ) dos posconamentos da válvula de escape (vertcal e orzontal). Nos ensaos, para uma carga dráulca () constante de um metro sob o carnero, foram determnadas: a vazão de almentação, a pressão de recalque (H) e a vazão de elevação (q). Os valores da relação H/ e q foram empregados para construr curvas característcas, que apresentaram um decrescmento de q como o aumento da H/. O volume de câmara de ar não apresentou nfluênca no desempeno dos carneros dráulcos. Entretanto, a orentação orzontal da válvula de escape, em relação a vertcal, proporconou um acréscmo 7, e 24,2% na vazão méda de elevação, respectvamente, para os carneros dráulcos de ¾ e. O rendmento global médo fo de 3,25 a 3,54% para o carnero dráulco de ¾ e de 23,9 a 27,77% para o de. Assm, a opção construtva de carnero dráulco de, combnado com válvula de escape na orzontal e câmara de ar de 0,5 L, apresentou-se como a melor alternatva. Palavras-Cave: vazão de elevação, altura de elevação, câmara de ar, válvula de escape. CONSTRUCTION AND EVALUATION OF HYDRAULIC RAMS ABSTRACT Te work was carred out at te State Unversty of Marngá, n Cdade Gaúca/PR cty, and t amed to buld and evaluate te performance of ydraulc rams. Two szes (¾ and n) of ydraulc rams were bult usng PVC connectons and brass valves. Te operatonal condtons of te tested equpment were: ) tree volumes of ar camber (0.5,.0 and 2.0 L) and; ) two mpulse valve postons (vertcal and orzontal). In te tests, for a constant supply ead () of one meter under te ydraulc ram, were determned: te supply flow, te Engenera Agrícola, Departamento de Engenara Agrícola da Unversdade Estadual de Marngá, Cdade Gaúca-PR, CEP: , e-mal: nyaraborz@otmal.com. 2 Engenero Agrônomo, Professor Assocado A do Departamento de Engenara Agrícola da Unversdade Estadual de Marngá, Cdade Gaúca-PR, CEP: , e-mal: gprado@uem.br.

2 Borz et al 2955 delvery ead (H) and te delvery flow (q). Te relatonsp values of H/ and q were used to set caracterstc curves, wc presented a decrease n q wt te ncreasng of H/. Te ar camber volume ad no nfluence on te performance of te ydraulc rams. However, te orzontal poston of te mpulse valve, n relaton to te vertcal poston, provded an ncrease of 7. and 24.2% n te average delvery flow, respectvely, for ydraulc rams szes of ¾ and n. Te average effcency was from 3.25 to 3.54% for te ydraulc ram of ¾ n and from 23.9 to 27.77% for te ydraulc ram of n. Tus, te opton of a ydraulc ram sze of n, combned wt a orzontal mpulse valve and an ar camber of 0.5 L, led to te best results. Keywords: delvery flow, delvery ead, ar camber, mpulse valve INTRODUÇÃO A dsponbldade ídrca de um país está dretamente relaconada com os eventos de precptação (ARAI et al., 202). Em dversos locas no mundo, as comundades stuam-se em cotas mas altas que as fontes de captação de água, avendo a necessdade de bombeamento. Em geral, a elevação de água para abastecmento pode vr de bombas dráulcas aconadas por motores a combustão ou elétrcos (PERRONI et al., 20), porém no contexto partcular de zonas ruras e países subdesenvolvdos sso é mas lmtado. Em mutos destes países á ausênca de rede elétrca ou de abastecmento rural, anda quando presente, os usuáros se deparam quanto a problemas de custos e manutenção (GABRIEL FILHO et al., 202). Em séculos anterores a nvenção de motores a combustão ou mesmo da cegada de eletrcdade nas fazendas, o carnero dráulco fo utlzado em város locas para elevação de água de ros e poços até pontos mas altos (DIWAN et al., 206). Atualmente encontramse nos mercados as mas dversas alternatvas com relação ao desempeno e efcáca de bombas, sendo a bomba de carnero dráulco comumente utlzada para abastecer uma pequena propredade rural, podendo ser adqurda pronta no mercado ou fabrcadas (ABADE; BROTREL, 2002; CARARO et al., 2007). De acordo com Verspuy e Tsselng (993), Flpan et al. (2003) e Hussn et al. (207), a bomba de carnero dráulco utlza a própra energa dráulca para elevar a água até uma colna, csterna ou caxa d água. Estas bombas são capazes de elevar, geralmente, cerca de 0 a 5 por cento da água recalcada, esse pequeno fluxo contínuo de água adconase 24 oras por da (AZEVEDO NETTO et al., 998; ROJAS, 2002). Carneros dráulcos artesanas têm sdo empregados como formas alternatvas e sustentáves de abastecmento de água (CARARO et al., 2007; CARVALHO et al., 206). No entanto, não se encontram mutas lteraturas com dados de análses técncas desses equpamentos. Assm, o presente trabalo teve como obetvo montar e avalar o desempeno de carneros dráulcos operando com válvula de escape posconada em dreções dstntas (vertcal e orzontal) e com câmaras de ar com dferentes volumes (0,5;,0 e; 2 L). MATERIAL E MÉTODOS O trabalo fo realzado no Laboratóro de Hdráulca do Departamento de Engenara Agrícola na Unversdade Estadual de Marngá, em Cdade Gaúca, Paraná, com carneros dráulcos de dos tamanos (¾ e ), construídos com válvulas de bronze (válvula de pé e retenção) e conexões de PVC (Fgura ). Os carneros dráulcos foram avalados com a válvula de escape posconada na dreção vertcal e orzontal (Fgura ) e operando com três câmaras de ar de dferentes volumes (0,5;,0 e; 2 L). Essas câmaras de ar foram construídas com conexões e segmentos de tubos de PVC marrom de 60 mm de dâmetro. Rev. Bras. Agrc. Irr. v. 2, nº 5, Fortaleza, p , Jul - Ago, 208

