válvulas de controlo automático na segurança e gestão

Válvulas de Controlo Automático na Segurança e Gest ão Operacional de Sistemas de Abastecimento e Drenagem :

o comportamento das VRP

André Filipe Alves Bairos

Dissertação para Obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Civil

Júri

Presidente: Prof. Doutor António Alberto do Nascimento Pinheiro Orientador: Profª Doutora Helena Margarida Machado da Silva Ramos Ferreira Vogais: Profª. Doutora Dídia Isabel Cameira Covas

Outubro de 2008

i

AGRADECIMENTOS

A realização deste trabalho só foi possível graças à contribuição de várias pessoas a quem

desejo manifestar o meu agradecimento.

À Profª. Helena Ramos, Professora do Instituto Superior Técnico, orientadora científica deste

trabalho, pelo apoio técnico e humano que tantas vezes superou o expectável.

Aos meus Pais, António e Eduarda pela sua amizade, conforto, incentivo e protecção, e por

terem sempre acreditado em mim, mesmo quando eu próprio já não o fazia. A eles tudo devo.

Aos meus Irmãos, Ana Bela, Rui Jorge, Patrícia e Paulo, pelos momentos de boa disposição,

descontracção e encorajamento que bem serviram para aliviar o stress.

Aos meus sobrinhos, Diogo, Mariana, Guilherme e Leonor que com as suas alegres

brincadeiras proporcionavam a distracção necessária para recarregar as forças.

À minha namorada, pelo seu carinho, amor e apoio incondicionais, sem os quais não teria sido

possível a realização deste trabalho.

A todos os meus amigos que de uma maneira directa ou indirecta contribuíram para a

execução deste trabalho. O meu muito obrigado pela amizade e incentivo nas alturas mais difíceis

deste trabalho.

iii

RESUMO

Os sistemas de abastecimento e drenagem são controlados por equipamentos hidromecânicos

específicos, do tipo válvulas de controlo automático, que são essenciais na segurança e gestão

operacional dos sistemas hidráulicos, em particular nos de abastecimento de água a populações e de

drenagem, em termos de pressão e caudal.

As combinações dos efeitos induzidos no escoamento ao longo do circuito hidráulico pelo

funcionamento de válvulas automáticas e por manobras nos dispositivos de controlo e segurança

geram situações, muitas vezes indesejáveis e imprevisíveis, podendo, mesmo, conduzir ao colapso

de componentes hidráulicos e do equipamento hidromecânico.

Podem ser utilizados vários modelos computacionais para a análise do comportamento

hidráulico, como uma importante ferramenta na avaliação do estado operacional, em termos, de

abertura de válvulas, do índice de perdas, de pressões e caudais nas várias secções da conduta,

decorrentes das operações normais de controlo ou mesmo acidentais, permitindo a análise de

cenários que podem pôr em risco a integridade e a segurança dos sistemas. A aplicação destes

modelos complica-se quando a resposta dos equipamentos hidromecânicos depende das variáveis

associadas ao processo de escoamento, como é o caso das válvulas de controlo automático.

As válvulas de controlo automático podem ser projectadas para os mais diversos fins,

destacando-se, em particular, as de controlo de caudal, de controlo da pressão e de controlo do

arranque e paragem de grupos elevatórios.

O conhecimento do comportamento dinâmico das válvulas de controlo automático reveste-se

de maior importância, sendo as válvulas redutoras de pressão (VRP) elementos fundamentais na

gestão operacional do controlo da pressão e consequentemente na minimização de fugas ou

rupturas. Deste modo, o estudo compreende um levantamento do comportamento hidráulico das

válvulas, o tipo de selecção e dimensionamento de estruturas de controlo, assim como a identificação

dos tipos de manobras e efeitos associados, com apresentação de ensaios desenvolvidos em

laboratório, análises baseadas em simulações computacionais aplicadas a um caso de estudo real

sobre o comportamento das válvulas redutoras de pressão quando inseridas numa rede de

distribuição ramificada e emalhada.

Palavras-Chave: Válvulas de controlo automático, válvulas redutoras de pressão, comportamento

hidráulico, controlo da pressão, redução de fugas, sistemas abastecimento e drenagem.

v

ABSTRACT

The supply and drainage systems are controlled by specific hydromechanical equipment, such

as automatic control valves, which are essential on the security and operational management of

hydraulic systems, in terms of the pressure and flow.

