TCC - Edgar Henrique Silva Barbosa 1...LL $JUDGHFLPHQWRV 3ULPHLUDPHQWH j 'HXV TXH SRVVLELOLWRX PLQKD...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CURSO

FABRICAÇÃO E ESTUDO DE UM CARNEIRO

HIDRÁULICO DE BAIXO CUSTO

EDGAR HENRIQUE SILVA BARBOSA


CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSODE ENGENHARIA MECÂNICA




NATAL- RN, 2018


ENGENHARIA MECÂNICA





CURSO





CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSODEENGENHARIA MECÂNICA




Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao curso de Engenharia

Mecânica da Universidade Federal do

Rio Grande do Norte como

requisitos para a obtenção do título de

Engenheiro Mecânico, orientado pelo

Prof. Dr. Luiz Guilherme M de Souza

NATAL - RN

2018


ENGENHARIA MECÂNICA




Trabalho de Conclusão de Curso

urso de Engenharia

Mecânica da Universidade Federal do

Rio Grande do Norte como parte dos

para a obtenção do título de

, orientado pelo

Luiz Guilherme M de Souza.

i

Dedico

Aos meus pais, Wolban Gomes Barbosa e

Lucineide Cristina da Silva Barbosa, que me

deram os ensinamentos necessários para

que eu me tornasse um cidadão de bem, a

minha namorada, Karla Alves Araújo, que

está sempre ao meu lado, a minha irmã,

Anna Wanessa Silva Barbosa, e aos meus

amigos.

ii

Agradecimentos

Primeiramente à Deus que possibilitou minha jornada até aqui, me dando

coragem e força para enfrentar os obstáculos e dificuldades para conseguir realizar

meus sonhos.

Aos meus pais, Wolban Gomes Barbosa e Lucineide Cristina da Silva

Barbosa, por estarem sempre ao meu lado, me ajudando nas decisões, me dando os

sinceros conselhos e me apoiando incondicionalmente.

À minha namorada, Karla Alves Araújo, que me deu o devido apoio para ir

em busca do meu objetivo.

À minha irmã, Anna Wanessa Silva Barbosa.

Aos meus colegas e amigos de curso, pelos dias de estudo e cooperação.

Ao meu orientador Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza, que aceitou

esse desafio, me ajudando com sua experiência e me capacitando para a realização

deste presente trabalho.

iii

BARBOSA, E.H.S..Fabricação e Estudo de um Carneiro Hidráulico de Baixo

Custo.2018. 40 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia

Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2018.

Resumo

A utilização do carneiro hidráulico como opção para bombeamento representa uma das

aplicações hidráulica largamente utilizada, onde se dispõe de uma fonte de água. Este

estudo tem como objetivo a construção de um carneiro hidráulico de baixo custo,

utilizando tubos e conexões de Policloreto de Vinila (PVC). São apresentados os

processos de fabricação e montagem do carneiro hidráulico alternativo. Os testes

realizados foram para três níveis de vazão, e foram determinados os rendimentos

volumétricos e os desperdícios de água. Os valores de vazão volumétrica encontrados

após os experimentos não apresentam discordância dos apresentados pela literatura, que

para carneiros similares, estariam dentro da faixa de 22 a 45litros/min. Ressalte-se o baixo

custo do protótipo fabricado, em torno de 120 reais.

Palavras-chave: Carneiro hidráulico, PVC, baixo custo.

iv

BARBOSA, E. H. S..Manufacture and Study of a low cost Hydraulic Ram. 2018. 40 p.

Conclusion work project (Graduatein Mechanical Engineering) - Federal University of Rio

Grande do Norte, Natal-RN, 2018.

Abstract

The use of hydraulic ram as an option for pumping represents one of the widely

used hydraulic applications, where there is a water source. This study has as objective

build a hydraulic ram, using tubes and connections of Vinyl Polypropylene (PVC). The

manufacturing and assembly processes of the alternative hydraulic ram and test results

that diagnose the feasibility of the proposed and manufactured prototype are presented.

The tests performed were for three flow rates, and the volumetric yields and the water

wastes were determined. The volumetric flow values found after the experiments do not

show a disagreement with those presented in the literature, which for similar hydraulic ram

would be in the range of 22 to 45 liters for min. Highlight the low cost of the manufactured

prototype, around 120 reais.

Keywords: Hydraulic ram, PVC, low cost.

v

Sumário

Dedico ............................................................................................................. i

Agradecimentos............................................................................................ ii

Resumo ........................................................................................................ iii

Abstract ........................................................................................................ iv

Sumário ......................................................................................................... v