3 CONSTRUÇÃO E AVALIAÇÃO DE CARNEIROS HIDRÁULICOS 2956 A. B. Fgura. Detales construtvos dos carneros dráulcos avalados na posção vertcal (A.) e orzontal (B.) Para avalação dos carneros dráulcos fo construída uma bancada (Fgura 2) consttuída de dos tubos de PVC com 200 mm de dâmetro. Um segmento de tubo, com,2 m de altura (reservatóro de almentação), assentado em bloco de concreto, servu para almentar o carnero dráulco, outro segmento de tubo, com 3,2 m de comprmento (reservatóro de recalque), também assentado em bloco de concreto, servu para mensurar a vazão de elevação do carnero dráulco. Ao longo dos ensaos, o nível de água do reservatóro de almentação (Fgura 2) fcou mantdo de forma constante, por meo de um sstema de boa e com uma carga dráulca de um metro acma do carnero dráulco. Para o fornecmento de água desse reservatóro fo empregado uma tubulação de PVC de, na qual fo nstalada um drômetro para mensurar a vazão de almentação do carnero dráulco, dada por: ( v f - v ). 000 Q = () T em que: Q é a vazão de almentação do carnero dráulco (L mn - ); vf o volume fnal no drômetro (m³); v o volume ncal no drômetro (m³) e; T o tempo (mn). Rev. Bras. Agrc. Irr. v. 2, nº 5, Fortaleza, p , Jul - Ago, 208

4 Borz et al 2957 Reservatóro de recalque Tomada de pressão Carnero dráulco Regstro para nterromper fluxo Reservatóro de almentação Hdrômetro Fgura 2. Bancada construída para ensaos dos carneros dráulcos. Na condução de água do reservatóro de almentação ao carnero dráulco (Fgura 2) fo empregado uma tubulação de PVC roscável de ¼ com 5 m de comprmento. Com o ntuto de nterromper o fluxo de água, para troca ou manutenção do carnero dráulco, fo usado um regstro de esfera de PVC de ¼. A usante ao carnero dráulco fo acoplada uma tubulação roscável de ¾ para o recalque de água. Nessa tubulação fo nserda uma tomada de pressão (Fgura 2), em um treco retlíneo e dstante a pelo menos 6 vezes o dâmetro do tubo de qualquer elemento perturbador. No controle da pressão de recalque, mensurada com auxílo de manômetro dgtal, fo empregado um regstro de gaveta para smular dferentes condções de altura de elevação. No reservatóro para a coleta da vazão de recalque, foram dspostas duas entradas de águas, posconadas a dos e três metros de altura em relação a base do carnero dráulco (Fgura 2). Para a condução dos ensaos fo utlzada somente a entrada de água a dos metros de altura, a outra entrada de água fo solada com auxlo de regstro de esfera e tem apenas fnaldades ddátcas. Para a determnação da vazão elevada pelo carnero dráulco (Eq. 2), no reservatóro de recalque, com dâmetro nterno de 0,97 m, fo alocado um pezômetro, na dreção oposta das entradas de águas. A vazão perdda pelo carnero dráulco (Qp) representa a dferença entre a vazão de almentação (Q) menos a vazão de recalque (q). ( f ) 000 S q = (2) t em que: q é a vazão de elevação (L mn - ); S a área da seção transversal nterna do tubo do reservatóro de recalque (m²); f o nível de água fnal no reservatóro (m); o nível de água ncal no reservatóro (m); t o tempo de coleta de água (mn). O sstema colocado em funconamento e com a carga dráulca no reservatóro de almentação gual a um metro fo regulada a pressão de recalque no manômetro dgtal, com auxílo de regstro de gaveta, e o número de batdas por mnuto (bpm) da válvula de escape, com o auste da tensão da mola para valores entre 75 e 85 bpm (ABATE; BOTREL, 2002). Na condução dos ensaos, para cada bomba carnero dráulco (¾ e ), com válvula de escape posconada vertcalmente e orzontalmente e combnada com cada câmara de ar (0,5; e; 2 L), foram determnados valores com dferentes pressões de recalque. Para cada pressão de recalque, dadas pelo fecamento parcal do regstro de gaveta, foram Rev. Bras. Agrc. Irr. v. 2, nº 5, Fortaleza, p , Jul - Ago, 208

