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AVALIAÇÃO DO CARNEIRO HIDRÁULICO A PARTIR DE DIFERENTES
VOLUMES DE CÂMARAS DE AR DO TIPO PVC
EVALUATION OF HYDRAULIC WASHER FROM DIFFERENT VOLUMES OF
PVC CHAMBERS
Apresentação: Comunicação Oral
Marcos Vinicius Reis de Oliveira Junior 1; Bianca Machado de Lima
2; Raimundo Thiago
Lima da Silva3
DOI: https://doi.org/10.31692/2526-7701.IIICOINTERPDVAGRO.2018.00050
Resumo Para a captação de águas superficiais e subterrâneas, na maior parte dos casos, precisa-se de
energia elétrica ou de combustível para o acionamento do conjunto motobomba. Devido aos
crescentes problemas de falta de energia elétrica e a ameaça de escassez de recursos não
renováveis (petróleo, carvão e gás natural), surge a necessidade de procurar formas
alternativas de gerar energia renovável e não poluente. Dessa forma, o objetivo do seguinte
trabalho é avaliar e comparar as características hidráulicas de um carneiro hidráulico
construído com diferentes volumes de câmaras de ar do tipo PVC, de acordo com seu
desempenho e economicidade. De natureza quantitativa o estudo do experimento ocorreu no
período de novembro de 2017 a fevereiro de 2018 e foi conduzido na Universidade Federal
Rural da Amazônia - Campus Capitão Poço - PA, na microrregião do Guamá, localizada 226
km de Belém, com coordenadas latitude 01º44’47’’ S e longitude 47º03’34’’ W. Utilizaram-
se reservatórios calibrados e um cronômetro para obtenção da vazão de alimentação,
desperdício e recalque. Para os tratamentos com diferentes volumes de câmaras de ar,
utilizaram-se tubos de PVC de 10, 20, 30, 40 e 50 cm de comprimento. Consequentemente,
procedeu-se com a obtenção dos rendimentos a partir dos dados coletados. O tipo de
experimento realizado foi o delineamento inteiramente casualizados (DIC). Procederam-se
análises estatísticas dos dados de vazão de recalque, vazão de desperdício, número de batidas
e rendimento, utilizando-se a análise de variância e o teste de comparação de médias por
Tukey a 1% de nível de significância. As análises estatísticas foram processadas pelo software
SISVAR e AGROESTAT. A partir da construção do carneiro, foi constatado que há forte
tendência de crescimento no volume recalcado e desperdiçado quando se aumenta o
comprimento da câmara de ar. Entretanto, observa-se uma relação inversamente proporcional
1 Bolsista do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica (CNPq) e Graduando do curso de
Agronomia da Universidade Federal Rural da Amazônia, Campus Capitão Poço/PA,
[email protected]. 2 Graduanda do curso de Agronomia da Universidade Federal Rural da Amazônia, Campus Capitão Poço/PA,
[email protected]. 3 Professor e Doutor Adjunto II da Universidade Federal Rural da Amazônia, Campus Capitão Poço/PA,
ao número de batidas. Em correlação feita com as variáveis, os volumes recalcados e
desperdiçados obtiveram forte correlação positiva. Em contra partida, o número de batidas
relacionado com as outras variáveis apresentou forte correlação negativa. Realizado as
analises estatísticas de rendimento, foi possível verificar que a câmara com 50 centímetros de
comprimento apresentou ótimos resultados. Além disso, foi constatado que com o aumento da
câmara de ar, constatou-se o aumento de rendimento.
Palavras-Chave: Carneiro hidráulico, câmaras de ar, vazão.
