7º Congresso da Água
VÁLVULAS REDUTORAS DE PRESSÃO E PRODUÇÃO DE ENERGIA
Helena RAMOS; Dídia COVAS
Prof. do DECivil, Instituto Superior Técnic, Av. Rovisco Pais, 1049-01 Lisboa, +351 21 8418 151; [email protected]
Luiz ARAÚJO
Estudante de Doutoramento do IST, Prof. Adjunto da Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, Brasil, [email protected]
RESUMO
As válvulas redutoras de pressão (VRP), como estruturas dissipadoras, são utilizadas nos sistemas
hidráulicos (e.g., abastecimento e rega) como forma de uniformização e controlo das pressões, dando
origem a uma perda de carga localizada, mediante a dissipação de energia hidráulica, através do
abaixamento dos valores de pressão a jusante. Estas válvulas podem ser controladas mecânica ou
electronicamente e permitem uma gestão mais eficiente dos níveis de serviço pretendidos. Conhece-se
o comportamento do sistema em regime permanente na presença de VRP, mas desconhece-se a sua
resposta dinâmica quando sujeitas a variações transitórias do escoamento. Salienta-se o papel
determinante destes dispositivos no controlo e redução de perdas de água, sempre que exista um
sistema com zonas de pressão em excesso, traduzindo-se numa perda de energia que é
desperdiçada. A utilização de microturbinas em sua substituição, apresenta-se como uma solução
alternativa ao controlo localizado das pressões, e uma medida de mitigação relativamente às perdas
energéticas do sistema. A existência de desníveis acentuados favorece a adopção deste tipo de
solução, evitando a utilização de classes de pressão demasiado elevadas nas condutas, com a
consequente diminuição de custos, e apresenta, ainda, o benefício associado à produção de energia
em função dos consumos diários. É também salientada a gestão integrada do sistema aduçãoprodução, no que respeita à optimização de recursos.
Palavras-chave: válvulas redutoras de pressão, controlo da pressão, produção de energia,
comportamento hidráulico, bomba / turbina
1
ASSOCIAÇÃO PORTUGUESA DOS RECURSOS HÍDRICOS
7º Congresso da Água
1 - INTRODUÇÃO
A utilização de válvulas redutoras de pressão num sistema de distribuição de água tem por
objectivo a uniformização e o controlo da pressão através da divisão da rede em zonas definidas por
patamares de pressão de acordo com a sua topografia. Em geral, cada zona é abastecida dentro de
uma determinada gama de pressões garantidas, ou pela utilização de reservatórios intermédios
(elevados ou apoiados), ou pela instalação de válvulas redutoras de pressão nas entradas activas da
zona.
Ao controlar-se a pressão está-se ao mesmo tempo a controlar a ocorrência de fugas, uma vez que
estas são uma função dependente da pressão ocorrida no sistema e é tema de preocupação dos
gestores dos sistemas de abastecimento e distribuição.
O aproveitamento de energia, sem significativos impactes ambientais e, quando aplicado a sistemas de
distribuição ou adução, é, sem dúvida, uma solução alternativa à produção energética, uma vez que
existe um caudal garantido e que pode ser utilizado sem prejuízo dos consumos ou de outras
utilizações.
2 - VÁLVULAS REDUTORAS DE PRESSÃO (VRP)
As válvulas redutoras de pressão (VRP) têm como principal função limitar a pressão a jusante.
Existem diversos tipos de válvulas redutoras de pressão, sendo as mais comuns - válvulas de mola, de
pistão e de diafragma (Figura 1) (COVAS e RAMOS, 1998)
Genericamente, o princípio de funcionamento de uma VRP consiste em accionar o dispositivo de
obturação sempre que a pressão a jusante for demasiado elevada, por forma a aumentar a perda de
carga localizada no sistema, reduzindo o valor da pressão a jusante até ao valor pretendido (valor
designado por carga de definição da válvula redutora de pressão, HVRP); se pelo contrário, a pressão a
jusante descer abaixo de um determinado valor, a válvula abre, diminui a perda de carga, aumentando
a linha de energia e a pressão a jusante atinge o valor pretendido. Deste modo, distinguem-se
fundamentalmente três tipos de funcionamento:
1) em que a válvula provoca uma perda de carga localizada no sistema reduzindo o valor da
pressão a jusante e que se designa por estado activo da válvula (Figura 2-(i)).