5 CONSTRUÇÃO E AVALIAÇÃO DE CARNEIROS HIDRÁULICOS 2958 meddas a vazão de almentação (Q) e a vazão de elevação (q). Os valores levantados nos ensaos dos carneros dráulcos foram empregados para construr curvas de desempeno que relaconam vazão de recalque (q) versus a relação entre altura de elevação (H) e carga dráulca a montante (). Para determnar qualquer valor de H/, ao longo da faxa de vazão de elevação (q) determnada nos ensaos, fo empregado o nterpolador splne cúbco, dado por: H 2 3 ( q) = a + b ( q q ) + c ( q q ) + d ( q q ) sendo = 0,,..., n - (3) em que, n é o número de pares de valores da vazão de elevação (q) versus a relação entre altura de elevação e abastecmento de água (H/) e; a, b, c e d coefcentes de auste, dentfcados pelo índce, do nterpolador splne cúbco. Os coefcentes de auste (a, b, c e d) do nterpolador splne cúbco podem ser obtdos com o auxlo do algortmo descrto por Burden e Fares (2003), dado por: ENTRADA: n; q0, q,..., qn; H/(q)0, H/(q),..., H/(q)n; Passo : Para = 0,,..., n faça: = q+ q Passo 2: Para = 0,,..., n faça: α = ( a a ) ( a a ) Passo 3: Faça: l0 = ; µ0 = ; z0 = Passo 4: Para =, 2,..., n faça: l µ z = 2 = l = ( q q ) ( α z ) ; + l µ ; Passo 5: Faça: ln = ; cn = 0; zn = 0 Passo 6: Para = n -, n - 2,..., 0 Rev. Bras. Agrc. Irr. v. 2, nº 5, Fortaleza, p , Jul - Ago, 208

6 Borz et al 2959 faça: c b d = z = = µ ( a a ) ( c + 2 c ) + ( c c ) + 3 c + ; + 3 ; SAÍDA: a, b, c e d, para = 0,,..., n A relação entre a vazão de elevação (q) e a vazão de almentação (Q) representa o rendmento volumétrco do carnero dráulco (Eq. 4). Já a razão entre o produto da vazão de recalque (q) e a altura de elevação (H) pelo produto da vazão de almentação (Q) e a carga a montante () representa o rendmento global (AZEVEDO NETTO et al., 998), calculado pela Equação 5. Esses valores de rendmento volumétrco e global foram apresentados em termos médos com os respectvos coefcentes de varação. η = q v Q (4) q H η g = (5) Q em que: ηv é o rendmento volumétrco (decmal); ηg o rendmento global (decmal); H a altura geométrca de elevação (m) e; a carga dráulca a montante (m). RESULTADOS E DISCUSSÃO Na Fgura 3 podem ser observados os desempenos representatvos da relação de altura de elevação (H) por desnível geométrco () versus vazão de elevação (q), para os dos carneros dráulcos avalados (¾ e ) e com a válvula de escape dsposta em dferentes posções (vertcal e orzontal). Essas curvas foram obtdas para os carneros dráulcos operando com um número de batdas que varou entre 78 e 82 golpes por mnuto. Ao analsar as curvas de desempeno dos carneros dráulcos avalados (Fgura 3), observou-se que, com ncrementos na vazão de elevação (q), á uma redução na altura de elevação (H/), com taxas (ΔH//Δq) de decréscmo quase que constantes. Abade e Botrel (2002) e Carvalo et al. (206), na avalação do desempeno de carneros dráulcos, também observaram esse comportamento nas curvas característcas levantadas e austaram, respectvamente, equações exponencas e lneares para determnar os valores na curva. Entretanto, com a dsponbldade de aplcatvos computaconas e a programação, o uso de nterpoladores para determnação de valores ntermedáros não ensaados, pode proporconar uma maor precsão dos valores obtdos (PRADO; BARROS, 203). Rev. Bras. Agrc. Irr. v. 2, nº 5, Fortaleza, p , Jul - Ago, 208

