Aplicabilidade do Carneiro Hidráulico na Construção Civil.
Janieli Andressa Ponsoni (1) Karine Klahold (2) Wesley Klumb (3) Vander Yamauchi (4)
(1) Acadêmica do Curso de Arquitetura e Urbanismo, UFFS, campus Erechim, Brasil. E-mail:
[email protected]
(2) Acadêmica do Curso de Arquitetura e Urbanismo, UFFS, campus Erechim, Brasil. E-mail:
[email protected]
(3) Acadêmico do Curso de Arquitetura e Urbanismo, UFFS, campus Erechim, Brasil. E-mail:
[email protected]
(4) Mestre em Construção Civil, UFFS, campus Erechim, Brasil. E-mail:
[email protected]
Resumo: Este documento apresenta um estudo acerca do Carneiro Hidráulico: um equipamento para
bombeamento d’água. Com base neste estudo introdutório verificar-se-á a possibilidade de aplicação
deste equipamento comumente usado em áreas rurais para o uso habitacional de bombeamento da
água da chuva para reservatórios superiores. Sistemas de armazenagem para uso da água da chuva
estão sendo cada vez mais introduzidos nas habitações para usos não potáveis nos banheiros e áreas
externas como hortas. A popularização deste tipo de alternativa sustentável esbarra na falta de
praticidade do uso da água armazenada quando se faz necessária a coleta manual nas cisternas,
através de recipientes como baldes por exemplo; a possibilidade de um reservatório superior que
possa distribuir a água não potável para pontos específicos das moradias, e que viria facilitar o uso
desta água, esbarra por sua vez na necessidade de uma bomba de recalque da água acumulada na
cisterna inferior, consumindo energia elétrica ou derivados do petróleo. Diante deste empasse entre
economia de recursos hídricos e economia energética, buscamos no carneiro hidráulico uma
alternativa de incentivar a utilização da água proveniente das chuvas reduzindo o consumo elétrico
que a implantação de uma bomba de recalque geraria. HORNE e NEWMAN (2005) afirmam que o
carneiro hidráulico possui, como vantagens, além da exclusão de fontes externas de energia, a
manutenção e a operação simples, sem a necessidade de mão-de-obra qualificada, baixo custo de
aquisição e/ou montagem e a possibilidade de uso durante 24 horas por dia recalcando água sem
emissão de poluentes ou gases.
Palavras-chave: Carneiro hidráulico; Captação pluvial; Sustentabilidade.
Abstract: This paper presents a study about the Hydraulic Ram: a device for pumping water. Based on
this introductory study the possibility of applying this equipment commonly used in rural areas for
residential use pumping rainwater for upper reservoirs-will occur. Storage systems for use of
rainwater are being increasingly introduced into dwellings for non-potable uses in bathrooms and
outdoor areas like gardens. The popularization of this type of sustainable alternative hindered by a
lack of practicality of using stored water when it is needed the manual collection in cisterns through
containers like buckets for example; the possibility of a top shell which may did not distribute the
drinking water to specific points of the housing, which would facilitate the use of this water in its turn
comes up against the need for a booster pump of the water accumulated in the lower tank consuming
electrical energy or petroleum. Faced with this impasse between water and energy saving economy,
we seek to ram an alternative to encourage the use of water from the rains reducing power
consumption that the implementation of a booster pump would generate. HORNE and Newman (2005)
argue that the ram has as advantages, besides the exclusion of external sources of energy,
maintenance and simple operation, without the need for labor, skilled labor, low cost of acquisition
and / or assembly and the ability to use 24 hours a day retracing water without emission of pollutants
or gases.
Keywords: Hydraulic ram; Rainwater catchment; Sustainability.
1. INTRODUÇÃO
Diante do problema constante de falta d’água e da necessidade pela economia energética, nos
deparamos com a possibilidade de captação e utilização das águas pluviais com o mínimo de consumo
elétrico. A alternativa de armazenar a água da chuva para posterior uso vem sendo timidamente
aplicada na rotina das pessoas.
