Análise de critérios de dimensionamento de ventosas em sistemas adutores

Abstract

Embora um sistema adutor seja projectado para o transporte de água, regra geral, o fluído que escoa não é apenas água, mas sim uma mistura de água e ar. A presença de ar nos sistemas adutores, seja na forma de pequenas bolhas ou constituindo bolsas de diferentes formas e dimensões, pode ser fonte de inúmeros problemas no respectivo funcionamento que poderão traduzir-se num acréscimo da perda de carga, num consumo excessivo de energia por parte das bombas ou mesmo no aparecimento de elevadas sobrepressões que coloquem em causa a correspondente segurança e fiabilidade. Ainda que seja difícil estimar de forma exacta a magnitude das sobrepressões geradas nas condutas pela presença de bolsas de ar, o conhecimento físico do problema e a possibilidade de prever as suas potenciais consequências apresenta desde logo um indubitável interesse prático. Para alcançar este objectivo, é apresentado e validado um modelo numérico (baseado no modelo rígido) que permite simular transitórios num sistema com uma bolsa de ar confinada ou, em alternativa, provido de um orifício ou uma ventosa de forma a permitir a sua expulsão. A aplicação deste modelo a algumas situações, para as quais se dispõe dos correspondentes ensaios experimentais, permitiu confirmar as elevadas sobrepressões que se podem alcançar e efectuar a correspondente validação. Como não é possível unicamente através de medidas de carácter preventivo evitar a acumulação de ar no interior das condutas, haverá que tomar medidas correctivas, ou seja, dispor de dispositivos aptos para realizar a função de extracção do ar acumulado: as ventosas. As ventosas para cumprirem adequadamente o seu papel de expulsão de ar e protecção do sistema contra as sobrepressões e depressões excessivas, terão que ser correctamente seleccionadas, localizadas e instaladas ao longo do perfil do sistema adutor por forma a terem um bom desempenho e não gerarem fenómenos de golpe de aríete indesejados que possam ocasionar situações mais problemáticas do que aquelas que pretendiam evitar. Para o efeito, são apresentadas e aplicadas metodologias para o dimensionamento das ventosas de grande orifício a utilizar nas operações de enchimento e esvaziamento dos sistemas e efectuada uma análise de sensibilidade comparativa das duas situações. Finalmente, é feita uma análise ao dimensionamento de ventosas de pequeno orifício (purgadores) utilizadas para a expulsão “contínua” do ar no decurso da operação normal do sistema adutor.

Although the designed trunk main system’s role is water transportation, the flowing fluid, in most cases, is actually a mixture of both air and water. The presence of air on these systems, may appear in different shapes like in small air bubbles or air pockets, which could result on increased head losses, excessive energy consumption of pumping systems and more importantly enhance the surge pressures on hydraulic transients that could compromise the system integrity. Despite being difficult to estimate the exact magnitude of surge pressures in pipes with entrapped air, the physical understanding together with the possibility to predict its potential consequences, establish an unquestionably interest. To reach this goal, a valid analytical model (based on the rigid model) is presented as a mean to simulate transients, first, on a system with entrapped air, followed by a system with an orifice (which is equivalent to consider an air release valve). The application of this model, on the experimental data that we had, allowed us to confirm the attained high surge pressures on trunk main systems. Since it is impossible to avoid the amass of air pockets within the pipes solely on preventive measures, it is mandatory to take corrective actions like installing air release valves. For these air valves to comply with the ventilation needs of a water system, they have to be carefully selected, located and installed along a pipeline profile, in order to properly function without unwanted water hammer phenomena, which would result in more severe consequences. For this purpose, a sizing method is presented for air/vacuum valves used in filling and emptying operations (of a pipe) along with a sensibility analysis between these two. It is also displayed, a dimensioning method for the air release valves (small orifice), those of which are used to evacuate air bubbles during the normal operation of trunk mains.