Abstract For the capture of surface water and groundwater, in most cases, electrical or fuel energy is
required to drive the motor pump. Due to the increasing problems of lack of electricity and the
threat of a scarcity of non-renewable resources (oil, coal and natural gas), there is a need to
look for alternative ways of generating clean and non-polluting energy. Thus, the objective of
the following work is to evaluate and compare the hydraulic characteristics of a hydraulic ram
built with different volumes of PVC type air chambers, according to their performance and
economy. From a quantitative nature, the study of the experiment took place from November
2017 to February 2018 and was conducted at the Federal Rural University of Amazônia -
Campão Capitão Poço - PA, in the Guamá micro region, located 226 km from Belém, with
coordinates latitude 01º44 ' 47 '' S and longitude 47º03'34 '' W. Calibrated reservoirs and a
stopwatch were used to obtain the feed, waste and recharge flow. For the treatments with
different volumes of air chambers, PVC tubes of 10, 20, 30, 40 and 50 cm in length were
used. Consequently, the yields were obtained from the collected data. The type of experiment
was the completely randomized design (DIC). Statistical analyzes were performed on the rate
of repression, waste flow, number of beats and yield, using the analysis of variance and the
Tukey averages comparison test at 1% level of significance. The statistical analyzes were
processed by SISVAR and AGROESTAT software. From the construction of the ram, it was
observed that there is a strong tendency of growth in the volume repressed and wasted when
the length of the air chamber is increased. However, a relation inversely proportional to the
number of beats is observed. In correlation with the variables, the repressed and wasted
volumes obtained a strong positive correlation. In contrast, the number of beats related to the
other variables presented a strong negative correlation. After performing the statistical
analysis of yield, it was possible to verify that the camera with 50 centimeters of length
presented excellent results. In addition, it was verified that with the increase of the air
chamber, it was verified the increase of yield.
Keywords: gravity pump, air chambers, flow rate.
Introdução
Sabe-se que água é um recurso natural essencial para a vida e indispensável para o
desenvolvimento das atividades diárias da população. Além disso, este recurso natural, apesar
de abundante, é finito e mal distribuído. O crescimento populacional e o desenvolvimento
industrial têm proporcionado o aumento da demanda energética e do uso da água contribuindo
para acelerar o esgotamento dos recursos naturais não renováveis e comprometer a capacidade
natural de reposição dos mesmos (DARDOT, 2012; OLIVEIRA, 2015).
Neste mesmo cenário, encontra-se o acentuando custo de energia elétrica no
abastecimento de água no setor rural. A problemática do abastecimento de água neste setor
não é nova e vem se acentuando principalmente pelo alto custo de energia elétrica e seu
racionamento. Para a captação de águas superficiais e subterrâneas, na maior parte dos casos,
precisa-se de energia elétrica ou de combustível para o acionamento de um conjunto
motobomba. Devido as crescentes problemáticas quanto à falta de energia elétrica e a ameaça
de escassez de recursos não renováveis, surge a necessidade de procurar formas alternativas
de gerar energia renovável e não poluente.
Diante do exposto, é perceptível uma demanda por certas tecnologias de baixo custo,
fácil manipulação e bom rendimento em muitas propriedades agrícolas. Além disso, fazem-se
necessários estudos que melhorem o desempenho do carneiro hidráulico no sentido propor
características construtivas que quantifiquem seu rendimento e se promova cada vez mais sua
aplicabilidade no meio agrícola.
Dessa forma, o objetivo do seguinte trabalho é avaliar e comparar as características
hidráulicas de um carneiro hidráulico construído com diferentes volumes de câmaras de ar do
tipo PVC, de acordo com seu desempenho e economicidade.
Fundamentação Teórica
De acordo com Júnior (2014), existem comercialmente dois tipos de carneiro
hidráulico, o industrial e o alternativo (peças de PVC), sendo que o último é 3 vezes mais
barato que o primeiro. O mesmo trabalha 24 horas, sem agredir o meio ambiente e utilizando
energia hidráulica, ou seja, é um aparelho destinado a elevar a água por meio da própria
energia da água, dispensando outro tipo de energia suplementar (GONÇALVES, 2016).