O uso de bombas de recalque da água da chuva para reservatórios superiores é alternativo. Sua
dispensa gera porém, a necessidade da retirada manual da água na cisterna inferior através de
recipientes como baldes, para só então ser utilizada nos afazeres domésticos. Encontrar formas
alternativas e econômicas de bombeamento da água para reservatórios superiores, e facilitar o uso de
fontes alternativas de água, trazendo o recurso para o interior das residências nas torneiras e vasos
sanitários, representa um incentivo para a economia dos recursos hídricos.
2. OBJETIVO
2.1. Objetivos gerais
A captação da água de chuva é uma maneira rápida de se obter um grande volume de água em um
período de tempo bastante reduzido, e de razoável qualidade. Existem basicamente duas maneiras
conhecidas de se captar: a primeira é aproveitando o teto da casa, e o segundo é revestindo o subsolo
de uma área de encosta com plástico e canalizando a água, pré-filtrada pelo solo, até uma caixa ou
reservatório.
Dada a significativa importância da armazenagem e do uso da água da chuva, temos o objetivo de
averiguar, através de uma pesquisa bibliográfica as vantagens, desvantagens e a viabilidade de
instalação de um carneiro hidráulico para o bombeamento da água da chuva para os reservatórios
superiores de residências. A seguir serão apresentados alguns dos sistemas de captação comumente
aplicados em residências.
2.2. Sistemas de captação da água da chuva
2.2.1. Captação através do telhado das casas.
Para captação da água da chuva através do telhado, a cisterna apanha a água da chuva por meio do
telhado e calhas. Esse sistema é dimensionado de acordo com a área de capacitação e os índices de
chuva da região. Esta água captada permanece armazenada ao abrigo de luz e do calor e é bombeada
para uma caixa de água paralela à rede hidráulica normal da residência (Figura 2.1), que possibilitara
abastecer locais como banheiro e lavanderia, onde não é necessário o uso da água potável.
Em edifícios em construção pode ser utilizado um sistema paralelo à água da rua e incluir em
descargas de banheiros, lavagem de roupas e torneiras externas. Já residências construídas onde não se
deseja ou não é possível fazer alterações nas instalações hidráulicas já existentes é possível aproveitar
a água da chuva para jardins, lavagens de carros, calçadas, entre outros usos. Nos dias de chuva
intensa, as cisternas podem também servir como áreas de contenção, evitando alagamentos e
sobrecargas da rede pluvial pública.
FIGURA 2.1 – Esquema do Sistema de captação pluvial através do telhado.
Fonte: Imagem disponível em: <http://rhasambiental.com.br/2013/10/25/754/>. Acesso em: 25 ago.2014.
3. JUSTIFICATIVA
O processo de armazenagem da água da chuva se torna possível através de diferentes sistemas mas de
forma resumida parte da captação da água pluvial por coletores horizontais como calhas, da remoção
de sólidos (como folhas, gravetos, resíduos) e posterior condução destas águas para cisternas onde será
bombeada para reservatórios superiores de onde partirá a distribuição para pontos de consumo não
potáveis como descarga do vaso sanitário, tanque, máquina de lavar roupa e torneira externa (usada na
irrigação da horta, lavagem de pisos e veículos). A utilização desta água eventual das chuvas nos
parece de grande importância para a economia da água potável, neste sistema resumidamente descrito
temos porém um ponto de conflito quanto a sustentabilidade deste sistema: o bombeamento das águas
para o reservatório superior. Neste ponto se faz necessário o uso de energia elétrica para o
funcionamento das bombas de recalque, diante disto propomos estudos que possam comprovar a
eficácia da aplicação de elementos alternativos como o inicialmente proposto: carneiro hidráulico, que
venham substituir o recalque por sistemas de bombeamento elétricos ou derivados do petróleo.
4. METODOLOGIA
Almejando o objetivo proposto: constatar a viabilidade do Carneiro Hidráulico como elemento de
recalque das águas pluviais aos reservatórios superiores de edificações habitacionais, buscamos uma
consulta bibliográfica que pudesse nos subsidiar quanto a viabilidade técnica de aplicação deste
equipamento na construção civil.
4.1. Introdução ao Carneiro Hidráulico