The combinations of the effects induced on the flow throughout the hydraulic circuit by the

operation of automatic valves and by control manoeuvres and safety devices generate situations that

can be undesirable and unpredictable and may even lead to the collapse of hydraulic components and

hydromechanical equipment.

It can be used several computational models, to analyse the hydraulic behaviour of hydraulic

systems, as an important tool to evaluate the operational condition, in terms of the open valves, the

rate of losses, the pressures and flows on several pipe-sections resulting from normal operational or

even accidental conditions. These computer models also allow the analysis of possible scenes that

can put in risk the integrity and the security of the all system. The application of these models

complicates when the hydromechanical equipment answers depends on the variables that are

associated to the flow process, such as automatic control valves.

The automatic control valves can be designed for the most diverse purposes, highlighting in

particular the flow control, the pressure control and pump start-up and trip-off control.

The knowledge of the dynamic behaviour of the automatic control valves assume more

importance, being the pressure reducing valves (PRV) one of the key elements in the operational

management of the pressure control and consequently on the minimization of leaks or pipe ruptures.

The study includes a survey of the behaviour of hydraulic valves, the type of selection and

design of structures of control, as well as the identification of the types of manoeuvres and related

effects, through lab tests and by computational simulations to a real case study about the behaviour of

pressure reducing valves placed on a water distribution branch and network type.

Keywords: Automatic control valves, pressure reducing valves, hydraulic behaviour, pressure

control, leakage reduction, water supply and drainage systems.

vii

ÍNDICE DE TEXTO

AGRADECIMENTOS .................................................................................................................................. I

RESUMO ............................................................................................................................................... III

ABSTRACT .............................................................................................................................................. V

ÍNDICE DE TEXTO .................................................................................................................................. VII

ÍNDICE DE FIGURAS................................................................................................................................ XI

ÍNDICE DE TABELAS .............................................................................................................................. XV

SIMBOLOGIA ....................................................................................................................................... XVII

ABREVIATURAS .................................................................................................................................... XIX

1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 1

1.1 CONCEITOS BÁSICOS .................................................................................................................. 1

1.2 ENQUADRAMENTO ...................................................................................................................... 1

1.3 OBJECTIVOS ............................................................................................................................... 2

1.4 CONTEÚDO DO TRABALHO ........................................................................................................... 3

2 LEVANTAMENTO DO COMPORTAMENTO HIDRÁULICO DE VÁLVULAS ................................ 5

2.1 PARÂMETROS CARACTERÍSTICOS ................................................................................................ 5

2.2 VÁLVULAS DE CONTROLO DE CAUDAL ........................................................................................... 7

2.3 ACTUADORES DE VÁLVULAS .......................................................................................................10

2.4 FUNCIONAMENTO DE VÁLVULAS DE CONTROLO AUTOMÁTICAS .....................................................12

2.5 CARGA HIDRÁULICA E CONTROLO DE CAUDAL .............................................................................15

2.6 COEFICIENTES CARACTERÍSTICOS DAS VÁLVULAS .......................................................................16

2.6.1 Coeficiente de perda de carga ..................................................................................................... 16

2.6.2 Coeficientes de vazão .................................................................................................................. 18

2.7 PERDA DE PRESSÃO NAS VÁLVULAS DE CONTROLO ....................................................................19

2.8 CARACTERÍSTICAS DE REGULAÇÃO DO CAUDAL ..........................................................................20

2.8.1 Fundamentos ............................................................................................................................... 20

2.8.2 Característica inerente de uma válvula ........................................................................................ 21

2.8.3 Curva Característica ..................................................................................................................... 23

2.8.4 Ganho de uma válvula ................................................................................................................. 25

2.9 TEMPO DE RESPOSTA ................................................................................................................26

2.9.1 Noções Básicas ............................................................................................................................ 26

2.9.2 Tempo efectivo de fechamento .................................................................................................... 27

2.10 DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA ................................................................................................28

2.10.1 Cavitação ........................................................................................ Erro! Marcador não definido.