Apesar disso, o carneiro hidráulico não é utilizado em larga escala devido sua
eficiência não ser muito alta. Em contra partida, Confessor (2016) e Ponsoni (2014), relatam
em seus trabalhos que esta bomba tem diversas aplicabilidades tanto para o meio agrícola,
quanto para o urbano. Seja a água sendo captada pela chuva ou obtida através de um rio ou
córrego, a bomba carneiro apresenta funcionamento simples, fácil confecção e utilização em
locais de difícil acesso ou pouca disponibilidade de energia elétrica.
O carneiro hidráulico, assim como qualquer máquina, apresenta desvantagens quanto a
sua utilização. Lourençoni (2016) relata que esta bomba hidráulica tem como principais
desvantagens o ruídos resultantes do golpe de aríete; corpos sólidos presentes na água que
prejudicam seu funcionamento; necessita de uma queda d’água para funcionar; e a quantidade
de água recalcada é apenas uma parte da vazão disponível. Segundo Abate & Botrel (2002),
as condições locais também são fatores determinantes para a eficiência do carneiro hidráulico.
Metodologia
De natureza quantitativa o estudo do experimento ocorreu no período de novembro de
2017 a fevereiro de 2018 e foi conduzido na Universidade Federal Rural da Amazônia -
Campus Capitão Poço - PA, na microrregião do Guamá, localizada 226 km de Belém, com
coordenadas latitude 01º44’47’’ S e longitude 47º03’34’’ W.
Seguiu-se a metodologia de Abate & Botrel (2002) e Vieira (2015) para montagem da
bomba hidráulica, tendo em vista o bom funcionamento da mesma. Em relação às peças para
construção do carneiro, foram utilizadas as semelhantes do trabalho de Cararo (2007) e
conforme metodologia e orientações de Cerpch (2002). Dessa forma, a bomba ficou
constituída da seguinte forma: 4 niples; 1 cap; 1 registro de gaveta; 1 joelho; 2 Tês
rosqueáveis; 1 bucha para mangueira; 1 válvula de retenção vertical (metálica); 1 válvula de
poço/sucção (metálica); 1 parafuso 5/16 de 10 cm, 3 porcas, 1 arruela e 1 mola; 2 adaptadores
curtos; e tubos de PVC.
Como reservatório de alimentação foi utilizado uma caixa d’água com capacidade de
500 L (litros). Em relação ao desnível e a distância obtida do reservatório até a bomba,
obteve-se, respectivamente, 5 e 18 metros. A água foi direcionada pela canalização de
alimentação do tipo PVC de 1 polegada e reduzida para ½ polegada na tubulação de recalque
(mangueira). Fizeram-se vários testes de vazão de alimentação com um cronômetro e um
reservatório calibrado com capacidade de 50 L.
Para os testes com diferentes volumes de câmaras de ar no carneiro hidráulico,
utilizaram-se um cronômetro e dois reservatórios calibrados com capacidade de 20 L. Os
mesmos foram utilizados para a obtenção do volume recalcado e desperdiçado no sistema.
Além disso, contabilizou-se o número de batidas ou golpes do carneiro hidráulico,
considerando o mesmo ajuste para todos os volumes de câmaras. Dessa forma, os tratamentos
ficaram constituídos da seguinte forma: câmaras de ar com 10, 20, 30, 40 e 50 cm de
comprimento.
Com a obtenção das variáveis de recalque, alimentação (recalque + desperdício),
altura de recalque e desnível pôde-se realizar os cálculos para rendimento do carneiro
hidráulico. Esta foi calculada a partir da Eq. [1] e a vazão de desperdício pela diferença entre
alimentação e recalque (LOURENÇONI, 2016).
𝜂 =𝑞.𝐻
𝑄.ℎ. 100 [1]
Onde: η – rendimento do carneiro hidráulico (%); q – vazão de recalque (m3/s); H –
altura de recalque em relação ao carneiro hidráulico (m); Q – vazão de alimentação (m3/s); h –
desnível da fonte de alimentação ao carneiro hidráulico (m).