2) se a pressão a montante for insuficiente e inferior à carga de definição da VRP, a válvula
abre totalmente, mantendo a montante e a jusante a mesma pressão a menos da perda de
carga localizada introduzida pela válvula aberta designado por estado passivo com a
válvula aberta. (Figura2-(ii))- por forma a minimizar a perda de carga localizada intrínseca
à válvula aberta, a válvula deverá ser dimensionada de modo que a sua capacidade, para
a abertura total, seja superior ao caudal de dimensionamento do sistema.
3) sempre que, por qualquer razão, a pressão a jusante seja superior à pressão a montante,
a válvula fecha totalmente funcionando como uma válvula de retenção que impede a
inversão do escoamento, caracterizando assim o estado passivo da válvula fechada
(Figura 2 - (iii)).
2
ASSOCIAÇÃO PORTUGUESA DOS RECURSOS HÍDRICOS
7º Congresso da Água
Controlo de
pressão
Controlo de pressão
Pistão
Mola
Diafragma
Câmara de
controlo
Diafragma
Ajustador
Elemento
obturador
Câmara de montante
Apoio
Câmara de
jusante
Câmara
de jusante
Câmara de
jusante
Caudal
Câmara
de montante
Câmara de
montante
Figura 1 - Diferentes tipos de válvulas redutoras de pressão (VRP): da esquerda para a direita,
VRP controlada por mola, VRP controlada por pistão e VRP controlada por diafragma.
Hm
HVRP
HVRP
Hm
Hj
Hj
Hm
L.E.
Q=0
Q
Q
VRP
VRP
VRP
(i) VRP activa
(ii) VRP passiva aberta
(iii) VRP passiva fechada
(Hm≥HVRP≥Hj)
(Hj≤Hm≤HVRP)
(Hj≥Hm)
Figura 2 - Modo genérico de funcionamento de uma válvula redutora de pressão do tipo convencional
As VRP podem ser controladas mecânica ou electronicamente, de modo a funcionarem, não
apenas para um único valor de pressão, mas para diversos patamares de pressão definidos em função
da variação de consumo, permitindo, assim, uma gestão mais eficiente dos níveis de serviço e um
melhor desempenho hidráulico do sistema. Existem, basicamente, quatro sistemas de funcionamento
de válvulas redutoras de pressão: (i) VRP com carga constante - a válvula reduz e estabiliza a pressão
a jusante da mesma, mantendo a pressão constante e igual a um determinado valor, pré-estabelecido
(HVRP), qualquer que seja a pressão a montante e o débito de caudal no sistema (Figura 3-(i)); (ii) VRP
com queda constante - a válvula reduz pressão a jusante da mesma, mediante a introdução de uma
perda de carga localizada constante independente da pressão a montante, pelo que a pressão a
jusante da válvula varia com a pressão a montante, mantendo constante o diferencial entre ambas, ∆H
(Figura 3-(ii)); (iii) VRP com carga constante variável no tempo - o comportamento deste sistema é
análogo ao da VRP com carga constante a jusante, no entanto, a pressão é mantida constante em
intervalos no tempo, pré-definidos, variando de intervalo para intervalo (Figura 3-(iii)). A situação mais
comum é a utilização de dois patamares de pressão: um para o período diurno e outro para o nocturno;
(iv) VRP com carga ajustável automaticamente em função da variação dos consumos - a válvula reduz
a pressão a jusante em função do caudal debitado ou da variação de pressão em secções críticas da
rede (secções com menores pressões). Caso a pressão seja regulada pelo caudal, é necessário
equipar a válvula com um sistema de medição de caudal, para que qualquer variação do caudal, seja
acompanhada pela respectiva variação de pressão a jusante (desde que a pressão a jusante se
mantenha inferior à de montante).