2.10.1.1 Parâmetros de cavitação .......................................................................................................................... 29

2.10.1.2 Níveis de cavitação .................................................................................................................................. 30

2.10.2 “Flashing” ..................................................................................................................................... 31

2.10.3 Ruído ............................................................................................................................................ 32

2.10.4 Corrosão....................................................................................................................................... 32

2.10.5 Incrustações ................................................................................................................................. 32

2.11 FACTOR DE SEGURANÇA ...........................................................................................................33

viii

3 SELECÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULAS DE CONTROLO DE CAUDAL ................ 35

3.1 SELECÇÃO DO TIPO DE VÁLVULA ................................................................................................35

3.2 CÁLCULO DO CAUDAL DE VÁLVULAS ...........................................................................................37

3.3 DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULAS DE CONTROLO .......................................................................38

3.3.1 Noções Básicas ............................................................................................................................ 38

3.3.2 Utilização de software específico ................................................................................................. 39

3.3.3 Utilização de Ábacos .................................................................................................................... 40

3.3.4 Utilização de fórmulas genéricas .................................................................................................. 41

4 COMPORTAMENTO HIDRÁULICO DAS ESTRUTURAS DE CONTROLO DE CAUDAL (ECC) .. 43

4.1 NOÇÕES GERAIS .......................................................................................................................43

4.2 CONTROLO DA CAVITAÇÃO.........................................................................................................44

5 MANOBRAS COM VÁLVULAS DE CONTROLO ............................................................... 45

5.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................45

5.2 TÉCNICAS ESPECIAIS DE CONTROLO ...........................................................................................46

5.2.1 Lei optimizada de fecho ............................................................................................................... 46

5.2.2 Válvulas em série ......................................................................................................................... 47

5.2.2.1 Operação simultânea ............................................................................................................................... 47

5.2.2.2 Operação Sequencial ............................................................................................................................... 47

5.2.3 Operação em Paralelo ................................................................................................................. 48

5.3 GOLPE DE ARÍETE E DISPOSITIVOS DE PROTECÇÃO .....................................................................49

6 UTILIZAÇÃO DE VÁLVULAS REDUTORAS DE PRESSÃO EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE

ÁGUA ..................................................................................................................... 53

6.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................53

6.2 IMPORTÂNCIA DA UTILIZAÇÃO DE VÁLVULAS REDUTORAS DE PRESSÃO..........................................53

6.3 FUGAS EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA.....................................................................54

6.3.1 Tipos de perdas ............................................................................................................................ 54

6.3.2 Indicadores de Perdas de Água ................................................................................................... 56

6.3.3 Análise do risco de fugas ............................................................................................................. 57

6.3.4 Estratégias para a minimização de fugas ..................................................................................... 60

6.4 SECTORIZAÇÃO DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA ........................................................62

6.5 INSTALAÇÃO DE VÁLVULAS REDUTORAS DE PRESSÃO.................................................................64

6.5.1 Aspectos construtivos .................................................................................................................. 65

6.6 REDUÇÃO DE FUGAS ATRAVÉS DO CONTROLO DA PRESSÃO .........................................................69

6.6.1 Introdução .................................................................................................................................... 69

6.6.2 Rede de Distribuição de Água Ramificada ................................................................................... 69

6.6.3 Avaliação do Desempenho do Sistema de Distribuição de Água ................................................. 72

6.6.4 Introdução de Válvulas Redutoras de Pressão ............................................................................ 75

6.6.4.1 Introdução .................................................................................................... Erro! Marcador não definido.

6.6.4.2 Válvula redutora de pressão com carga hidráulica a jusante constante .................................................... 76

6.6.4.3 Válvula redutora de pressão com perda de carga hidráulica constante .................................................... 79

6.6.4.4 Válvula redutora de pressão com carga hidráulica a jusante constante aplicada numa rede emalhada .... 81

6.7 REGIMES TRANSITÓRIOS INDUZIDOS POR VÁLVULAS REDUTORAS DE PRESSÃO ...........................84

ix

6.7.1 Introdução .................................................................................................................................... 84

6.7.2 Análise Laboratorial ...................................................................................................................... 85

6.7.3 Análise de Regimes Transitórios na Rede Emalhada Analisada .................................................. 86

7 CONCLUSÕES .......................................................................................................... 89

7.1 SÍNTESE E CONCLUSÕES GERAIS ..............................................................................................89

7.2 RECOMENDAÇÕES ....................................................................................................................90

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................... 91

ANEXOS ...................................................................................................................... 95

xi

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 – Representação dos parâmetros de escoamento ................................................................... 6

Figura 2- Válvula de Borboleta (DIAS, 2004). .......................................................................................... 7

Figura 3- Válvula de Diafragma (Catálogo SAINT GOBAIN). ..................................................................... 7

Figura 4- Válvula de Cunha (Catálogo SAINT GOBAIN). ........................................................................... 7

Figura 5- Válvula de Globo (Catálogo SPIRAX). ....................................................................................... 7

Figura 6- Válvula Esférica (ALMEIDA E MARTINS, 1999). ........................................................................... 8