1 Introdução .................................................................................................. 1

1.1 Apresentação do trabalho ..................................................................... 1

1.2 Objetivos Gerais .................................................................................... 2

1.3 Objetivos Específicos ............................................................................ 2

2 Revisão Bibliográfica ................................................................................ 3

2.1 Energias Renováveis ............................................................................ 3

2.2 Energia Hidráulica ................................................................................. 5

2.3 Carneiro Hidráulico ............................................................................... 6

2.4 Componentes de um carneiro hidráulico ............................................... 8

2.4.1 Válvula de Sucção ............................................................................. 8

2.4.2 Válvula de Retenção ......................................................................... 9

2.5 Energia Cinética .................................................................................. 11

2.6 Energia Potencial Gravitacional .......................................................... 12

2.7 Policloreto de Vinila (PVC) .................................................................. 13

3 Metodologia.............................................................................................. 14

3.1 Materiais ............................................................................................. 14

3.2 Montagem ........................................................................................... 19

3.3 Ensaios ............................................................................................... 21

4 Resultados e Discussões ....................................................................... 27

5 Conclusões .............................................................................................. 30

5.1 Conclusões ......................................................................................... 30

vi

5.2 Sugestões ........................................................................................... 30

6 Referências .............................................................................................. 31

1

1 Introdução

1.1 Apresentação do trabalho

O carneiro hidráulico ou bomba de aríete é um mecanismo mecânico que trabalha de forma intermitente transportando água de um nível para outro sem a utilização de energia elétrica. Trata-se de um aparelho bastante simples na sua construção e que é bastante utilizado em fazendas.

Uma vez instalado pode operar por 24 (vinte e quatro) horas por dia e tem baixo custo de manutenção, assim como também a baixa necessidade de ocorrer manutenção, podendo assim ter uma vida útil elevada. O aparelho funciona com o golpe de aríete que ocorre quando a água chega numa grande velocidade fazendo com que a válvula de sucção tenha um fechamento abrupto e gerando assim uma sobre pressão o que faz com que a água seja elevada pelo sistema.

A utilização deste aparelho em fazendas é muito comum já que ele é totalmente limpo e não necessita de energia elétrica para seu funcionamento ocorrer. O carneiro trabalha somente com a energia potencial e a energia cinética geradas pela queda d’água.

Como a fonte de energia do carneiro é a água e a mesma é considerada uma fonte renovável de energia pode considerar o carneiro como sendo um mecanismo que não degrada o meio ambiente para realização do seu trabalho. O efeito que o carneiro hidráulico causa ao meio ambiente é mínimo.

O carneiro hidráulico ou bomba de aríete apresenta dois tipos de rendimentos distintos. O rendimento volumétrico, onde é calculado com base nas vazões de alimentação e a vazão de recalque. Normalmente esse rendimento apresenta uma variação entre 30 e 50%.

Já o outro rendimento do carneiro hidráulico é o rendimento de Rankine que é calculado levando em consideração tanto as vazões de alimentação e vazão de recalque como também as alturas dos desníveis do local de alimentação do carneiro até o local onde será depositado a água elevada pelo equipamento. Já esse rendimento costuma ter uma variação entre 50 a 80%.

Neste presente trabalho só iremos abordar o rendimento volumétrico, verificando como se comporta o carneiro hidráulico com a variações das vazões de alimentação, para se chegar a uma conclusão de qual seria uma boa vazão e qual apresentaria um mínimo de desperdício possível.

Este trabalho foi proposto a fim de dissertar sobre como é feita a construção do protótipo, realizar experimentos para verificar seu rendimento volumétrico assim como mostrar a importância de ter instrumentos limpos nos dias atuais.

2

A busca presente nesse trabalho é reduzir o máximo do desperdício já que sempre irá ocorrer uma perda d’água pela válvula de sucção. Também foi verificado qual o melhor rendimento e buscando uma melhor vazão de recalque, pois com a combinação desses três fatores pode ser considerar o carneiro hidráulico bom ou dispensável.

Como é de objetivo do presente trabalho, o custo de construção foi baixo por volta de R$ 120,00 (Cento e vinte reais), pois foi confeccionado com elementos fabricados com o material PVC. Além disso, a válvula de retenção também é fabricada em PVC, assim diminuindo ainda mais o custo do carneiro.

1.2 Objetivos Gerais

Demonstrar a viabilidade de utilização de um carneiro hidráulico de baixo

custo.

1.3 Objetivos Específicos

Projetar o carneiro hidráulico proposto.

Fabricar o carneiro hidráulico a ser estudado.

Testar o carneiro hidráulico fabricado.

3

2 Revisão Bibliográfica

2.1 Energias Renováveis

Umas das fontes renováveis mais presentes em nosso planeta é a água. O

carneiro hidráulico é um mecanismo que utiliza essa fonte para a geração de energia

mecânica para o seu funcionamento, assim como transporta água para o seu destino

final.

Em uma visão holística compreende-se que o termo energia renovável é

amplamente utilizado para expressar e descrever as fontes de energia que estão

disponíveis na natureza na forma cíclica ou continua. Estas fontes de energia

também conhecidas por fontes renováveis podem ser utilizadas na produção de

energia elétrica, gerando assim eletricidade para uma gama de aplicações. A

eletricidade gerada por essas fontes renováveis apresentam diversas finalidades,

como produção de combustíveis, setor industrial, setor agrário, maquinário, uso

diário pela população, entre outras aplicações.

O investimento dos países em busca de ampliar e inserir as fontes

renováveis de energia na matriz energética é primordial e vem crescendo a cada

ano. Visto que as conhecidas fontes não-renováveis como o petróleo, por exemplo,

tem seu esgotamento e um alto grau de poluição do meio ambiente. É de suma

importância o aumento da participação das fontes renováveis de energia na

produção energética de um país já que estas fontes não apresentam esgotamento e

são bem menos poluentes se comparadas às fontes não-renováveis.