3
ASSOCIAÇÃO PORTUGUESA DOS RECURSOS HÍDRICOS
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Hmi
Hmi+1
Hmi+1
L.E.
Hmi
L.E.
Hmi+1
HVRP
L.E.
∆H
VRP
∆H H i
j
Hmi
L.E.
Hmi+1
(ii) VRP com queda
constante
Hji(ti)
L.E.
L.E.
Hmi
Hmi+1
L.E.
Hmi+2
Hji+1(ti+1)
Hji+1
VRP
(i) VRP com carga
constante
L.E.
Hji+2(Qi+2)
VRP
(iii) VRP com carga
constante
variável no tempo
Hji(Qi))
Hji+1(Qi+1)
VRP
(iv) VRP com carga
const. ajustável
ao consumo
Figura 3 - Modo de funcionamento activo de diferentes sistemas
de válvulas redutoras de pressão (VRP)
Nestas últimas décadas, uma das principais preocupações dos gestores de sistemas de
abastecimento de água tem sido a minimização de perdas de água que, na média mundial, atingem
valores da ordem de 40% de toda água consumida. Esta preocupação está centrada na busca da
auto-sustentabilidade económico/ambiental dos sistemas de transporte de água, que passa pelo
consumo de energia nos sitemas e pelo controlo da pressão.
3 - BOMBAS COMO TURBINAS
A utilização de bombas a funcionar como turbinas, em sistemas de transporte de água,
nomeadamente, abastecimento de água a populações ou rega, pode ser uma alternativa valiosa para a
produção de energia eléctrica, no contexto das energias renováveis, com baixo custo e favorável em
termos ambientais (RAMOS e BORGA, 2000ª, 2000b; VALADAS, 2001; VALADAS e RAMOS, 2003). A
opção da escolha de bombas é aplicável sempre que exista no sistema excesso de energia e que as
potências a instalar (ou os caudais a turbinar) sejam reduzidos, que se torne economicamente inviável
a instalação de turbinas.
Nesta conformidade, os sistemas com excesso de energia disponível, em certas secções do
circuito hidráulico, podem apresentar condições especialmente favoráveis à instalação de bombas a
funcionarem como turbinas para aproveitamento dessa energia, que de outro modo seria dissipada
através de válvulas redutoras de pressão, conforme se referiu anteriormente.
Na Figura 4 podem observar-se as curvas características do funcionamento de bombas
(funcionamento normal) e turbinas (ou bombas como turbinas), que caracterizam a variação da
potência, altura de elevação / queda útil e rendimento com a variação de caudal.
A utilização de bombas a funcionarem como turbinas para a produção de energia, como solução
economicamente viável, apresenta variadas vantagens, sendo de considerar como as mais importantes,
o facto de ser uma solução de baixo custo e uma fonte de energia limpa, sem impactes ambientais
negativos significativos. Este tipo de solução apresenta vantagens económicas em termos de custos de
investimento e de disponibilidade no mercado de uma gama variada de bombas, aplicáveis a diferentes
quedas e caudais, comparativamente à utilização de microturbinas, cujos custos são mais elevados.
4
ASSOCIAÇÃO PORTUGUESA DOS RECURSOS HÍDRICOS
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H
BOMBA
P
η
Intervalo de
funcionamento
H
H
TURBINA
P
η
n = constante
H
n = constante
P
Ho
Ho
P
η
η
Qo
Q
Qo
Q
Figura 4. Curvas típicas do desempenho de bombas com funcionamento normal
(esquerda) e como turbinas (direita).