O tipo de experimento realizado foi o delineamento inteiramente casualizados (DIC).
Realizaram-se análises estatísticas dos dados de vazão de recalque, vazão de desperdício,
número de batidas e rendimento, utilizando-se a análise de variância e o teste de comparação
de médias por Tukey a 1% de nível de significância. As análises estatísticas foram
processadas pelo software SISVAR e AGROESTAT.
Resultados e Discussão
A análise de regressão linear e quadrática mostrou diferenças significativas das
câmaras de ar observadas em cada categoria. É possível observar, na tabela 1, o resultado da
análise de regressão para volume recalcado, volume desperdiçado e número de batidas.
Tabela 1. Regressão na análise de variância - Int. casualizados. Capitão Poço/PA.
FV GL QM
Recalque Desperdício Batidas
Reg. linear 1 0,010132** 0,006399** 392,040000**
Reg. quadrática 1 0,000534** 0,000826** 0,257143NS
Desvio 2 0,000311** 0,000007 NS
6,791429**
Erro 45 0,000023 0,000117 0,742222
CV (%) - 2,65 3,90 3,21
Total 49 ** - significativo ao nível de 1% de probabilidade pelo teste F; NS - não significativo.
Para regressão linear ou do primeiro grau, o volume recalcado, o volume desperdiçado
e o número de batidas obtiveram diferença significava a 1%. Entretanto, quando analisados
para a regressão quadrática ou do segundo grau, observou-se que apenas o recalque e o
desperdício obtiveram diferença significativa. Além disso, os coeficientes de variação (CV)
para cada variável apresentaram excelentes resultados, demonstrando a grande precisão no
experimento.
Bonetti, analisando a aplicabilidade do carneiro hidráulico no recalque de água
proveniente de chuvas obteve rendimentos máximos de bombeamento de água na altura de 5
metros, sendo que este utilizava a válvula de impulso mantida na posição horizontal, tendo em
vista a perca de carga no sistema. De acordo com Cerpch (2002), quanto mais compacto o
carneiro hidráulico, eliminado joelhos e curvas, menor será a perda de carga do fluido. Rojas
(2002) também afirmou que o fluxo da água deve ocorrer livre de curvas, sendo o mais reto
possível para evitar perca de carga. Além disso, aparelho tem sua perca de carga modificada
quando se aumenta a distância e a altura do volume a ser recalcado.
Entretanto, para este trabalho, a válvula de impulso ficou na posição vertical, com o
intuito facilitar a regulagem do parafuso e captar a água desperdiçada, mas sem comprometer
os resultados.
No gráfico 1, tem-se o resultado da análise de regressão quadrática para volume
recalcado em resposta a variável vazão.
Gráfico 1 – Diagrama de dispersão dos dados da regressão quadrática para volume recalcado em resposta a
variável vazão.
A partir da analise de regressão efetuada, observa-se que a parábola é polinomial do
segundo grau positiva, ou seja, que há uma tendência de aumento do volume recalcado
quando se aumenta o comprimento da câmara de ar. Além disso, de acordo com o coeficiente
de determinação (R2), valores próximos de 1 indicam que o modelo proposto é adequado para
descrever o fenômeno. Dessa forma, obtido um valor de R2
de 94%, observa-se que o modelo
é adequado.
y = 2E-05x2 - 0,0002x + 0,1632
R² = 0,9449
0,15
0,16
0,17
0,18
0,19
0,20
0,21
10 20 30 40 50Vo
lum
e r
ecalc
ad
o (
L/s
)
Câmara de PVC (cm)
Em outros trabalhos, a avaliação do recalque do carneiro hidráulico é bastante
relacionada quanto ao aumento do volume da câmara de ar. De acordo com Bonetti (2015), a
câmara de ar tem a função de comprimir o ar no momento do golpe de aríete e em seguida
impulsionar o fluido para a tubulação de recalque. Além disso, segundo Silveira (2015) o
volume recalcado da pode sofrer variações quando se aumenta ou diminui o desnível da altura
de recalque.