7 CONSTRUÇÃO E AVALIAÇÃO DE CARNEIROS HIDRÁULICOS 2960 H/ (m m - ) 3/4" vertcal H/ (m m - ) 3/4" orzontal 0,5 L L 2 L Méda,0,0 H/ (m m - ) 0,3 0,6 0,9,2,5 q (L mn - ) 8,0 7,0,0 " vertcal 0,5,0,5 2,5 3,5 q (L mn - ) H/ (m m - ) 0,3 0,6 0,9,2,5 q (L mn - ) 8,0 7,0,0 " orzontal 0,5,0,5 2,5 3,5 q (L mn - ) Fgura 3. Curvas característcas de altura de elevação por desnível geométrco (H/) versus vazão de elevação (q) dos carneros dráulcos avalados. De modo geral, ao analsar a Fgura 3, pode-se afrmar que a bomba carnero dráulco de dâmetro de teve maor capacdade de vazão e altura de elevação de água do que a bomba de ¾. Nessa Fgura, também se observou que nas curvas característcas de câmaras de ar, em todos os casos, ouve uma proxmdade entre os valores de altura de elevação (H/) para pontos de mesma vazão, possbltando o emprego de uma curva com dados médos. Como a varação dos dados de vazão de elevação, para as três câmaras avaladas, apresentaram pequenas dferenças entre s, é recomendável o emprego da câmara de 0,5 L. Olvera et al. (20) e Hussn et al. (207) verfcaram que carneros dráulcos operando com câmaras de ar com menores volumes, respectvamente 0,6 e,0 L, proporconaram maores vazões elevadas, em relação a carnero dráulcos com câmaras de maores volumes. Carvalo et al. (206) também verfcaram que carneros dráulcos operando com câmara de ar com volume de 0,6 e,0 L proporconaram melores resultados. Entretanto, ao avalar a bomba carnero dráulco com a câmara de ar de 0,25 L, esses autores constataram que ouve uma redução no desempeno do equpamento. Na avalação dos carneros dráulcos (¾ e ), em relação ao posconamento da válvula de escape, verfcou-se que alocando a válvula de escape orzontalmente proporconou um ncremento na vazão para a mesma altura de elevação (Fgura ). Em méda, o posconamento orzontal da válvula de escape gerou um aumento na vazão de elevação (q), representada pela dferença entre a vazão de almentação (Q) e a desperdçada (Qp), de 5 e 0,37 L mn -, respectvamente, para os carneros dráulcos de ¾ e (Tabela ). Rev. Bras. Agrc. Irr. v. 2, nº 5, Fortaleza, p , Jul - Ago, 208