A Figura 5 representa o campo de aplicação de turbinas aplicáveis a micro e mini centrais
hidroeléctricas e a bombas a funcionar como turbinas.
H
Figura 5. Campo de aplicação de turbinas e de bombas a funcionar como turbinas
(adaptado de CHAPALLAZ et al, 1992).
4 - CONTROLO DA PRESSÃO
Através de válvulas redutoras de pressão podem minimizar-se a ocorrência de fugas e os
consumos desnecessários sem o prejuízo do desempenho hidráulico do sistema e do nível de serviço
dos consumidores, quando se trata de um sistema de distribuição de água às populações ou para
rega. Na situação em que não se utiliza qualquer dispositivo redutor de pressão, a pressão varia
significativamente ao longo do dia (no tempo), e ao longo do perfil da conduta (no espaço), exigindo-se
a garantia do nível de serviço mínimo aos consumidores (dependente da pressão mínima de serviço
imposta).
5
ASSOCIAÇÃO PORTUGUESA DOS RECURSOS HÍDRICOS
7º Congresso da Água
Em certa medida o princípio de funcionamento de uma turbina é muito semelhante a
determinadas condições de utilização de VRP, uma vez que a queda útil aproveitada perla turbina
permite o controlo das pressões a jusante.
Segundo alguns investigadores, nomeadamente JOWITT e XU (1990); REIS et al. (1997);
KALANITHY e LUMBERT (1998); TUCCIARELLI et al. (1999); REIS e CHAUDHRY (1999); ULANICKA
et al. (2001); ARAUJO et.al. (2002a, 2002b, 2003), a solução mais indicada para se adoptar no controlo
das pressões, corresponde, sem dúvida, ao uso de elementos provocadores de perdas de carga,
nomeadamente válvulas redutoras de pressão. A Figura 6-b) mostra o efeito de uma válvula redutora
de pressão no controlo das pressões de um sistema quando comparadas com o sistema sem
dispositivo de controlo (Figura 6-a).
b)
a)
Pressões em cada nó (m c.a.) vs tempo (h)
46
44
42
40
38
36
34
32
30
1
8
tempo (h)
15
22
Id dos nós
P ressões em cada nó (m c.a.) vs tempo (h)
44-46
42-44
40-42
38-40
36-38
34-36
32-34
30-32
46
44
42
40
38
36
34
32
30
1
8
15
44-46
42-44
40-42
38-40
36-38
34-36
32-34
30-32
tempo (h)
22
Id dos nós
Figura 6. Controlo das pressões: a) - sistema sem controlo; b) - efeito da instalação de uma VRP com
regulação horária da abertura
Tanto as válvulas como as turbinas têm uma resposta semelhante sob condições de regime
permanente, embora se desconheça a resposta dinâmica destes equipamentos quando sujeita a
variações de caudal sob condições de regime variável.
5 - MODELO MATEMÁTICO
Com vista à obtenção de soluções mais adequadas para a resolução de problemas relacionados
com o controlo das pressões (i.e., utilizando válvulas redutoras de pressão (VRP) ou de bombas /
turbinas (BT)), desenvolveu-se uma metodologia constituída fundamentalmente por duas
componentes: (1) a utilização do programa EPANET 2.0 (2000), para obtenção do equilíbrio hidráulico
do sistema que se pretende analisar com a introdução da curva da perda de carga numa “válvula
(VRP) ou da bomba/turbina (BT)”; (2) desenvolvimento de um módulo de OPTIMIZAÇÃO de pressões
que fará uso dos resultados gerados pelo programa EPANET 2.0 (2000), para resolver a função de
optimização em termos de controlo de pressões (i.e. localização da VRP e grau de abertura ou tipo de
BT). No caso da VRP, o programa EPANET 2.0 (2000) necessita, para cada intervalo de tempo, das
condições operacionais da válvula (i.e., ao regular aberturas de válvulas está-se a impôr perdas de
carga que alteram as pressões), que é fornecido pelo módulo OPTIMIZAÇÃO (ARAUJO et al., 2002b,
2003).