Figura 7- Válvula de Membrana (Catálogo ASCA). ................................................................................ 8

Figura 8 – VRP do tipo Diafragma (COVAS E RAMOS, 1998). ................................................................... 8

Figura 9 – Classificação de Válvulas de controlo (SILVA, 2004).............................................................. 9

Figura 10 - Válvula linear, de globo, de sede simples (SILVA, 2004). ..................................................... 9

Figura 11 – Válvula linear, de globo, de sede dupla (SILVA, 2004). ........................................................ 9

Figura 12 – Actuador pneumático de diafragma (Catálogo SPIRAX). .................................................... 10

Figura 13 – Actuador pneumático de êmbolo (Catálogo SPIRAX). ........................................................ 11

Figura 14 – Actuador por motor eléctrico (Catálogo SPIRAX). ............................................................... 11

Figura 15- Válvula Automática do tipo Globo (PRESCOTT e ULANICKI, 2003). ....................................... 12

Figura 16 - Funcionamento de uma válvula redutora de pressão (COVAS E RAMOS, 1998). ................. 13

Figura 17 - Funcionamento de diferentes sistemas de VRP (COVAS E RAMOS, 1998). ......................... 14

Figura 18- Perda de carga hidráulica provocada por uma válvula (ALMEIDA E MARTINS, 1999). ........... 15

Figura 19 – Relação entre Re e o coeficiente de perda de carga de válvulas ...................................... 17

Figura 20 – Valores de coeficientes de perda de carga localizada em válvulas .................................. 18

Figura 21 – Obtenção do coeficiente de vazão (Cv) (SILVA, 2004). ...................................................... 19

Figura 22 – Curva característica de regulação de válvulas do tipo globo e esférica ............................ 21

Figura 23 – Características Inerentes de uma válvula linear e de igual percentagem (Silva, 2004). ... 22

Figura 24 - Características Inerentes de diferentes válvulas (SILVA, 2004). ......................................... 23

Figura 25 – Válvula inserida num circuito hidráulico (SILVA, 2004). ...................................................... 23

Figura 26 – Quedas de pressão no circuito hidráulico (SILVA, 2004). ................................................... 24

Figura 27 - Características de operação de uma válvula linear (SILVA, 2004). ..................................... 24

Figura 28 – Ganho instalado em duas válvulas do mesmo tipo (SILVA, 2004). .................................... 25

Figura 29 – Tempos de anulação do caudal durante o fecho de válvulas (ALMEIDA E MARTINS, 1999). 28

Figura 30 – Comparação entre uma válvula agulha desgastada pela cavitação e uma nova ............. 29

Figura 31 – Pressão estática em válvulas com cavitação e “Flashing” (SILVA, 2004). ......................... 32

Figura 32 - Dimensionamento de uma válvula (SILVA, 2004). ............................................................... 40

Figura 33 – Esquema de uma Estrutura de Controlo de Caudal (ALMEIDA E MARTINS, 1999). ............. 43

Figura 34 – Influência da lei de variação do caudal (a) e do modelo de análise elástico (b) e rígido (c)

na variação da cota piezométrica junto ao obturador de uma válvula (ALMEIDA E MARTINS,

1999). .................................................................................................................................. 45

Figura 35 – Leis teóricas de fecho (ALMEIDA E MARTINS, 1999). ............................................................ 46

Figura 36 – Esquema de funcionamento de uma Chaminé de Equilíbrio (COSTA e SANTOS, 2001). ... 49

Figura 37 – Chaminé de equilíbrio (COSTA e SANTOS, 2001). ............................................................... 50

xii

Figura 38 – Reservatório com Ar Comprimido (COSTA e SANTOS, 2001).............................................. 50

Figura 39 – Efeito da utilização de uma VRP no controlo da pressão (CHARALAMBOUS, 2005). .......... 53

Figura 40 - Probabilidade de uma conduta não romper em função da sua idade (Rajani et.al., 2001) 59

Figura 41 – Esquema para o controlo de perdas de água (ALEGRE et AL, 2005). ................................. 62

Figura 42 – Esquema de possíveis zonas de Medição e Controlo (EPAL, 2008). ............................... 63

Figura 43 – Zonas de Medição e Controlo (www.smasporto.pt). .......................................................... 64

Figura 44 – Câmara de manobras (ZATTONI, 2005). ............................................................................. 64

Figura 45 – Exemplo de “by-pass” (VALLOY, 2002) ............................................................................... 65