O carneiro hidráulico é uma bomba de recalque, porém funciona sem o uso de qualquer forma de
energia externa. O uso de carneiro hidráulico, segundo Zarate Rojas (2002) ocorre comumente em
propriedades rurais onde a energia é escassa ou inexistente e caracteriza-se como fonte alternativa ao
bombeamento. De acordo com Horne & Newman (2005) o carneiro hidráulico apresenta, como
vantagens, além da exclusão de fontes externas de energia, como os combustíveis derivados de
petróleo ou energia elétrica, a manutenção e a operação simples, sem a necessidade de mão-de-obra
qualificada. O custo de aquisição e/ou montagem relativamente baixos e a possibilidade de uso
durante 24 h por dia recalcando água sem emissão de poluentes ou gases. Como desvantagens, Abate
& Botrel (2002) e Carvalho (1998) apontam que a eficiência é determinada pelas condições locais, o
golpe de aríete produz ruído, há necessidade de queda d’água e utilização de água limpa, além de
recalcar somente uma pequena fração da vazão disponível na alimentação.
Segundo DENÍCULI (1992) aput ZARATE ROJAS (2002), o carneio hidráulico foi inverntado pelos
irmão Montgolfier em 1796, atuando como uma máquina simples e eficaz quando se deseja elevar
pequenas vazões. Seu rendimento depende principalmente da relação altura de queda do reservatório
de alimentação até o carneiro e altura de elevação do aparelho (carneiro) ao reservatório superior.
No desenho original dos irmãos Montgolfier (Figura 3.1), o fluxo de água faz rolar a bola de ferro ao
longo da tubulação e sobe a curva até bloquear a saída da água, ocasionando um incremento da
pressão da água detrás da bola, o qual empurra a água através da válvula de um só sentido. Logo a
pressão desce e a bola de ferro volta atrás, para ponto de início do ciclo.
FIGURA 3.1 – Esquema do Carneiro original dos irmãos Montgolfier.
Fonte: ZÁRATE ROJAS (2002).
De acordo com YOUNG (1995) apud ZÁRATE ROJAS (2002), um sistema de bombeamento por
carneiro consiste em um tanque elevado de alimentação, a tubulação de alimentação, o carneiro com
as válvulas de escape e recalque, a câmara de ar, e a tubulação de recalque. A função da câmara de ar é
armazenar água na pressão de recalque entre golpes e absorver o choque do bombeamento.
Verspuy et al. (1993), apresenta o desenho esquemático da instalação do carneiro hidráulico (Figura
3.2).
FIGURA 3.2 – Esquema da instalação do carneiro hidráulico.
Fonte: ZÁRATE ROJAS (2002).
Conforme DENÍCULI (1992) apud ZÁRATE ROJAS (2002), para que uma fração da água que desce
pela tubulação de alimentação seja elevada a alturas maiores que o reservatório de alimentação, é
necessário que esta fração aumente seu estado de energia. A energia adicional desta fração é cedida
pela água que sai pela válvula de escape que diminui o seu estado de energia. Essa cessão de energia
ocorre por transformações desta, durante o ciclo do cerneiro hidráulico da seguinte forma; energia
potencial em energia cinética (quando a válvula de escape se fecha) e energia de pressão em energia
potencial (quando o ar empurra a água esta se eleva no tubo de recalque).
O carneiro hidráulico é constituído por parte fixas e móveis. As partes fixas são: base, campânula e
castelo. As partes móveis são: válvula de escape que é constituída de liga apropriada com longa
duração e a válvula de recalque, revestida de couro ou de borracha. Na Figura 3.3 apresenta-se uma
vista geral de um carneiro hidráulico desmontado.
FIGURA 3.3 – Carneiro hidráulico desmontado.
Fonte: ABATE & BOTREL (2002).
4.1.1. Funcionamento do carneiro hidráulico
De acordo com Azevedo Netto & Alvarez (1988), golpe de aríete ao choque violento é o que se
produz sobre as paredes de um conduto forçado quando o movimento do líquido é modificado
bruscamente. É a sobre pressão que as canalizações recebem quando, por exemplo, se fecha um
registro, interrompendo-se o escoamento.
Conforme DENÍCULE (1992) apud ZÁRATE ROJAS (2002), a variação da velocidade introduz uma
perturbação no escoamento chamada onda de pressão, que se propaga através do líquido a elevada
velocidade denominada de celeridade (velocidade de propagação do som no fluido). Essa perturbação