6
ASSOCIAÇÃO PORTUGUESA DOS RECURSOS HÍDRICOS
7º Congresso da Água
A obtenção das perdas de carga que minimizem as pressões nodais e, por conseguinte, a
ocorrência de fugas no sistema, ou a maximização do aproveitamento de energia disponível no
sistema e que seria desperdiçado, constituem objectivos fundamentais aplicados aos sistemas de
distribuição. Os dados são gerados aleatoriamente, utilizando para o efeito a técnica dos Algoritmos
Genéticos (AG) por forma a que o sistema atinja o seu valor óptimo em termos de minimização de
fugas e maximização de energia. Salienta-se que a metodologia proposta aplica-se a redes
funcionando em regime permanente ou em regime quasi-dinâmico (i.e., período extendido).
Os AG fazem parte das técnicas de busca, optimização e aprendizagem, que manipulam um
espaço de possíveis soluções utilizando mecanismos adaptados à “Selecção Natural de Darwin”. São,
assim, robustos e eficientes em espaços de busca irregulares, multidimensionais e complexos
(GOLDEBERG (1994)), apresentam características que operam numa população de pontos, trabalham
de forma representativa os parâmetros (normalmente representação binária), utilizam regras não
determinísticas ou, probabilísticas, e, para cada elemento da população de indivíduos, requerem
informações apenas sobre o valor da função de aptidão.Têm sido utilizados com sucesso na resolução
dos complexos problemas de optimização, em particular, na modelação de sistemas de abastecimento
de água (ARAUJO et al., 2002ª e 2002b, 2003).
A formulação matemática da componente de optimização baseia-se nas seguintes equações:
N
− Pmin )
 (P
= 1 ∑  cal ,i , t

Pmin
i =1 

N
min ∑ Pi através a optimização de
f (p i )
i
T
t =1
2
(1)
T
t =1
com i = 1, 2, 3,...,N, impondo a seguinte restrição:
P i > P min
(2)
em que N representa o número de nós na rede; Pi a pressão no nó i; Pmin a pressão mínima desejada,
T o número de intervalos de tempo simulados (normalmente 24 intervalos de 1 hora), Pcal,i,t a pressão
calculada no nó i para a hora t.
Figura 7. Simulação do funcionamento de uma VRP (superior esquerda)
e de uma BT (restantes gráficos)
7
ASSOCIAÇÃO PORTUGUESA DOS RECURSOS HÍDRICOS
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Na Figura 7 apresenta-se a simulação do sistema analisado (Figura 6-a), para duas situações
distintas: (i) gráfico superior esquerdo - influência da VRP ao fixar a pressão a jusante (curva superior)
e variação da pressão no ponto mais afastado da rede (curva inferior) ao longo do dia; (ii) gráfico
superior direito - bomba a funcionar como turbina com pequena variabilidade da pressão a jusante da
bomba (curva superior) e no ponto mais afastado da rede (curva inferior). Pode ainda visualizar-se o
esquema da rede analisada (gráfico inferor esquerdo) e a distribuição de pressões nos nós e de
caudais nas tubagens para uma dada hora do dia e a respectiva curva característica da bomba a
funcionar como turbina (gráfico inferior direito) adoptada para este tipo de análise. Verifica-se que o
efeito da BT é semelhante ao da VRP (Figura 8 – os dois gráficos inferiores) apresentando ainda o
benefício de poder produzir energia hidroeléctrica.