Figura 46 – Válvula com ligação roscada (BELLO, 2001). ..................................................................... 66

Figura 47 - Válvula com ligação flangeada (BELLO, 2001). ................................................................... 66

Figura 48 - Tipos de Suporte e Apoios para válvulas (BELLO, 2001). ................................................... 67

Figura 49 – Nós e respectivas cotas da rede de abastecimento (EPANET 2.0). ................................. 70

Figura 50 – Localização dos pontos de maior pressão. (EPANET 2.0) ................................................ 72

Figura 51 – Factores multiplicativos do consumo (EPANET). .............................................................. 72

Figura 52 - Isolinhas de pressão no sistema para a hora de maior consumo (EPANET 2.0). ............. 73

Figura 53 - Isolinhas de pressão no sistema para a hora de menor consumo (EPANET 2.0). ............ 73

Figura 54 – Velocidade do escoamento ao longo do dia ...................................................................... 73

Figura 55 - Velocidade do escoamento ao longo do dia ....................................................................... 73

Figura 56 - Variação da pressão no nó 27 (EPANET 2.0). ................................................................... 74


Figura 58 – Caudal total e caudal consumido no nó 27. ....................................................................... 74

Figura 59 - Caudal total e caudal consumido no nó 31 ......................................................................... 74

Figura 60 – Percentagem de perdas de água no nó 27. ....................................................................... 74

Figura 61 - Percentagem de perdas de água no nó 31. ....................................................................... 74

Figura 62 – Localização na rede em estudo das duas VRP (EPANET 2.0). ........................................ 76

Figura 63 – Isolinhas de pressão no sistema para a hora de maior consumo (EPANET 2.0). ............ 77







Figura 70 - Caudal total e caudal consumido no nó 31. ........................................................................ 78



Figura 73 - Isolinhas de pressão no sistema para a hora de maior consumo (EPANET 2.0). ............. 79


Figura 75 – Variação da pressão no nó 27 (EPANET 2.0). .................................................................. 80



xiii

Figura 78 - Velocidade de escoamento ao longo do dia ....................................................................... 80


Figura 80 - Caudal total e caudal consumido no nó 31. ........................................................................ 80



Figura 83 – Rede de abastecimento de água emalhada (EPANET 2.0). ............................................. 82

Figura 84 - Isolinhas de pressão no sistema para a hora de maior consumo. Caso i) (EPANET 2.0). 82

Figura 85 - Isolinhas de pressão no sistema para a hora de menor consumo. Caso i) (EPANET 2.0).

............................................................................................................................................ 82

Figura 86 - Isolinhas de pressão no sistema para a hora de maior consumo. Caso ii) (EPANET 2.0). 83

Figura 87 - Isolinhas de pressão no sistema para a hora de menor consumo. Caso ii) (EPANET 2.0).

............................................................................................................................................ 83

Figura 88 – Variação de pressão no nó 27. (Caso i). ........................................................................... 83

Figura 89 - Variação de pressão no nó 27. (Caso ii). ........................................................................... 83

Figura 90 - Variação de pressão no nó 31. (Caso i). ............................................................................ 83

Figura 91 - Variação de pressão no nó 31. (Caso ii). ........................................................................... 83





Figura 96 – Comportamento de uma VRP com fecho de Válvula de seccionamento a jusante: Q=1,29

l/s ......................................................................................................................................... 86

Figura 97- Comportamento de uma VRP com fecho de Válvula de seccionamento a jusante: Q=2,89

l/s ......................................................................................................................................... 86

Figura 98 - Comportamento de uma VRP aquando da abertura de uma válvula de seccionamento a

jusante: ................................................................................................................................ 86

Figura 99 - Comportamento de uma VRP com a abertura de válvula de seccionamento a jusante:

Q=2,89 l/s ............................................................................................................................ 86

Figura 100 - Localização na rede emalhada da VRP (EPANET 2.0). .................................................. 87

Figura 101 - Variação de caudal na válvula 1. ...................................................................................... 87

Figura 102 - Variação de velocidade no troço....................................................................................... 87

Figura 103 - Envolventes de cotas piezométricas na conduta de jusante da Válvula 1. ...................... 87

xv

ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1 - Dimensões nominais das tubagens e válvulas (SILVA, 2004). ............................................. 37

Tabela 2 – Material a usar nas válvulas (SILVA, 2004). ......................................................................... 37

Tabela 3 – Diâmetros nominais de diversas válvulas de controlo (SILVA, 2004). ................................. 41

