Com objetivo de entregar segurança, prevendo dispositivos de proteção necessários, é de extrema importância que durante a concepção de uma rede os transientes hidráulicos sejam estudados e quantificados, principalmente nos casos onde as canalizações serão operadas por bombeamento (recalque).
O estudo do transiente hidráulico é importante, pois no momento em que a velocidade de um fluido é modificada, acontece uma violenta variação de pressão. Este fenômeno transitório aparece geralmente no momento de uma intervenção em um aparelho da rede, como por exemplo bombas, válvulas, etc. Durante esta situação, ondas de sobrepressão e de subpressão se propagam ao longo da canalização a uma velocidade “a”, chamada velocidade de onda.
Os transientes hidráulicos podem acontecer também nas canalizações por gravidade, sendo suas principais causas a partida e a parada de bombas, o fechamento de válvulas, aparelhos de incêndio ou lavagem de forma brusca, a presença de ar e a má utilização dos aparelhos de proteção.
Em casos críticos, as sobrepressões podem acarretar na ruptura de certas canalizações que não apresentam coeficientes de segurança suficientes, como por exemplo canalizações em plástico. Já as subpressões podem originar cavitações perigosas para as canalizações, aparelhos e válvulas, como também o colapso (canalizações em aço ou plástico).
AVALIAÇÃO SIMPLIFICADA
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Velocidade da onda:
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| Sobrepressão e subpressão: |
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(ALLIEVI) Fórmula 1 |
| (ALLIEVI) Fórmula 2 |
Onde:
a: velocidade da propagação (m/s)
r: massa específica da água (1000kg/m3)
e: módulo de elasticidade da água (2,05 x 109N/m2)
E: módulo de elasticidade do material da canalização (ferro fundido dúctil: 1,7 x 1011/m2) = 170.000 MPa (NBR 7675)
D: diâmetro interno (m)
e: espessura da canalização (m)
ΔV: valor absoluto da variação das velocidades em regime permanente antes e depois do golpe de ariete (m/s)
ΔH: valor absoluto da variação da pressão máxima em torno da pressão estática normal (m.c.a.)
L: comprimento da canalização (m)
t: tempo de fechamento eficaz (s)
g: aceleração da gravidade (9,81m/s2)
Na prática, a velocidade da onda da água nos tubos de ferro dúctil é de 1200m/s. A fórmula 1 leva em consideração uma variação rápida da velocidade de escoamento:
Já a fórmula 2 leva em consideração uma variação linear da velocidade de escoamento em função do tempo (Como por exemplo em função de uma lei de fechamento de uma válvula):
A pressão varia de ± ΔH em torno da pressão estática normal. Este é o valor máximo para o fechamento instantâneo de uma válvula, por exemplo.
Estas fórmulas simplificadas dão uma avaliação máxima do transiente hidráulico e devem ser utilizadas com prudência. Elas supõem que a canalização não está equipada com dispositivo de proteção e que as perdas de carga são desprezíveis. Por outro lado, não consideram fatores limitantes, como o funcionamento das bombas como turbinas ou a pressão do vapor saturado na subpressão.
Exemplo:
Canalização DN 200, K9,
Comprimento 1000m,
Recalcando a 1,5m/s: a = 1200m/s
• Caso n°1: Parada brusca de uma bomba (perdas de carga desprezíveis, nenhuma proteção antigolpe de ariete):
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ΔH = ±
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= 183m (ou pouco mais de 1,8MPa)
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• Caso n°2: Fechamento brusco de uma válvula (tempo eficaz de três segundos):
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ΔH = ±
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= 102m (ou seja pouco mais de 1,0MPa)
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Para ter uma avaliação completa, o método gráfico de BERGERON permite determinar com precisão as pressões e vazões em função do tempo e em todos os pontos de uma canalização submetida a um golpe de ariete.
As proteções necessárias à canalização para limitar um transiente hidráulico a um valor admissível, são diferentes e adaptáveis a cada caso. Elas agem tanto amenizando a modificação da velocidade do fluido, quanto limitando a sobrepressão em relação à depressão. Para isso, o projetista deve determinar a amplitude da sobrepressão e da subpressão criada pelo transiente hidráulico e julgar, a partir do perfil da canalização, qual tipo de proteção que deve ser adotada: volante de inércia na bomba, válvula de alívio, válvula antecipadora de onda, válvula controladora de bomba, chaminé de equilíbrio, tanque de alimentação unidirecional (TAU) ou tanque hidropneumático (RHO).
IMPORTANTE:
As canalizações em ferro dúctil têm uma reserva de segurança significativa tanto na sobrepressão quanto na subpressão:
• Sobrepressão: a reserva de segurança dos tubos permite um aumento de 20% da pressão de serviço admissível para as sobrepressões transitórias;
• Subpressão: a junta garante a estanqueidade face ao exterior, mesmo em caso de vácuo parcial na canalização.
Nos casos em que os dispositivos de proteção não estejam previstos, as canalizações em ferro dúctil também apresentam uma reserva de segurança suficiente para suportar as sobrepressões acidentais.