Pressões em cada nó (m c.a.) vs tempo (h)
46
44
42
40
38
36
34
32
30
1
8
tempo (h)
15
44-46
42-44
40-42
38-40
36-38
34-36
32-34
30-32
22
Id dos nós
pressão para cada nó (m c.a.) v s
VRP
tempo (h)
46
44
42
40
38
36
34
32
30
1
8
tempo (h)
15
22
Id nós
pressão para cada nó (m c.a.) v s
BT
44-46
42-44
40-42
38-40
36-38
34-36
32-34
30-32
tempo (h)
46
44
42
40
38
36
34
32
30
1
8
tempo (h)
15
44-46
42-44
40-42
38-40
36-38
34-36
32-34
30-32
22
Id nós
Figura 8. Respostas do sistema para a situação sem controlo e com controlo da pressões (VRP ou BT)
Os valores das pressões mínimas obtidos nos diferentes nós da rede são condicionados pela
regulação da VRP ou pela curva característica adoptada para a BT.
6 - ANÁLISE EXPERIMENTAL
6.1. Descrição da instalação
A instalação experimental foi desenvolvida no LHRH do DECivil do IST e é constituída por uma
conduta em linha, ligada a montante, a um reservatório com ar comprimido (RAC), com o volume de
0.8 m3, e a jusante tem saída para a atmosfera, descarregando para um reservatório de nível constante
(Figura 9). O material da conduta é PEAD da classe PN10, com o comprimento total de cerca de 200 m
(entre a secção 1 e 3 da Figura 9), o diâmetro interno de 0.043 m, a espessura da parede da conduta
de 0.0035 m, a rugosidade absoluta de 0.00005 m e a celeridade das ondas elásticas de 280 m/s.
8
ASSOCIAÇÃO PORTUGUESA DOS RECURSOS HÍDRICOS
7º Congresso da Água
Na secção 2 foi, inicialmente, instalada uma válvula redutora de pressão (VRP – Figura 10a),
para análise das condições de funcionamento em regime permanente e em regime variável, e que,
posteriormente, foi substituída por uma bomba a funcionar como turbina (Figura 10b).
Conduta PEAD: L2 ≈ 100
RAC
2
VRP
1
Conduta PEAD: L1 ≈ 100
3
B
Figura 9. Esquema geral da instalação experimental
b)
a)
VRP
de
mola
dinamómetro
para med.
binário
evoluta
e roda
Figura 10. Válvula redutora de pressão (a) e bomba a funcionar como turbina (b)
6.2. Análise em regime permanente
Na análise efectuada foram consideradas diferentes condições de escoamento, nomeadamente
energia do escoemento no RAC e caudal escoado. No caso da existência de uma válvula ou de uma
turbina numa conduta a linha de energia e piezométrica podem ter os seguintes andamentos,
dependente das condições de escoamento (Figura 11), em particular no difusor da turbina devido à
rotação do escoamento pode em determinadas circunstâncias a originar pressões a jusante da turbina
inferiores às verificadas na secção de jusante do sistema hidráulico onde se localiza a válvula de
controlo do caudal.
∆Hv
∆Hv
pjvrel>pj
pjvrel<0<pj
Figura 11 – Andamento da linha de energia e piezométrica para diferentes condições de escoamento
9
ASSOCIAÇÃO PORTUGUESA DOS RECURSOS HÍDRICOS
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na valv. manobra - jus
H (m)
jus. Válvula Redutora de Pressão
Qj=2,64 l/s Hrac=32,46 m - mont VRP
na valv. manobra - jus
jus. Válvula Redutora de Pressão
Qj=1,50 l/s Hrac=31,46 m - mont VRP
na valv. manobra - jus
jus. Válvula Redutora de Pressão
Qj=0,50 l/s Hrac=33,00 m - mont VRP
35
VRP
30
25
20
15
10
5
0
0.0
0.2
0.4
na válv. manobra - jus
na válv. manobra - jus
na válv. manobra - jus
H (m)
0.6
0.8
1.0
1.2
jus. bomba/turbina
jus. bomba/turbina
jus. bomba/turbina
35
t (s)
1.4
Qj=2,64 l/s Hrac=33.46 m - mont. BT
Qj=1,89 l/s Hrac=31,47 m - mont BT
Qj=1,50 l/s Hrac=33,48 m - mont. BT
BT
30
25
20
15
10
5
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
t (s)
1.4
Figura 12 – Análise do comportamento de uma VRP e de uma Bomba a funcionar como Turbina (BT).