Tabela 4 – Propriedade estrutural das condutas .................................................................................. 59

Tabela 5 - Cargas Externas e Internas. ................................................................................................ 60

Tabela 6 - Deterioração do Material. ..................................................................................................... 60

Tabela 7 – Fabricantes e distribuidores de alguns tipos válvulas. ........................................................ 67

Tabela 8 - Características das válvulas de redutoras de pressão (SAINT-GOBAIN, 2004). .................... 68

Tabela 9 - Custo das válvulas redutoras de pressão (SAINT-GOBAIN, 2004). ....................................... 68

Tabela 10 – População e caudal médio para o ano horizonte de projecto ........................................... 70

Tabela 11 - Factor de ponta e caudal de ponta horários no ano horizonte de projecto. ...................... 71

Tabela 12 – Quadro comparativo entre as duas soluções analisadas. ................................................ 81

xvii

SIMBOLOGIA

A : Área da tubagem onde está inserida a válvula [m2]

Cd : Coeficiente adimensional de vazão [-]

Cv : Coeficiente da válvula [-]

Cvs : Valor de Cv para a válvula completamente aberta [-]

D : Diâmetro [m]

Fp : Factor de geometria da tubagem [-]

Fr : Factor função do número de Reynolds [-]

L : Comprimento [m]

HVRP : Carga de definição da válvula redutora de pressão [m]

H100% : Perda de carga com a Válvula completamente aberta [m]

Hd : Carga hidráulica disponível [m]

Kv : Coeficiente de perda de carga na válvula [-]

Kvs : Coeficiente de perda de carga mínimo na válvula [-]

Ks : Coeficientes de perda de carga singular [-]

Q ou q : Caudal [m3/s]

Qmax : Caudal máximo [m3/s]

V0 : Velocidade de referência [m/s]

a : Abertura da válvula [m]

amax : Abertura máxima da válvula [m]

d : Densidade do fluido [-]

f : Factor de Darcy [-]

h : Curso da válvula [m]

p1 : Pressão a montante [N/m2]

p2 : Pressão a jusante [N/m2]

pv : Tensão de vaporização do líquido [N/m2]

p0 : Pressão crítica termodinâmica [N/m2]

pv : Autoridade da válvula [-]

: Altura piezométrica a jusante do dispositivo [m]

: Altura piezométrica a montante do dispositivo [m]

: Tensão de vapor do liquido em escoamento [kg/cm2]

ε : Rugosidade [m]

ρ : Massa volúmica [kg.m-3]

µ : Viscosidade [kg.m-1.s-1]

∆Q : Variação de Caudal [m3/s]

∆Hc : Perda de carga contínua nas tubagens [m]

∆Hv : Perda de carga localizada na válvula [m]

xviii

∆Hmax : Variação máxima da carga hidráulica admissível [m]

∆y : Variação da posição do obturador [m]

xix

ABREVIATURAS

ANC : Água Não Contabilizada

ANF : Água Não Facturada

ANSI : American National Standards Institute

DN : Diâmetro nominal

DIN : Deutsche Industrie Norm

ECC : Estruturas de controlo de caudal

ETA : Estação de Tratamento de Agua

G : Ganho instalado numa válvula

IPD : Índice de Perda na Distribuição

IPF : Índice de Perda de Facturação

ILB : Índice Linear Bruto de Perda

IPL : Índice de Perda por Ligação

PN : Pressão Nominal

PTFE : Politetrafluoroetileno (Teflon)

RAC : Reservatório de ar comprimido

SMAS : Serviços Municipalizados de Água e Saneamento

VRP : Válvula Redutora de Pressão

“V-port” : Válvula com obturador em forma de “V”

ZMC : Zona de Medição e Controlo

dB : Decibéis

1

1 INTRODUÇÃO 1.1 CONCEITOS BÁSICOS

A análise das condições que afectam a evolução de um escoamento é o primeiro passo para o

estudo de instalações hidráulicas. Consoante os efeitos predominantes, algumas características do

sistema podem permanecer constantes, serem fixas só para a instalação ou variarem conforme se

processa o escoamento. Perceber como os vários cenários se desenvolvem aquando da análise de

um sistema complexo é fundamental para estruturar a maneira como o problema poderá ser resolvido

e especificar os parâmetros característicos que descrevem o escoamento em cada situação.

Uma instalação hidráulica pode ser constituída por um conjunto de condutas, acessórios,

válvulas, medidores de caudal e outros elementos necessários à condução, gestão operacional,

controlo e segurança do sistema.