As fontes renováveis – eólica, solar, biomassa, pequena central hidrelétrica

(PCH), usinas hidrelétricas - tem contribuído cada vez mais na matriz energética de

um país e assim se tornado uma excelente alternativa ás fontes não-renováveis.

As energias resultantes das fontes renováveis são: energia hidráulica,

energia eólica, energia solar, energia de biomassa. Na energia eólica a fonte

renovável é o vento, onde no Brasil se encontra de forma mais considerável nas

regiões nordeste e sul do país. Os estados brasileiros que apresentam uma maior

potência instalada até fevereiro de 2018 são o Rio Grande do Norte e a Bahia

(Abeeolica, 2018).

4

No que diz respeito à energia hidráulica a sua fonte renovável é a água,

aproximadamente 70% (setenta por cento) do planeta Terra é coberto por água

entre rios, lagos, aqüífero, mares e geleiras. Na energia de biomassa a sua principal

fonte renovável é a matéria orgânica como, por exemplo, a cana de açúcar

Figura 1 – O Sistema elétrico brasileiro

Fonte: Atlas do Brasil, HervéThéry e Neli Aparecida de Melo-Théry

No que diz respeito à energia hidráulica a sua fonte renovável é a água,

aproximadamente 70% (setenta por cento) do planeta Terra é coberto por água

entre rios, lagos, aqüífero, mares e geleiras. Na energia de biomassa a sua principal

fonte renovável é a matéria orgânica como, por exemplo, a cana de açúcar

5

2.2 Energia Hidráulica

A água é um recurso natural de suma importância para o desenvolvimento

rural do nosso país. Pois o trabalhador rural necessita de água para a sua

sobrevivência assim como a sobrevivência dos animais de suas criações, para a

agricultura de comercio e também para a agricultura de subsistência.

O recurso natural que se apresenta com maior abundancia em nosso

planeta é a água. Mais de 70% (setenta por cento) da Terra é coberto por água, não

obstante quase que a totalidade da água disponível está nos oceanos. O restante de

água disponível se encontra em rios, lagos e geleiras.

Desta forma, para a produção de energia elétrica através da força da água,

utiliza-se ainda que de forma menor a força das marés. A energia elétrica é gerada

através das águas de rios e lagos, porém nem toda essa água pode ser empregada

já que o rio ou lago deve apresentar um acentuado desnível e/ou grande vazão, pois

essas características são de suma importância para que haja geração de energia

mecânica para mover as turbinas nas hidroelétricas.

Entretanto, em alguns locais do planeta a água sofre um esgotamento em

algum período de tempo, já que para manutenção dos níveis de água em um

reservatório é necessário que se tenha chuva no local a fim de manter o reservatório

em seu nível normal.Com o crescimento da participação de novas fontes de energia

nas matrizes energéticas dos países, houve certo decréscimo da energia hidráulica

entre as fontes renováveis para a geração de eletricidade.

Debruçando-se pela história, constata-se que a primeira hidroelétrica

construída no mundo foi na queda d’água das Cataratas do Niágara no final do

século XIX, quando as pesquisas sobre a utilização do petróleo como fonte de

energia ainda estava no começo e a fonte utilizada na época era a do carvão. No

Brasil, a primeira hidroelétrica foi construída para aproveitar a água disponível do

Ribeirão do Inferno afluente do rio Jequitinhonha na época do reinado de D. Pedro II.

Nos últimos anos os países que tem mais produzido energia elétrica através da força

da água é a China e o Brasil.

Para a classificação das hidrelétricas é levado em consideração a altura de

queda d’água, vazão, tipo de turbina utilizada para geração de energia, capacidade

6

de geração ou potência instalada, localização do reservatório, reservatório e tipo de

barragem. A vazão e queda d’água vão sofrer influência do local de construção da

usina. Quanto o que diz respeito a classificação dos reservatórios existem dois

tipos: acumulação e fio d’água. O tipo fio d’água é o que menos sofre com danos

ambientais, já que geram energia com um fluxo de água do rio, assim com o mínimo

ou nenhum acúmulo de recurso hídrico, além de reduzirem áreas de alagamentos e

não formarem reservatórios para estocar água.

A estrutura de uma usina hidroelétrica é composta por barragem, sistema de

captação e adução de água, casa de força e vertedouro, todo esse conjunto

funciona de maneira integrada. Os sistemas de captação e adução são formados por

túneis onde estão localizadas as turbinas que por sua vez estão ligadas a um

gerador.

As turbinas têm como função converter a energia cinética em energia

elétrica por meio de geradores que produzem eletricidade. Os principais tipos de

turbinas são: Pelton, Kaplan, Francis e Bulbo. As do tipo Bulbo são utilizadas em

usinas de fio d’água. Já os vertedouros são utilizados em épocas de fortes chuvas e

quando o reservatório chega ao seu limite afim de evitar enchentes em regiões

periféricas as da usina.

A Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), classifica as usinas de 3

(três) maneiras: Centrais Geradores Hidrelétricas (com até 1MW de potência

instalada), Usinas Hidrelétrica de Energia (UHE, com mais de 30MW) e Pequenas

Centrais Hidrelétricas (entre 1,1 MW e 30MW).