Gráfico 2, tem-se o resultado da análise de regressão quadrática para volume
desperdiçado em resposta a variável vazão.
Gráfico 2 – Diagrama de dispersão dos dados da regressão quadrática para volume desperdiçado em resposta a
variável vazão.
Realizado a analise de regressão para volume desperdiçado, observa-se também que a
reta ajustada é polinomial do segundo grau positiva, um valor de R2
de 99%. Assim sendo, o
modelo é perfeitamente adequado.
A maior parte da água advinda do reservatório de alimentação é direcionada para a
válvula de escape/poço. Em condições de campo, esta parcela de água que recai sobre o solo
tende a evaporar (em virtude da temperatura) ou infiltrar até atingir os lençóis freáticos e
consequentemente realimenta os cursos d’água. Entretanto, Oliveira (2011), relata que é
necessário buscar alternativas mais viáveis para se evitar o desperdício, tendo em vista que a
restrição ao uso de água tem se tornado cada vez mais rigoroso.
y = 2E-05x2 - 0,0007x + 0,2699
R² = 0,9982
0,25
0,26
0,27
0,28
0,29
0,30
0,31
10 20 30 40 50
Volu
me d
esp
erd
içad
o (
L/s
)
Câmara de PVC (cm)
Em relação aos golpes ou batidas da na válvula sucção, constatou-se uma relação
inversamente proporcional ao volume de câmara de ar. O mesmo pode ser observado no
gráfico 3, onde se observa o resultado da análise de regressão linear para batidas.
Gráfico 3 – Diagrama de dispersão dos dados da regressão linear para batidas.
Observa-se que a reta é linear negativa, indicando que, em virtude do aumento do
volume da câmara de ar, a tendência é de que se reduza o número de batidas. Com base em
um valor do coeficiente de determinação (R2) de 96%, número de golpes é influenciado
diretamente pelo aumento da pressão exercida pela câmara de ar no sistema. Além disso,
destaca-se que a regulagem das peças móveis localizadas na válvula de poço foi a mesma para
todos os tratamentos com câmaras de ar.
Sabendo que as batidas que o carneiro hidráulico proporciona é devido o golpe de
aríete na válvula de poço, Cararo et al (2007), observaram que a variação das batidas pode ser
justificada devido ao desgaste de peças móveis ou por conta do aumento da pressão, na
câmara de ar. De acordo com Abate e Botrel (2002), menores batidas por minuto produzem
maior pressão na tubulação e consequentemente apresentam recalque maior por batida.
Tendo em vista que as variáveis obtiveram diferenças significativas quanto ao
aumento das câmaras de ar, analisou-se a correlação de Pearson entre as variáveis, sendo que
o resultado encontra-se na tabela 2 abaixo.
Tabela 2 – Quadro da Análise de Correlação de Pearson entre as Variáveis. Capitão Poço/PA.
Recalque Desperdício
Desperdício 0,716** -
Batidas -0,844** -0,679** ** - significativo ao nível de 1% de probabilidade, pelo teste F; NS - não significativo.
y = -0,198x + 32,82
R² = 0,9659
20
22
24
26
28
30
32
10 20 30 40 50
Nú
mero
de
Ba
tid
as
Câmara de PVC (cm)
É possível analisar que o volume desperdiçado correlacionado com o volume
recalcado apresentou um coeficiente de correlação de 0,716, demonstrando que alterações
sofridas por uma das variáveis é acompanhada pelas alterações na outra, sendo uma
correlação de intensidade forte. Em suma, diz-se que o aumento de uma variável é
diretamente proporcional a outra. Segundo Callegari-Jacques (2003, p. 90), uma correlação
linear de intensidade forte entre duas variáveis apresenta um coeficiente entre 0,6< rxy < 0,9.
Oliveira (2012) analisou que a vazão recalcada acompanha a desperdiçada estabelecendo-se
uma média para ensaios realizados em triplicatas.