Valores da perda de carga em função da carga a montante e do caudal escoado
Quadro 1 – Comparação entre as perdas de carga provocadas por VRP e BT testadas em laboratório
Q
(l/s)
2.64
1.89
1.50
0.50
∆H - VRP
curva do fabricante
(m)
22.60
12.00
9.00
7.00
∆H - VRP
experimental
(m)
22.75
12.10
10.08
7.51
∆H - BT
experimental
(m)
23.50
12.5
10.60
não roda devido ao atrito
Da análise efectuada verifica-se que, para a VRP adoptada no estudo, o comportamento é muito
semelhante ao de uma turbina (ou de uma bomba a funcionar como turbina – Figura 12 e Quadro 1). A
diferença poderá ser mais significativa quanto mais sofisticada for a VRP, no que diz respeito ao
controlo da pressão a jusante.
10
ASSOCIAÇÃO PORTUGUESA DOS RECURSOS HÍDRICOS
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6.3. Análise em regime variável
Realizaram-se vários ensaios para diferentes condições de funcionamento (i.e., carga hidráulica
a montante e caudal escoado) com vista à análise do regime transitório.
Na instalação descrita em 6.1, a válvula colocada na secção 3 (considerada a jusante do sistema)
corresponde à válvula para manobra de corte de caudal no sistema. Este tipo de manobra permitiu
verificar e comparar o comportamento de uma bomba a funcionar como turbina (BT), do ponto de vista
hidráulico, com o de uma válvula redutora de pressão (VRP) testada em laboratório.
H (m)
BT
na válv. manobra - jus.
jus. BT
mont. BT
60
H (m)
na válv. manobra - jus
VRP
jus. VRP
mont. VRP
60
50
50
Hrac = 32.46 m; Qj = 2.64 l/s
Hrac = 31.48 m; Qj = 2.64 l/s
40
40
30
30
20
20
10
a)
0
10
b)
0
0
2
4
6
8
10
12
-10
14
0
t (s)
H (m)
VRP
na válv. manobra - jus.
jus. VRP
mont. VRP
50
40
2
4
6
8
10
VRP
na válv. manobra - jus.
14
t (s)
jus. VRP
mont. VRP
40
30
Hrac = 20.00 m; Qj = 2.17 l/s
12
-10
H (m)
Hrac = 11.67 m; Qj = 1.51 l/s
30
20
20
10
10
d)
c)
0
0
0
2
4
6
8
10
12
0
14
t (s)
-10
2
4
6
8
10
12
14
t (s)
-10
Figura 13 – Análise da resposta dinâmica de uma BT e VRP ao
fechamento rápido de uma válvula a jusante
Para um determinado grau de ajustamento inicial, imposto à válvula redutora de pressão (no
caso analisado, refere-se ao ajustamento da mola por parafuso), a resposta a uma variação de caudal
a jusante difere, consoante as condições iniciais do sistema (carga e caudal), enquanto que a turbina
apresenta uma resposta semelhante (sempre do mesmo tipo), mesmo para diferentes condições de
escoamento.
A bomba/turbina (BT) permite passar o transitório através da roda (tanto para montante como
para jusante), apresentando uma resposta equivalente para as três secções de medição (na válvula de
manobra - a jusante, imediatamente a jusante da BT e a montante dela), com o mesmo período da
onda (Figura 13-a), como se de uma única conduta, munida de válvula de manobra a jusante, se
tratasse, provocando, simplesmente, um desfazamento resultante do posicionamento entre secções.