2.3 Carneiro Hidráulico

A invenção do carneiro hidráulico foi feita em 1796 e é atribuída ao francês

Joseph Michal Montgolfier (CARVALHO, 1998), que ficou mais conhecido pela

invenção do balão de ar quente. O carneiro hidráulico consegue elevar água de uma

região com um determinado desnível para outra região. O seu funcionamento ocorre

pelo efeito do golpe de aríete que cria uma pressão que transfere parte do fluxo de

água.

A grande vantagem de se fabricar e na utilização de um carneiro hidráulico

consiste no seu baixo custo e a não necessidade de utilização de energia elétrica.

Em regiões do país menos favorecidas e

elétrica o carneiro hidráulico aparece como uma forma de se obter um transporte de

água para o abastecimento de diversos locais.

O carneiro hidráulico

necessidade de energia elétrica somente

também tem basto custo de produção, pouca manutenção e bastante utilizado no

meio rural, pois possibilita o abastecimento de água nas fazendas.

instalado o carneiro pode ser mantido em funcionamento durante 24 (vinte e quatro)

horas por dia.

O funcionamento do carneiro

que vem do local de abastecimento do carneiro, ganha velocidade até chegar ao

aríete hidráulico e empurra o êmbolo da válvu

forma rápida e criando assim uma sobre pressão em toda a base do carneiro, para

esse acontecimento se dá o nome de golpe de aríete. A onda de sobre pressão ao

voltar pela tubulação abre a válvula interna do carneiro fazendo

entre pela campânula (região de tubo de PVC com 40 centímetros de altura)

comprimindo o ar em seu interior.

Figura 2 - Ilustração de funcionamento de um carneiro hidráulico

Em regiões do país menos favorecidas e com falta de abastecimento de

idráulico aparece como uma forma de se obter um transporte de

água para o abastecimento de diversos locais.

O carneiro hidráulico apresenta um funcionamento bastante simples

necessidade de energia elétrica somente com as energias cinéticas da água,

basto custo de produção, pouca manutenção e bastante utilizado no

meio rural, pois possibilita o abastecimento de água nas fazendas.


O funcionamento do carneiro hidráulico se dá da seguinte maneira: a água


aríete hidráulico e empurra o êmbolo da válvula externa, fechando a mesma de



voltar pela tubulação abre a válvula interna do carneiro fazendo


comprimindo o ar em seu interior.

Ilustração de funcionamento de um carneiro hidráulico

Fonte: UFLA

7

com falta de abastecimento de energia

idráulico aparece como uma forma de se obter um transporte de

bastante simples sem

com as energias cinéticas da água,

basto custo de produção, pouca manutenção e bastante utilizado no

meio rural, pois possibilita o abastecimento de água nas fazendas. Uma vez


hidráulico se dá da seguinte maneira: a água


la externa, fechando a mesma de



voltar pela tubulação abre a válvula interna do carneiro fazendo com que a água


Ilustração de funcionamento de um carneiro hidráulico

8

Sucessivamente, quando o ar no interior da campânula começa a se

descomprimir ele empurra a água novamente para baixo, a água sairá pela abertura

de abastecimento do reservatório a ser preenchido, isso ocorre, pois a válvula

interna não deixa que a água volte para a tubulação ligada ao abastecimento.

A campânula pode ser fabricada com diversos materiais, o PVC foi utilizado

para a construção do carneiro hidráulico proposto neste trabalho, mas também

podemos substituir, por exemplo, por uma garrafa pet.

Para se ter um bom funcionamento do carneiro hidráulico é necessário

respeitar as seguintes condições: evitar corpos estranhos no interior do carneiro,

sempre antes de começar a operar deve-se retirar o ar do seu interior, regular para

que os golpe de aríete não ocorra com uma freqüência muito grande pois pode

desgastar precocemente a válvula e utilizar um bom apoio para sustentar o carneiro.

2.4 Componentes de um carneiro hidráulico

2.4.1 Válvula de Sucção

A válvula de Sucção tem como seu funcionamento primordial a retenção de

fluido em refluxo de tubulações verticais. Ela é ideal para o uso na extremidade da

tubulação de sucção de bombas centrífugas em poços. No caso do carneiro

hidráulico esta válvula sofre uma adaptação para que proporcione o golpe de aríete.

Figura 3 – Válvula de Sucção.

9

Na figura 3 acima podemos ter uma visão da válvula de sucção antes de

sofrer a adaptação necessária para a geração do golpe.

Já na figura 4 abaixo, temos a válvula de sucção já aberta e também

podemos observar o furo feito na parte superior da válvula para que se tenha a

entrada para o parafuso sem fim.

A adaptação feita na válvula é bastante simples, consiste em fazer um furo na

parte superior da válvula a fim de acondicionar um parafuso, com esse parafuso

acrescenta-se 3(três) porcas e uma mola. A montagem tem que ter a seguinte

configuração: a mola ficará na parte interna da válvula e dará 3 (três) voltas no

parafuso e será delimitada por 2 (duas) porcas, na parte externa da válvula se

encontrará o restante do parafuso com mais 1 (uma) porca.

2.4.2 Válvula de Retenção

A válvula de retenção tem como função permitir que o líquido ou o ar flua em

apenas uma direção e evita o fluxo de retorno (fluxo reverso). No caso do carneiro

hidráulico a válvula vai reter a água quando a campânula foi descomprimida.

