21º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
X-009 – DESENVOLVIMENTO DE UMA BANCADA HIDRO-PNEUMÁTICA
PARA TESTE DE VAZÃO EM APARELHOS HIDRÁULICOS
Paulo de Tarso Themistocles Esperança(1)
Engenheiro Naval pela Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro.
Mestre em Engenharia Naval pela COPPE/UFRJ. Doutor em Engenharia Oceânica pela
COPPE/UFRJ. Professor da Escola de Engenharia da UFRJ e do Programa de
Engenharia Oceânica da COPPE/UFRJ.
Maria Cristina Moreira Alves(2)
Engenheira Civil pela Universidade pela Universidade Federal de Pernambuco. Mestre
em Engenharia Civil pela COPPE/UFRJ. Doutora em Engenharia Civil pela PUC-Rio. Professora da Escola
de Engenharia da UFRJ.
Endereço(1): Rua Álvaro Chaves, 38 apto. 704 - Laranjeiras – Rio de Janeiro - RJ - CEP: 22231-220 - Brasil - Tel:
(21) 552-7233 - e-mail: : [email protected]
RESUMO
O presente trabalho tem como objetivo principal apresentar o desenvolvimento de uma bancada de
testes baseada num sistema hidro-pneumático para testar equipamentos hidráulicos residenciais, de
modo a verificar sua performance e propor modificações em busca de seu aperfeiçoamento. Esta
preocupação está associada à crescente busca por mecanismos que possam reduzir o desperdício de
água tratada, bem precioso e cuja escassez vem assumindo proporções alarmantes. Para tanto torna-se
necessário o levantamento da curva de funcionamento dos equipamentos, surgindo então a necessidade
da construção da bancada de testes.
PALAVRAS-CHAVE: Circuito Hidro-pneumático, Redução da Perda de Água, Avaliação de Aparelhos,
Adequação às Normas.
INTRODUÇÃO
A preocupação com a redução do desperdício de água tratada vem crescendo na medida direta em que este
recurso essencial para a vida em geral apresenta sinais evidentes de esgotamento. Uma forma simples de
reduzir o desperdício de água tratada consiste em aumentar a eficiência dos equipamentos hidráulicos, o que
se tornou uma demanda por parte de governos e consumidores a ser alcançada por empresas de material
hidráulico.
A motivação inicial para o desenvolvimento da bancada de testes para aparelhos hidráulicos surgiu a partir
de uma solicitação feita por uma empresa de aparelhos hidráulicos que decidiu avaliar produtos de sua linha
de produção. Dentre os dados solicitados pela empresa estão o de avaliar o produto de forma abrangente
incluindo a eficácia das informações nas embalagens e manuais de instalação e uso, adequação do produto
às exigências do Código de Defesa ao Consumidor, adequação às normas técnicas brasileiras e aos
procedimentos de manutenção e reparo. Para tanto seria necessário o conhecimento da curva de
funcionamento dos produtos, o que acarretou a necessidade da construção de uma bancada de testes. A
partir desta necessidade buscamos financiamento através do Projeto REENGE/FINEP/CAPES que busca a
integração Universidade/Empresa, incentivando desta forma a participação de alunos de Graduação em
Engenharia na solução de problemas tecnológicos concretos.
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DESCRIÇÃO DA BANCADA HIDRO-PNEUMÁTICA
A bancada de testes utiliza um circuito fechado hidropneumático para medida da vazão e foi projetada tendo
como guia a norma ISO 4185, [1], que se baseia no Método da Pesagem para determinação da vazão em
aparelhos hidráulicos.
A bancada foi construída sobre uma estrutura tubular montada sobre rodas para facilitar sua
mobilidade e seus principais elementos listados abaixo são apresentados no esquema da figura 1.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Tanque Hidropneumático com capacidade total de 500 litros com Carregador de Ar
Bancada .
Reservatório de polietileno para água com capacidade de 500 litros.
Balanças Digitais Eletrônicas com capacidade de 30 Kg com interface de comunicação serial RS-232.
Reservatório com capacidade de 500 litros
Bomba Centrífuga Multi-Estágio Horizontal com 2 HP
Compressor de ar de 5,2 pés3/min e potência de 1 HP.
1-Tanque Hidropneumático
2- Bancada
3- Reservatório de Água
2
4- Balança Digital
1
5- Reservatório para Coleta
6- Bomba Centrífuga
5
7- Compressor
4
7
3
6
Figura 1: Desenho Esquemático da Bancada de Testes
A figura 2 apresenta uma foto da bancada de testes mostrando em primeiro plano as duas balanças que
suportam os reservatórios para coleta de água, e no plano de fundo o compressor de ar que tem a função de
pré-comprimir o volume de ar no interior do tanque hidro-pneumático. Ao iniciar a operação, o nível de água
no interior do tanque deve estar na posição mais baixa de modo que o compressor de ar irá comprimir até que
a pressão de ar, que está sendo monitorada através de um manômetro, atinja um valor pré-determinado. Na
segunda etapa da operação de carregamento do tanque hidro-pneumático a bomba centrífuga é posta em
funcionamento de modo a encher o tanque. Deste modo, o aumento da massa de água no interior do tanque
vai levar a uma redução do volume de ar, acarretando um aumento na pressão de ar, até atingir a pressão de
teste, quando a bomba centrífuga será desligada.
A figura 3 apresenta uma visão frontal da bancada com destaque para as balanças que suportam os
reservatórios de coleta de água e onde se pode observar do lado esquerdo uma torneira em condição de teste.