Uma abordagem possível para a análise do sistema consiste no estudo das suas componentes

fundamentais: as válvulas, como sendo os dispositivos cuja função é controlar o escoamento; e os

demais componentes usados para conduzir ou monitorizar o escoamento. Deste modo, seleccionam-

se os parâmetros característicos envolvidos no problema com vista a salientar o papel fundamental

que as válvulas de controlo automático têm realmente numa instalação hidráulica.

1.2 ENQUADRAMENTO

A água é um recurso natural indispensável à vida, seja como componente bioquímico de seres

vivos, ou como meio de vida de várias espécies vegetais e animais. A existência da água também é

essencial para o desenvolvimento de praticamente todas as actividades realizadas pelo homem sobre

a terra, sendo responsável pelo equilíbrio térmico da terra.

Embora 75% da superfície do planeta seja coberta por água, apenas aproximadamente 1% da

água existente, constituída pelos rios e lagos, é que está à disposição da humanidade para atender

às suas necessidades.

O novo século traz a escassez e até mesmo a cobrança pelo uso deste recurso e o homem

precisa de discutir o futuro da água e da vida. A abundância do elemento líquido causa uma falsa

sensação do recurso inesgotável, e como fonte de vida deve evitar-se qualquer tipo de desperdício e

perdas referentes ao seu uso (BELLO, 2001).

Ao longo da história, o Homem tem vindo a interferir no ciclo hidrológico, captando e utilizando,

com diversas finalidades, a água em circulação, que se designa por recursos hídricos. Estes podem

ser classificados em potenciais e disponíveis. Aos recursos potenciais corresponde a máxima

quantidade de água que é possível captar. Estes recursos passam a recursos disponíveis, quando o

Homem intervém através de diversas instalações, captando a água e transferindo-a de um local para

outro, de forma eficiente e eficaz e modificando a sua qualidade de acordo com as suas

2

necessidades. Os recursos disponíveis são inferiores aos recursos potenciais, uma vez que a água

circula no ciclo hidrológico natural tornando-se, por vezes, impraticável a sua utilização.

É fundamental consciencializar a sociedade que os recursos hídricos são limitados e que é

necessário protegê-los e conservá-los. Este processo de consciencialização deve ser acompanhado

de medidas concretas que conduzam à alteração das práticas relativas à gestão e à utilização da

água, nomeadamente através do desenvolvimento de estratégias para o uso eficiente da água (DIAS,

2004).

Em relação à eficiência actual da água, é do conhecimento geral que nem toda esta procura

de água é efectivamente aproveitada, na medida em que há uma importante parcela associada à

ineficiência de uso, sob a forma de perdas, que corresponde à diferença entre o volume da água que

é captado e o volume que é efectivamente necessário.

Actualmente, uma das principais preocupações dos gestores dos sistemas de distribuição de

água tem sido a redução de perdas de água, que atingem por vezes valores superiores a 30% do

volume total de água que entra nos sistemas de adução e distribuição.

Neste sentido, a problemática das perdas e a sua minimização em sistemas de adução e

distribuição de água assume uma importância cada vez maior, na actual tendência para privilegiar a

sustentabilidade dos serviços e a protecção do ambiente, sendo esta temática a principal motivação

para o desenvolvimento deste trabalho (STRIANI, 2004).

1.3 OBJECTIVOS

O objectivo principal deste estudo consiste na caracterização e análise do comportamento de

válvulas de controlo automático de forma a melhorar as condições de pressão, velocidade e controlo

de perdas associados à segurança e à gestão operacional dos sistemas de abastecimento de água.

Para tal, procede-se a um levantamento exaustivo sobre as válvulas de controlo automático e

suas características e à análise do seu comportamento, através da aplicação a uma rede real de

distribuição associada a um padrão de consumo, para uma duração de 24 horas, de modo a avaliar o

desempenho hidráulico e estimar as perdas de água no sistema.

Sabendo que a modelação matemática é uma importante ferramenta no apoio ao projecto,

serão utilizados modelos computacionais, simuladores hidráulicos, com grande divulgação técnico-

científica (i.e., EPANET 2.0 e WANDA Engineering – Delft Hydraulics), para simular os diferentes

cenários operacionais do caso de estudo.

3

1.4 CONTEÚDO DO TRABALHO

O presente trabalho está estruturado em sete capítulos, nos quais se insere o presente capítulo

de introdução (Capítulo 1).