Após a válvula de sucção gerar o golpe de aríete e a água retornar na

tubulação, a válvula de retenção irá permitir o fluxo de água no sentido de saída do

Figura 4 – Adaptação da Válvula de Sucção.

10

carneiro e impedir que a água volte para a tubulação de abastecimento do carneiro

hidráulico.

Na figura 5 temos a vista de como se deve posicionar a válvula de retenção,

para que permita somente a passagem de água na direção vertical e no sentido de

baixo para cima.

Já na figura 6 mostra-se a parte que se encontra localizada no sentido do

fluxo da água, assim permitindo que a água somente suba para a parte superior do

carneiro hidráulico.

Figura 6 – Válvula de Retenção vista do fluxo de água.

Figura 5 – Válvula de Retenção vista total.

11

Na figura 7 acima temos a visão do mecanismo de retenção da válvula,

impedindo que se tenha o retorno da água para a parte inferior do carneiro.

2.5 Energia Cinética

A energia gerada através da movimentação dos corpos é definida como

energia cinética. A energia cinética corresponde ao trabalho dos corpos realizado

através do movimento. Quanto maior a massa de um corpo maior vai ser sua

energia cinética, já que são grandezas diretamente proporcionais.

A equação 1 mostra como se calcula a energia cinética (Cengel, 2011), nela

podemos observar que a energia é proporcional a massa do corpo e proporcional a

velocidade do corpo ao quadrado.

𝐸 = . ²

(1)

Figura 7 - Válvula de Retenção vista da retenção.

12

Onde:

𝐸 - é a energia cinética, em 𝒥.

𝑚 - é a massa do corpo,em kg.

𝑉 - é a velocidade do corpo, em m/s.

2.6 Energia Potencial Gravitacional

A capacidade que um corpo/objeto tem de realizar trabalho devido a sua

posição em um campo gravitacional é definida como energia potencial gravitacional.

Essa energia produzida pela posição do corpo em um campo gravitacional é medida

pelo trabalho realizado pelo peso do referido corpo para ir de uma posição mais

elevada para uma posição menos elevada.

No ponto mais alto o objeto possui maior energia potencial, quando entra em

movimento liberando sua energia que será convertida em energia cinética. A energia

potencial gravitacional é relacionada com a posição do objeto, sua massa e a força

da gravidade. A equação 2 mostra como calcular a energia potencial gravitacional

(Cengel, 2011).

𝐸 = 𝑚. 𝑔. ℎ (2)

Onde:

𝐸 é a energia potencial gravitacional, em kg.m/s².

𝑚 é a massa do corpo, em kg.

𝑔 é a gravidade local em m/s².

ℎ é a altura do objeto, em metros.

13

2.7 Policloreto de Vinila (PVC)

O PVC (Policloreto de Vinila) é obtido a partir de 43% de insumos

provenientes do petróleo e gás natural com 57% de insumos de saís marinho ou

salgema. O PVC é um termoplástico bastante versátil, utiliza-se plastificantes de

baixo peso molecular o que deixa o material flexível ou com comportamento de

borracha. Entretanto o PVC não modificado apresenta alta rigidez (Wiebeck, 2005).

Podem ser encontrados outros aditivos no PVC, como: pigmentos,

lubrificantes, carga e estabilizantes. O uso do policloreto de vinila é bastante

diversificado, podendo ser aplicado até em produtos médico-hospitalares já que o

PVC é totalmente atóxico e inerte (Wiebeck, 2005).

Todavia, seu ponto fraco é a sua sensibilidade térmica por este motivo é

necessário grande controle para que se evite a decomposição do polímero durante o

processamento. O PVC pode ser processado por extrusão ou sopro e para isso

existem bastante formas, calandragem, termoformagem, injeção, compressão, entre

uma gama de outros processos de fabricação, pois o PVC é rígido e flexível.

Vale destacar suas características como não propagar chamas, ter bom

isolamento térmico, elétrico e acústico, longa vida útil, alta resistência química,

atóxico, inerte, ser resistente a ação de fungos, insetos, bactérias.

14

3 Metodologia

O carneiro hidráulico foi construído no Laboratório de Máquinas Hidráulicas

e Energia Solar (LMHES), da Universidade Federal do Rio Grande do Norte.

A fabricação do carneiro hidráulico foi realizada em etapas. Após a obtenção

do material necessário para a construção do carneiro, foi realizada a adaptação da

válvula de sucção para depois ocorrer à montagem da bomba.

O primeiro procedimento realizado foi à adaptação da válvula de sucção

para que ela tivesse o desenvolvimento desejado e realizasse o golpe de aríete

conforme é necessário para que o carneiro se comporte da forma correta.

3.1 Materiais

O material necessário para a fabricação do carneiro hidráulico foi todo

fabricado em PVC com exceção da válvula de sucção que é fabricada de bronze.

Compreende como material os seguintes itens:

Uma válvula de sucção de bronze;

Uma válvula de retenção vertical;

Um registro;

Um parafuso com rosca sem fim de 5/16’’;

Uma mola de aproximadamente três cm para encaixe em um

parafuso de 5/16’’;

Três porcas de 5/16’’;

Um cap;

Um adaptador com rosca para mangueira;

Um cotovelo com rosca interna;

Dois “t”(s) com rosca interna;

Quatro nípeis;

Três buchas de redução de uma polegada para 3/4;

Um pedaço de cano de PVC de aproximadamente 60cm;

15

Todo o material utilizado foi para a fabricação de um carneiro hidráulico com

diâmetro de ¾ de polegada.