Quando analisado o número de batidas quanto ao recalque e o desperdício, os
coeficientes de correlação se mantiveram fortes, contudo negativamente (-0,844 e -0,679).
Dessa forma, quando maior o volume recalcado e desperdiçado, menos batidas ou golpes a
bomba carneiro realizará.
A partir da análise específica para cada variável, procederam-se os cálculos para
rendimento do carneiro hidráulico. Abaixo, na tabela 3, encontra-se o resultado da análise
estatística.
Tabela 3 – Valores médios do rendimento (%) nos diferentes volumes de câmara de ar. Capitão Poço/PA.
Tratamento (câmara de ar) Rendimento (%)
10 cm 47,02 b
20 cm 49,25 b
30 cm 49,36 b
40 cm 53,84 a
50 cm 54,65 a Médias seguidas de letras distintas, maiúsculas na linha e minúsculas na coluna, diferem entre si pelo teste
Tukey ao nível de 1% de probabilidade. CV = 4,48%.
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. Segundo Cararo et al (2007), o carneiro hidráulico
não apresenta um rendimento muito alto, pois o uso de peças plásticas amortece o efeito do
golpe de aríete e também pelo fato de que parte da água que alimenta o equipamento não é
recalcada.
Lourençoni (2016) observou em seus resultados que ocorre uma variação de
rendimento da bomba quando se altera o volume de câmara de ar. Além destas limitações, o
carneiro hidráulico também é influenciado pela perda de carga no sistema, o que também
favorece a diminuição do rendimento. Entretanto, no presente trabalho não foi possível
estimas a perda de carga da peça que efetua o golpe de aríete, pelo fato da mesma ser
modificada.
Na tabela 4 abaixo, encontra-se o resultado de regressão na análise de variância para
rendimento.
Tabela 4 – Regressão na análise de variância - Int. casualizados. Capitão Poço/PA.
FV GL QM
Rendimento
Reg. linear 1 394,005588**
Reg. quadrática 1 1.640957NS
Desvio 2 16.340917**
Erro 45 5.193833
CV (%) - 4,48
Total 49 ** - significativo ao nível de 1% de probabilidade pelo teste F; NS - não significativo.
É possível analisar que para regressão quadrática não houve significância, sendo que
apenas o modelo do primeiro grau apresentou. Dessa forma, a nível de 1% de probabilidade, o
modelo que mais se ajusta é o linear. Além disso, pode-se perceber um bom coeficiente de
variação de 4,48%.
No gráfico 4, tem-se o resultado da análise de regressão linear para rendimento de
acordo com os tipos de volumes de câmaras de ar.
Gráfico 4 – Diagrama de dispersão dos dados da regressão linear para rendimento.
Dessa forma, observa-se que quando ocorre um aumento da câmara de ar, o rendimento
do carneiro hidráulico é melhorado. O coeficiente de determinação também apresentou um
valor confiável, demonstrando que o modelo linear representa o experimento.
y = 0,1985x + 44,889
R² = 0,9245
46,00
48,00
50,00
52,00
54,00
56,00
10 20 30 40 50
Ren
dim
ento
(%
)
Câmara de PVC
Conclusões
A partir da construção do carneiro, foi constatado que há forte tendência de
crescimento no volume recalcado e desperdiçado quando se aumenta o comprimento da
câmara de ar. Entretanto, observa-se uma relação inversamente proporcional ao número de
batidas.
Em correlação feita com as variáveis, os volumes recalcados e desperdiçados
obtiveram forte correlação positiva. Em contra partida, o número de batidas relacionado com
as outras variáveis apresentou forte correlação negativa.
Realizado as analises estatísticas de rendimento, foi possível verificar que a câmara
com 50 centímetros de comprimento apresentou ótimos resultados. Além disso, foi constatado
que com o aumento da câmara de ar, constatou-se o aumento de rendimento.
Referências
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