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Figura 2: Bancada de testes com compressor de ar no plano de fundo
Figura 3: Vista frontal da bancada com balanças e reservatórios de coleta
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A figura 4 apresenta uma vista de fundo da bancada apresentando em primeiro plano o tanque hidropneumático com carregador de ar e as conexões hidráulicas que ligam o tanque à bancada.
Figura 4: Vista de fundo com tanque hidro-pneumático e conexões
PROCEDIMENTOS DOS TESTES
Os testes de vazão serão realizados de acordo com o seguinte procedimento:
i)
Inicialmente o ar é comprimido para dentro do tanque hidro-pneumático por meio do compressor até
que a pressão de ar no interior do tanque pneumático assuma um valor mínimo pré-determinado., sendo
que neste instante o volume de água no tanque deve se encontrar no nível mais baixo, [2].
ii)
Uma vez atingida a pressão de ar com o nível de água no ponto mais baixo, liga-se a bomba
centrífuga que irá injetar água para o interior do tanque hidro-pneumático fazendo com que o volume de
ar se comprima até atingir a pressão em que o teste de vazão será realizado, quando a bomba será então
desligada.
iii)
O teste de vazão será realizado liberando-se o fluxo de água que irá passar pelo equipamento
hidráulico em teste. A água que passa pelo equipamento em teste será coletada num reservatório que se
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encontra pousado sobre uma balança digital. Os dados de peso adquirido são transferidos da balança para
um computador no qual se encontra um sistema de aquisição e tratamento dos dados experimentais.
Deste modo é possível realizar testes de vazão em equipamentos hidráulicos submetidos a pressões
manométricas variando de 5 psi até 80 psi.
O processo de aquisição e tratamento de dados será realizado de forma automática a partir dos sensores de
pressão, temperatura e peso, que irão transmitir os dados analógicos para um sistema de aquisição de dados,
que tem placa A/D instalada num computador comum IBM PC K-7. Estes dados serão previamente
condicionados através de um módulo externo de condicionamento de sinais e posteriormente convertidos
para a forma digital, sendo então manipulados através de um programa de computador em linguagem
Labview, que será responsável pela coleta e tratamento dos sinais medidos. Este programa encontra-se em
fase final de desenvolvimento, e a figura abaixo mostra uma tela do mesmo
A bancada de testes utiliza um circuito hidráulico com tanque hidro-pneumático de modo a possibilitar o
teste dos produtos hidráulicos quando submetidos a diferentes níveis de pressão hidrostática. Desta forma é
possível simular com maior precisão o comportamento dos aparelhos hidráulicos, que estarão funcionando
em condições similares àquelas usualmente encontradas no consumo residencial. Os testes apresentam as
curvas de vazão versus pressão para aparelhos hidráulicos residenciais, buscando medir o consumo nas
condições normais de uso.
RESULTADOS PRELIMINARES
No momento atual, o programa de aquisição de dados se encontra em fase de elaboração, de modo que para
verificar o funcionamento da parte hidráulica propriamente dita, ou seja, compressor, bomba centrífuga e
tanque hidropneumático fizemos alguns testes de vazão numa torneira comum de fabricante nacional.
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As tabelas abaixo apresentam os resultados preliminares de peso (em Kgf) versus tempo (em s), tendo sido
medidos a pressão manométrica no interior do tanque (p. tanque) , a pressão manométrica na linha (p. linha),
a temperatura do ar (Temp. ar) e a Temperatutra da água (Temp. água). Foi medida ainda, a massa específica
da água ñ = 990 Kg/m3 (na temperatura de 26 0 C).
Tabela 1: Teste de vazão (peso X tempo) com pressão média de 20 psi.
p. tanque = 22 psi
p. linha = 20 psi
Temp. ar = 24 0 C
tempo (s)
0
10
15
20
25
peso (kgf)
0
3,5
4,8
6,0
7,2
Temp. água = 26
30
35
8,4
9,8
Tabela 2: Teste de vazão (peso X tempo) com pressão média de 26 psi
p. tanque = 24 psi
p. linha = 26 psi
Temp. ar = 24 0 C
tempo (s)
0
10
15
20
25
peso (kgf)
0
3,4
4,9
6,2
7,5
Temp. água = 26 0 C
30
35
8,9
10,3
Tabela 3: Teste de vazão (peso X tempo) com pressão média de 29 psi.
p. tanque = 31 psi
p. linha = 29 psi
Temp. ar = 26,5 0 C
tempo (s)
0
10
15
20
25
peso (kgf)
0
3,6
5,2
6,6
7,8
Temp. água = 26 0 C.
30
35
9,2
10,6
0
C
CONCLUSÕES
Os resultados preliminares indicam que a parte hidráulica propriamente dita está funcionando de acordo com
o planejado, ou seja, por meio do compressor de ar, do tanque hidro-pneumático e da bomba centrífuga
poderemos realizar testes de vazão em pressões manométricas que variam desde 5 psi ( 3,5 m.c.a) até 80 psi
(56 m.c.a), varrendo desta forma toda a faixa de pressões usualmente encontradas nas instalações hidráulicas
residenciais. Por outro lado, o programa que controla e analisa os sinais de pressão, temperatura e peso
encontra-se em fase final de desenvolvimento. Este programa, escrito em linguagem LABVIEW, terá a
função de controlar todo o processo de aquisição e tratamento dos sinais medidos.
AGRADECIMENTOS
O desenvolvimento deste
REENGE/FINEP/CAPES.
trabalho
foi
possível
graças
ao
apoio
financeiro
do
Projeto
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1.
2.
6
ISO 4185, Measurement of liquid flow in closed conduits-Weighing method. , 1980.
MACINTYRE, A. J. Instalações Hidráulicas, Prediais e Industriais. LTC. Rio de Janeiro, 1996.
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