A figura 8 apresenta o registro utilizado no carneiro hidráulico fabricado,

onde a sua função é permitir ou bloquear a vazão de acionamento.

Na figura 9 abaixo mostra o t que se utilizou no projeto, com função de servir

de conector entre outros elementos.

Figura 8 – Registro

Figura 9 – “t”

16

A figura 10 mostra o joelho que serviu como conector da válvula de sucção do


Já na figura 11 temos a visão de um nípel que serviu para a junção dos

demais elementos com os ts e o joelho.

A figura 13 e 14 temos dois tipos de adaptadores. Na 13 temos um adaptador

de cano, já na 14 é um adaptador de redução que foi utilizado com a finalidade de

juntar as válvulas com os nípeis que estavam conectados aos elementos, já que a

rosca interna das válvulas eram de 1 polegada e os nípeis de ¾ de polegada.

Figura 10 – Joelho

Figura 12 - Nípel

17

Figura 13 - Adaptador

Figura 14 - Adaptador

18

A figura 15 mostra o cap que foi utilizado para tampar o cano de 40 cm, assim

fabricando a campânula.

A figura 16 acima apresenta os elementos utilizados para a fabricação do


Figura 16 – Conjunto de Elementos

Figura 15 - Cap

19

3.2 Montagem

Para começar efetivamente o procedimento de montagem foi preciso

primeiramente adaptar a válvula de sucção para que depois fosse dado início de fato

à montagem propriamente dita.

Primeiramente, deve-se colocar um “t” na posição horizontal e em seguida

conectar um nípel na entrada central do “t” e outro a direita. Após a conexão dos

nípeis é necessário que seja conectado o joelho ao nípel que está localizado a

direita do “t”.

No joelho deve ser conectado um nípel com uma bucha de redução para

posteriormente conectar a válvula de sucção adaptada. Em seguida, foi

implementada outra bucha de redução ao nípel localizado no centro do “t”, a essa

bucha foi instalada a válvula de retenção num sentido a permitir que a água suba.

Para finalizar a instalação do primeiro “t”, coloca-se o adaptador de cano a

sua esquerda e no adaptador é colocado um cano de 10cm de comprimento e junto

ao final do cano é instalado o registro. Assim, foi encerrada a parte inferior e

horizontal do carneiro hidráulico.

Posteriormente, é imprescindível que seja montada a parte superior e

vertical do carneiro. Como já foi inserida a válvula de retenção vertical na posição

central do primeiro “t”,conecta então mais um nípel com uma bucha de redução para

que seja instalado o segundo “t”. Essa conexão ocorrerá com o “t” posicionado na

vertical e na entrada inferior do “t”.

Após a instalação do “t” na válvula de retenção, coloca-se um adaptador de

mangueira na posição central do segundo “t”. Para finalizar a parte superior do

carneiro, conecta um adaptador para cano na saída superior do “t” e em seguida

instala o cano de 40 cm com o cap assim formando a campânula.

Ao finalizar todo o procedimento especificado acima, estará montado o


20

Na figura 17 podemos observar uma vista explodida do carneiro hidráulico.

Com essa figura temos como ter a noção de montagem do carneiro, já que nela é

apresentada a forma e o encaixe adequado de cada elemento.

Já na figura 18 temos o carneiro hidráulico com sua montagem quase

completa, faltando somente a colocação da campânula que se encontra acima da

imagem.

Figura 17 – Vista explodida do carneiro

Figura 18 – Carneiro montado sem campânula.

21

Na figura 19 acima podemos observar o carneiro hidráulico totalmente montado com a campânula já conectada.

3.3 Ensaios

Com a montagem do carneiro finalizada, foi dado início aos testes, para que

fosse verificado se o carneiro estava funcionando como deveria. Através dos testes

buscava-se obter os dados da vazão de alimentação (𝑄), da vazão de recalque (𝑞)

para posteriormente ser calculado o rendimento volumétrico (𝜂%) que deve ser

obtido pela equação 1.

𝜂% = ( )

𝑥 100 (3)

Onde:

Figura 19 – Carneiro montado com campânula

22

𝜂 - rendimento volumétrico do carneiro hidráulico, %.

𝑞 - vazão de recalque, L/min.

𝑄 - vazão de alimentação, L/min.

O primeiro teste foi realizado na granja boa vida nas proximidades de

Macaíba, com a fonte de alimentação a uma altura de 7 metros e com uma vazão de

alimentação de 16L/min. O segundo teste foi realizado no laboratório de máquinas

hidráulicas e energia solar com uma fonte de alimentação com uma altura de 16

metros e uma vazão de 95,6 L/min. A alimentação do carneiro no laboratório era

efetuada pelo hidrante localizado no laboratório, conforme mostrado na figura 20.

Devido a sua vazão ser bastante elevada, foi feito um controle. Esse controle

era executado na medida em que o registro do hidrante era aberto, assim a vazão

de alimentação do carneiro hidráulico diminuía ou aumentava de acordo com a

abertura do registro do hidrante.