percorre a tubulação tanto num sentido como no outro até seu amortecimento total provocado pelo
atrito do fluido com o tubo, pela compressibilidade do fluido e pela elasticidade dos tubos.
Zarate Rojas (2002) traz que o funcionamento do carneiro hidráulico é contínuo e se inicia quando se
abre a válvula de escape, fazendo com que a água desça pela tubulação de alimentação. O empuxo
sobre a válvula de escape faz com que esta se feche, de modo que a massa líquida em movimento pelo
tubo de alimentação, pare bruscamente, promovendo assim, a elevação da pressão no tubo de
alimentação (golpe de aríete), fazendo com que a válvula de escapamento se abra, fechando o ciclo. A
água, ao penetrar na campânula, comprime o ar contido nesta; por reação, o ar empurra a água e esta é
elevada até o reservatório superior. Para que isto ocorra, é necessário que a pressão na campânula seja
superior a altura de elevação e que o golpe de aríete seja superior à pressão na campânula.
De acordo com Kitani & Willardson (1984), o material de que é feito a tubulação de alimentação
também afeta a performance do carneiro hidráulico. Segundo Abate & Botrel (2002) pode-se
conseguir o máximo rendimento com o carneiro hidráulico utilizando se de tubulação de PVC com até
4,2 m de desnível; além desse valor a tubulação de aço galvanizado é mais eficiente.O módulo de
elasticidade do material da tubulação provoca alteração no aumento da pressão, causado pelo golpe de
aríete, pelas mudanças na velocidade acústica da onda de pressão na tubulação de alimentação. Sendo
que o carneiro hidráulico é operado com sucessivas ondas de pressão ocasionadas pelo golpe de aríete,
a espessura da parede da tubulação de alimentação deve ser suficiente para prevenir o rompimento de
uma excessiva flexibilidade, para tanto o material comumente utilizado é o ferro.
Na Figura 3.4 mostra-se um esquema funcional de um carneiro hidráulico de acordo com os princípios
apresentados por Daker (1970): Estando aberta a válvula E, a água conduzida de um ponto mais alto
pelo tubo de alimentação AB, escapa por ela até que a pressão, em virtude da velocidade crescente do
líquido, torna-se capaz de erguê-la, fechando-a bruscamente. A coluna de água desce pelo tubo AB
com velocidade progressiva, ficando num dado instante sem saída, produzindo o choque denominado
“golpe de aríete”, o qual abre a válvula de recalque F, permitindo a entrada da água na câmara de ar G.
Como decorrência, o ar existente na parte superior da campânula é comprimido e oferece uma
resistência crescente à entrada do líquido, chegando a tal ponto de fazê-la cessar, fechando-se, neste
instante, a válvula F. Há produção de uma onda de pressão negativa em virtude do efeito da
compressibilidade da água e da elasticidade da tubulação que atua na válvula E, fazendo-a abrir
novamente. Estando E aberta, há um novo ciclo e, com ciclos sucessivos, a água que vai penetrando na
câmara de ar G, vai tendo pressão para subir no tubo de elevação CD, fazendo com que flua para o
reservatório superior quando a pressão na campânula corresponder à altura manométrica de recalque.
FIGURA 3.3 – Esquema de funcionamento do carneiro hidráulico.
Fonte: ABATE & BOTREL (2002).
4.2. Aplicabilidade do Carneiro Hidráulico
ZÁRATE ROJAS (2002), traz o uso do Carneiro Hidráulico como alternativa para a problemática do
abastecimento de água no setor rural servindo de alternativa para a captação e distribuição de águas
superficiais na propriedade e estando condicionado a pré-existência destas fontes superficiais que
encontram-se localizadas nos pontos mais baixos do terreno. Buscamos com esta busca bibliográfica,
referências que possam subsidiar a proposição do carneiro hidráulico como bomba de recalque em
edificações habitacionais de modo transferir a água captada pelos coletores diretamente aos
reservatórios superiores abdicando da necessidade de reservatórios inferiores ou de bombas de
recalque que consumam energia elétrica ou que sejam alimentadas por derivados do petróleo.
5. RESULTADOS OBTIDOS
Após a leitura de livros, artigos, teses e dissertações sobre o tema pudemos constatar a eficácia do
carneiro hidráulico para bombear a água da chuva para os reservatórios superiores.
Pontos positivos:

Pode substituir sistemas de bombeamento elétricos para elevação para reservatórios
superiores.

Pode descartar a necessidade de reservatórios inferiores

Custo do equipamento, pode ser montado com materiais hidráulicos facilmente encontrados.
Pontos negativos:

Parte da água captada é descartada para que o sistema funcione

Necessita de um desnível de no mínimo 1 metro para que o sistema funcione

Detritos sólidos podem comprometer o funcionamento do sistema

Barulho do sistema funcionando

Limitação altura de recalque em função do desnível da captação

Necessidade de reservatório em local elevado.
Afim de evitar desperdício, a água descartada pelo sistema pode ser conduzida para um reservatório
inferior afim de ser reutilizada.
5.1. O modelo Teórico.
Utiliza os condutores verticais como reservatórios intermediários.
O sistema proposto que utiliza o próprio desnível dos condutores verticais pode descartar a
necessidade de reservatórios inferiores.
Cabe lembrar que o sistema apresentado é apenas um modelo teórico, necessitando de experimentos
práticos para testar sua real eficácia.
Descrição do modelo Teórico:

Calha com grelha para evitar passagem de detritos da cobertura

Condutor vertical com um extravasor locado na parte superior

Condutor vertical com saída lateral na parte inferior para carneiro hidráulico

Base do condutor vertical com saída para limpeza
Estudos posteriores:

Determinação do carneiro hidráulico mais adequado;

Dimensionamento da área de contribuição mínima necessária;

Redução de riscos de obstrução do carneiro hidráulico por resíduos sólidos.
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A aplicabilidade do carneiro hidráulico para conversão da água da chuva aos reservatórios superiores
de edificações habitacionais, se mostra como uma alternativa exequível tanto em questões de eficácia
em seu funcionamento em prol do objetivo proposto: alimentar os reservatórios superiores, quanto em
questões financeiras visto que o equipamento pode ser construído a partir de materiais alternativos e
com diferentes orçamentos dadas as necessidades de abastecimento. Algumas desvantagens que
devem ser consideradas e que foram levantadas a partir das pesquisas bibliográficas é a perda d’água e
o barulho resultante do golpe de aríete que vão influenciar no local de instalação do equipamento na
residência.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABATE, C.; BOTREL, T. A. Scientia Agricola: Carneiro Hidráulico com tubulação de alimentação
em aço galvanizado e em PVC. v.59, n.1, p.197-203, jan./mar.2002.
AZEVEDO NETTO, J. M.; ALVAREZ, G. A. Manual de hidráulica. 2. ed. São Paulo: Edgar
Blucher, 1988. v. 1 p.724.
DAKER, A. A água na agricultura: captação, elevação e melhoramento da água. v.2., 7. ed. Rio de
Janeiro: Freitas Bastos.v.2, 1987.p.297 - 318.
KITANI, K; WILLARDSON, L. S. Hydraulic ram use for sprinkle irrigation. Transaction of the
ASAE, v.27, p.1788-1791, 1984.
ZARATE ROJAS, Ricardo Nicolás. Modelagem, otimização, construção e avaliação de um
protótipo de carneiro hidráulico. Piracicaba, 2002. Tese (Doutorado) - Escola Superior de
Agricultura “Luiz de Queiroz”, Universidade de São Paulo.
VASCONCELOS, L. F. de; FERREIRA, O. M. Captação de água de chuva para uso domiciliar:
estudo de caso. Disponível em: <http://www.pucgoias.edu.br/>. Acesso em: 16 de julh 2014.