Quanto à resposta da VRP verificou-se experimentalmente que dependia de vários factores.
Conforme apresentado na Figura 2 (iii), a válvula redutora de pressão pode funcionar como válvula de
retenção e isolar o escoamento entre jusante e montante da VRP, o que é visível na Figura 13-b, uma
vez que o período da onda corresponde a metade do comprimento da conduta, ou seja entre montante
e a VRP, e a VRP e a válvula de manobra localizada a jusante do sistema.
Considerando que a secção de montante do sistema é a secção 1 da Figura 9, correspondente
ao reservatório com ar comprimido, a secção a montante da BT / VRP – secção 2 é a secção
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localizada imediatamente a montante, a secção a jusante da BT / VRP é a localizada imediatamente
(após 1m da BT / VRP) a jusante e que, a secção da válvula de manobra é a secção 3 da Figura 9, a
análise desenvolve-se em função das referidas secções e do caudal escoado, para uma manobra
rápida de anulação do caudal na secção 3 (Figura 9).
Para condições semelhantes de escoamento verifica-se que existe uma diferença considerável
no tipo de resposta dinâmica entre uma BT – Figura 13-a) e uma VRP – Figura 13-b): além do período
das ondas ser diferente, conforme referido anteriormente, a jusante da VRP, o transitório amortece
rapidamente enquanto que na BT, percorre toda a conduta (passando através da roda); entre a secção
1 e a VRP, os valores extremos de pressão são mais significativos que os atingidos no caso da BT
uma vez que a a VRP reduz consideravelmente o caudal através dela (o que passa para jusante é
muito reduzido); as secções a montante da VRP são as mais desfavoráveis em termos de variação de
pressão, enquanto que na BT são as secções, naturalmente, junto da válvula de manobra (colocada a
jusante do sistema hidráulico em estudo); é interessante verificar que a redução da carga na secção 1
(induziu, consequentemente a diminuição de caudal no sistema – Figura 13-c) e mais concretamente
d)) provoca uma mudança no tipo de resposta da VRP, mais condizente com o comportamento da BT.
7 - CONCLUSÕES
A identificação dos diferentes tipos de comportamento das VRP e a sua influência nos sistemas
hidráulicos (quer para abastecimento, distribuição e para rega) relativamente ao controlo de pressões e
redução de fugas, permitiu desenvolver um modelo matemático baseado no EPANET para optimização
do desempenho e analisar a solução de uma bomba a funcionar como turbina para além de controlar
as pressões poder produzir energia.
Do estudo desenvolvido salienta-se o interesse na adopção de soluções inovadoras deste tipo,
com vista a um maior aproveitamento energético dos sistemas hidráulicos com excesso de energia,
que seria desperdiçada através de válvulas redutoras de pressão (VRP). Verificando-se um
comportamento muito semelhante entre VRP e bombas a funcionar como turbinas (BT) em condições
de regime permanente, a consideração de BT pode ser considerada uma alternativa energética
possível, limpa e de baixo custo no contexto das energias renováveis. A substituição de VRP por
turbinas ou a instalação em série ou em paralelo, depende muito das condições pretendidas ao nível
de regulação e controlo do sistema, exigindo, desse modo mais investigação neste domínio. A anáslise
do regime variável denotou diferenças no comportamento entre os dois tipos de equipamentos
testados para determinadas condições de escoamento, como seria previsível, e que, em certos casos,
pode até ser mais aconselhável a solução do tipo da obtida com a BT e noutros a solução da VRP.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio da FCT, pela atribuição da bolsa de doutoramento
(SFRH/BD/1148/2000) e, fundamentalmente, ao projecto POCTI/37798/ECM/2001, que conta com a
comparticipação do fundo comunitário europeu FEDER. Os autores, também, agradecem o LHRH do
DECivil/IST, que permitiu a construção da instalação experimental e a realização dos ensaios
laboratoriais.
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