Para o segundo teste a vazão foi controlada em 28 L/min. Para obter o valor

de 28L/min o registro foi aberto em ¼ de volta. Já para o terceiro teste foi adotada

uma vazão de 54L/min e para isso foi aberto em ½ de volta o registro do hidrante.

Figura 20 – Fonte de alimentação

23

Essas vazões foram escolhidas de acordo com o que indica o Centro

Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas (CERPCH) para um

carneiro com diâmetro de ¾.

Com a finalidade de se ter um melhor rendimento volumétrico e maior vazão

de recalque, e conseqüentemente menor desperdício de água, é necessário que o

carneiro esteja devidamente apoiado, para que assim, ele não sofra qualquer

influencia externa, esteja firme para que não mude sua posição devido ao golpe de

aríete. Além disso, é importante também que a alimentação seja feita de forma a

mangueira que vai alimentar o carneiro esteja na mesma posição que o seu registro.

Conforme é mostrado nas figuras 21.

Figura 21 – Vista um do apoio.

24

Na figura 22 temos a vista superior do carneiro hidráulico em funcionamento,

realizando o golpe de aríete e recalcando a água. Já na figura 23 temos a vista

lateral.

Figura 22 – Carneiro Funcionando

Figura 23 – Carneiro em funcionamento.

25

Com o propósito de se calcular a vazão de alimentação assim como a vazão

de recalque foi utilizado um recipiente de 18L no primeiro teste e de 16L no segundo

teste. Para realizar os cálculos foram utilizadas as equações 4 e 5 (Brunetti, 2008).

𝑄 = (4)

𝑞 = (5)

Onde:

𝑄 – Vazão de alimentação, L/min.

𝑞 - Vazão de recalque, L/min.

V – Volume do recipiente, L.

t – Tempo para encher o recipiente, min.

Depois de colhidas as respectivas vazões de alimentação e recalque foi

calculado o desperdício do carneiro (𝜀), pela equação 6.

𝜀 = (𝑄 − 𝑞) (6)

Onde:

𝜀 – Desperdício do carneiro, L/min.

𝑄 - Vazão de alimentação, L/min.

𝑞 - Vazão de recalque, L/min.

26

Dando continuidade, os testes foram realizados obedecendo a uma ordem de

ações. Primeiramente, foi realizada a conexão da mangueira que alimentou o

carneiro ao hidrante conforme mostrado na figura 18. Posteriormente, foi conectada

a mangueira ao carneiro, conforme a figura 20.

Em seguida, a válvula de sucção foi travada. Para obter o esse resultado foi necessário rotacionar o parafuso sem fim no sentido horário para comprimir a mola e travar o sistema da válvula.

Antes de iniciar a coleta de dados foi aberto o hidrante e retirada à válvula de sucção do carneiro,para que fosse eliminado todo o ar presente no interior do carneiro. Com a retirada do ar, foi novamente colocada a válvula de sucção.

A fonte de alimentação é aberta e com isso começa a regulagem da válvula de sucção para que se obtenha o golpe de aríete. Essa regulagem é feita rotacionando o parafuso sem fim no sentido anti-horário até que se dê inicio ao golpe de aríete.

Com o ajuste realizado e com o carneiro hidráulico realizando o golpe de aríete, foi então medida a vazão de recalque. Essa medição foi realizada com um recipiente de 18L e verificado o tempo que era necessário para encher o recipiente, com esses dados e o auxilio da equação 4, tinha o valor da vazão de recalque.

Para finalizar foi calculado o valor de desperdício do carneiro utilizando a equação 6 e o rendimento com a equação 3.

Com os três testes finalizados e os dados coletados, foi feita a comparação entre os três teste em relação a vazão de recalque, rendimento e desperdício.

Para um carneiro hidráulico com saída de ¾ de polegada é recomendada

uma vazão de alimentação entre o intervalo de 22 a 45 litros por minuto, segundo o

Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas (CERPCH)

conforme a tabela abaixo.

Os testes foram realizados

antes do intervalo recomendado

intervalo e em seguida comparar as vazões de recalque, rendimento e desperdício

dos testes levando em consideração sempre o intervalo recomendado conforme

tabela 1.

Desta forma, foram calculados com a utilização das equações

valores do rendimento, vazão de recalque e desperdício. Com todos os valores

obtidos temos a tabela 2.

4 Resultados e Discussões

carneiro hidráulico com saída de ¾ de polegada é recomendada



conforme a tabela abaixo.

Os testes foram realizados com a finalidade de selecionar três vazões, uma

antes do intervalo recomendado, uma dentro do intervalo e uma extrapolando o


testes levando em consideração sempre o intervalo recomendado conforme

foram calculados com a utilização das equações


obtidos temos a tabela 2.

Tabela1 – Vazão recomendada.

Fonte: CERPCH.

Tabela 2 – Valores obtidos nos testes.

27

carneiro hidráulico com saída de ¾ de polegada é recomendada



com a finalidade de selecionar três vazões, uma

, uma dentro do intervalo e uma extrapolando o


testes levando em consideração sempre o intervalo recomendado conforme

foram calculados com a utilização das equações 3, 5 e 6 os


Em relação ao desperdício

apresentou o menor desperdício e para a vazão de alimentaç

desperdício.

Já para a vazão de recalque o melhor resultado foi quando a vazão de

alimentação foi de 28 L/min.