8 Borz et al 296 Tabela. Valores médos de vazão de almentação (Q), vazão desperdçada (Qp), rendmento volumétrcos (ηv) e coefcentes de varação para as dferentes condções de ensaos dos carneros dráulcos. Posção Dâmetro Q CV Q Qp CV Qp ηv CV ηv (L mn - ) (%) (L mn - ) (%) (%) (%) Vertcal ¾ 3,39 4,95 2,69 4 5, ,6 8,54 3,23 7,66 43,3 Horzontal ¾ 5,2 7,56 4,37 8,76 37,44 2 8,29 9,2 0,83 9,5 49,43 Cararo et al. (2007) e Intacot et al. (205), ao avalarem carneros dráulcos quanto ao posconamento da válvula de escape, também verfcaram que o posconamento orzontal da válvula leva a um melor desempeno desse tpo de bomba dráulca. Conforme os mesmos autores, esse melor desempeno fo resultante da menor resstênca (perda de carga) oferecda ao movmento água. Todava, Cararo et al. (2007) salentaram que a orentação orzontal da válvula de escape pode gerar um número maor de golpes, nduzndo a uma menor vda útl dessa peça e do equpamento. As vazões médas de almentação e desperdçada, ndependente da condção operaconal do carnero, apresentaram, respectvamente, valores que vararam entre 3,39 a 2 L mn - e 2,69 a 9,2 L mn - (Tabela ). A dferença entre essas vazões proporconou uma vazão méda de elevação que varou entre 0,70 a,90 L mn -. Azevedo Netto et al. (998) menconaram que carneros dráulcos ndustras de fabrcação braslera apresentam uma faxa de vazão de almentação entre 5 a 50 L mn -, podendo elevar de 0,7 a 3,33 L mn -. Os rendmentos volumétrcos médos (Tabela ) dos carneros dráulcos vararam entre a 9,5%, denotando uma grande perda de água. De acordo com Intacot et al. (205), carneros dráulcos apresentam grande desperdíco de água e elevam apenas 0% da vazão de almentação. Conforme esses autores, em regões onde á restrções de água, deve-se construr um sstema para aprovetamento da vazão perdda pelo carnero dráulco. Na Fgura 4 podem ser observadas as relações entre o produto da vazão e altura de elevação (q H) versus o produto da vazão e altura de almentação (Q ) dos carneros dráulcos, para as dferentes condções operaconas. As declvdades das retas representam o rendmento global (ηg) médo dos carneros dráulcos, que apresentaram varações entre 3,25 a 3,54% e 23,9 a 27,77%, respectvamente, para os dâmetros dos carneros de ¾ e. O carnero dráulco com dâmetro de apresentou rendmentos globas médos dentro da faxa de valores (20 a 70%) apresentada por Azevedo Netto et al. (998), sendo uma melor opção construtva que o equpamento de ¾. Entretanto, Cararo et al. (2007), ao avalarem um carnero dráulco de ¾ para dferentes condções operaconas, observaram rendmentos globas compreenddos entre 0 a 60%. Rev. Bras. Agrc. Irr. v. 2, nº 5, Fortaleza, p , Jul - Ago, 208

9 CONSTRUÇÃO E AVALIAÇÃO DE CARNEIROS HIDRÁULICOS ,5 3/4" vertcal 2,5 3/4" orzontal q H (L mn - m) q H (L mn - m),5,0 0,5 y = 0,325x Q (L mn - m) 8,0 7,0,0 " vertcal y = 0,239x Q (L mn - m) q H (L mn - m) q H (L mn - m),5,0 0,5 y = 0,354x Obs Q (L mn - m) 8,0 7,0,0 " orzontal y = 0,2777x Q (L mn - m) Fgura 4. Produto da vazão de almentação e carga dráulca a montante (Q ) versus o produto da vazão de elevação e altura de recalque (q H) para dferentes condções de operação dos carneros dráulcos. Est CONCLUSÕES Com base nos resultados obtdos concluse que: ) o carnero dráulco de dâmetro de apresentou melor desempeno que o de ¾ ; ) os volumes de câmaras de ar (0,5,,0, L) nos carneros dráulcos proporconaram desempenos semelantes e; ) o posconamento orzontal da válvula de escape resultou em melores condções operaconas dos carneros dráulcos. REFERÊNCIAS ABATE, C.; BOTREL, T. A. Carnero dráulco com tubulação de almentação em aço galvanzado e em PVC. Scenta Agrícola, v.59, n., p , ttp//do: 0.590/S ARAI, F. K.; PEREIRA, S. B.; GONÇALVES, G. G. G. Caracterzaton of water avalablty n ydrograpc basn. Engenara Agrícola, v.32, n.3, p.59-60, 202. ttp://do: 0.590/S AZEVEDO NETTO, J. M.; FERNANDEZ, M. F.; ARAUJO, R.; ITO, A. E. Manual de dráulca Azevedo Netto. 8. ed. São Paulo: Edgard Blücer, p. BURDEN, R. L.; FAIRES, J. D. Análse numérca. São Paulo: Ponera Tomson Learnng, p. CARARO, D. C.; DAMASCENO, F. A., GRIFFANTE, G.; ALVARENGA, L. A. Característcas construtvas de um carnero dráulco com materas alternatvos. Revsta Braslera de Engenara Agrícola e Ambental, v., n.4, p , ttp://do: 0.590/S CARVALHO, J. J.; SAAD, J. C. C.; SILVA, N. F.; CUNHA, F. N.; TEIXEIRA, M. B.; CAMPOS, M. S.; BARBOSA, R. Z. Performance of a water ram bult wt dsposable bottles. Afrcan Journal of Agrcultural Researc, v., n.34, p , 206. ttp://do:0.5897/aar Rev. Bras. Agrc. Irr. v. 2, nº 5, Fortaleza, p , Jul - Ago, 208

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