Os gráficos abaixo mostram a comparação dos testes reali

Gráfico 1

Gráfico 2

Em relação ao desperdício, o teste com a vazão de alimentação de 16 L/min

o menor desperdício e para a vazão de alimentação de 54 L/min o maior


alimentação foi de 28 L/min. Esse também foi o que apresentou melhor rendimento.

Os gráficos abaixo mostram a comparação dos testes reali

Gráfico 1 – Vazão de acionamento x Rendimento.

ico 2 – Vazão de acionamento x Vazão de recalque.

28

de alimentação de 16 L/min

ão de 54 L/min o maior


foi o que apresentou melhor rendimento.

Os gráficos abaixo mostram a comparação dos testes realizados:

Vazão de acionamento x Rendimento.

x Vazão de recalque.

Como podemos observar nos gráficos apresentados o melhor

comportamento é do teste que tem a vazão de alimentação dentro do intervalo

indicado pelo Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas

(CERPCH). A vazão de alimentação de 28 L/min

L/min, apresentou o melhor rendimento e também a melhor vazão de recalque

Também podemos observar que o comportamento do carneiro hidráulico

com o aumento da vazão de acionamento para 54L/min

menor rendimento e o maior desperdício entre os demais testes.

Os valores dos rendimentos volumétricos para o teste 1 e 2, estão dentro do

esperado para um carneiro hidráulico que geralmente fica entre 30 a 50%.

Gráfico 3




(CERPCH). A vazão de alimentação de 28 L/min, que se encontra entre 22 e 45

L/min, apresentou o melhor rendimento e também a melhor vazão de recalque

podemos observar que o comportamento do carneiro hidráulico

com o aumento da vazão de acionamento para 54L/min foi ruim! Já que teve seu

menor rendimento e o maior desperdício entre os demais testes.



Gráfico 3 –Vazão de acionamento x Desperdício.

29




, que se encontra entre 22 e 45

L/min, apresentou o melhor rendimento e também a melhor vazão de recalque.

podemos observar que o comportamento do carneiro hidráulico

foi ruim! Já que teve seu



30

5 Conclusões

5.1 Conclusões

De acordo com os objetivos propostos neste trabalho, temos como

conclusões.

A fabricação do carneiro hidráulico de baixo custo é bastante simples;

Os materiais para a fabricação é de fácil aquisição;

Os ensaios realizados apresentaram dados condizentes com os

encontrados na literatura;

O ensaio que apresentou melhor resultado foi o com a vazão de

acionamento de 28L/min, dentro do intervalo proposto na literatura;

O golpe de aríete pode ser observado e se mostrou eficiente;

O custo de fabricação do carneiro hidráulico de baixo custo saiu em

torno de 120 reais;

O carneiro hidráulico estudado apresenta baixo custo de manutenção e

baixa freqüência de manutenção;

O rendimento de 39,13% é satisfatório;

5.2 Sugestões

De acordo com o que foi estudado, podemos sugerir.

A instalação do carneiro hidráulico de baixo custo deve ser realizada

em um local que se tenha o aproveitamento da água desperdiçada;

O carneiro hidráulico deve está bem apoiado para ser posto em

funcionamento;

A válvula de retenção de cobre pode ser substituída por uma fabricada

de material PVC;

A válvula de sucção deve-se manter a fabricada em cobre devido a

necessidade de uma adaptação;

31

6 Referências

ABEEOLICA, Capacidade e potencial eólico disponível em: <

http://abeeolica.org.br/> Acesso em 29 de maio de 2018.

BRUNETTI, Franco.Mecânica dos Fluidos. 2 ed. São Paulo. Pearson

Prentice Hall, 2008.

CARVALHO, J. A, Aproveitamento de energia hidráulica para

acionamento de roda d’água e carneiro hidráulico. Lavras: UFLA/FAEPE, 1998.

ÇENGEL, Y & CIMBALA, J., Mecânica dos Fluidos: Fundamentos e.

Aplicações, Rio de Janeiro: Editora Interciência, 2011.

CERPCH, Manual Carneiro Hidráulico disponível em:

<https://cerpch.unifei.edu.br/pt/carneiro-hidraulico/> Acesso em 11 de junho de 2018.

EVANGELISTA, Adão Wagner Pêgo. Carneiro

Hidráulico.<https://www.agro.ufg.br/up/68/o/Carneiro_Hidr_ulico_01.pdf> Acesso

em 15 de marca do 2018.

FREITAS, Alberto F. Estações de bombagem de

pressurização/Distribuição em aproveitamentos Hidroagrícolas.

<http://sir.dgadr.gov.pt/conteudos/jornadas_aph/apresentacoes/s4/8.pdf> Acesso em

11 de junho de 2018.

JOURNALS, Sistema elétrico brasileiro disponível em:

<https://journals.openedition.org/confins/10797?lang=pt> Acesso em 29 de maio de

2018.

PVC, Policloreto de Vinila (PVC) disponível em: < HTTP:

www.tudosobreplasticos.com/materias/pvc.asp> Acesso em 29 de maio de 2018.

WIEBECK, Hélio; HARADA, Júlio. Plásticos de Engenharia: Tecnologia e

Aplicações. São Paulo: Artliber Editora, 2005.

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