No Capítulo 2 efectua-se uma revisão bibliográfica dos temas fundamentais, de modo a situar a

temática do comportamento hidráulico das válvulas de controlo automático, nomeadamente acerca

dos seus diferentes tipos, funcionamento, métodos de controlo, parâmetros e coeficientes

característicos, tempos de resposta e desempenho face a algumas situações decorrentes do

escoamento. Além disso, é abordada a influência das válvulas de controlo automático na regulação

do escoamento, assim como os factores de segurança que envolvem a sua especificação.

No Capítulo 3 é abordado o tema da selecção e dimensionamento das válvulas de controlo.

Nesta parte do trabalho são referidos os principais factores a considerar e os procedimentos a

efectuar aquando da selecção de válvulas de controlo. De igual modo, é feita referência às formas de

calcular os caudais para as válvulas de controlo, assim como são caracterizados vários processos de

dimensionamento de válvulas de controlo automático.

No Capítulo 4 é efectuado um estudo ao comportamento hidráulico de estruturas de controlo de

caudal (ECC), onde são referidas algumas noções gerais, com o intuito de situar esta temática e de

onde são identificados os parâmetros para o controlo da cavitação nestas mesmas estruturas.

No Capítulo 5 aborda-se a temática das manobras com válvulas de controlo automático, onde

são referidas algumas técnicas especiais de controlo, nomeadamente para válvulas de controlo

instaladas em série e em paralelo em circuitos hidráulicos. É abordado o efeito do golpe de aríete e

as suas consequências em sistemas hidráulicos, assim como a utilização de dispositivos de

protecção de modo a minimizar os seus efeitos.

No Capítulo 6 analisa-se a utilização de válvulas redutoras de pressão (VRP) em sistemas de

distribuição de águas através de um caso de estudo. Nesta parte do trabalho, são desenvolvidos

alguns aspectos relacionados com a importância da utilização de VRP em sistemas de

abastecimento, assim como a sua instalação. É abordada a temática das fugas em sistemas de

abastecimento de água, onde se referem os tipos e indicadores de perdas, a análise de risco que

deve ser efectuada e as estratégias a seguir para a sua minimização. São referidas as vantagens e

desvantagens relacionadas com a sectorização de áreas a abastecer. Por último, procede-se a uma

análise detalhada, onde se pretende analisar a influência da utilização de dois tipos de válvulas

redutoras de pressão (VRP com carga hidráulica a jusante constante e VRP com perda de carga

hidráulica constante) na redução das perdas de água em sistemas de abastecimento e na

transformação da rede ramificada em emalhada como forma de flexibilizar o abastecimento da zona.

Esta análise é realizada através de simulações hidráulicas utilizando o EPANET 2.0 na rede de uma

4

zona em expansão habitacional no conselho de Ponta Delgada, ilha de São Miguel. É salientada a

importância do seu comportamento dinâmico, através de testes desenvolvidos em laboratório e

através da simulação de parte da rede utilizando o modelo WANDA, com vista a alertar para as

pressões extremas que podem advir da sua interacção com os diversos trechos ramificados do

sistema.

Por fim, apresenta-se no Capítulo 7 a síntese e as conclusões gerais do estudo, bem como a

apresentação de novas áreas de desenvolvimento e eventuais recomendações para trabalhos

futuros.

5

2 LEVANTAMENTO DO COMPORTAMENTO HIDRÁULICO DE VÁLVULAS 2.1 PARÂMETROS CARACTERÍSTICOS

Num problema de controlo de escoamento os parâmetros relacionados com a configuração

geométrica da instalação e com o escoamento são previamente fixados: diâmetro (D), comprimento

(L) e rugosidade (ε) das tubagens; perda de carga dos acessórios (representada pelo somatório dos

coeficientes de perda de carga singular, (ΣKs), massa volúmica (ρ) e coeficiente de viscosidade (µ) do

fluido.

Contudo, a representação matemática do estado do escoamento requer mais oito parâmetros:

Q : caudal;

Hd : carga disponível;

∆Hc : perda de carga hidráulica no sistema de tubagens;

∆Hv : perda de carga hidráulica na válvula;

Kv : coeficiente de perda de carga na válvula;

a : abertura da válvula;

f : coeficiente de perda de Darcy - Weisbach;

Re : número de Reynolds.

Por conseguinte, são necessárias oito equações para relacionar estes parâmetros entre si. Se

a válvula e a tubagem apresentam o mesmo diâmetro, as equações são as seguintes:

[1.1]

[1.2]

[1.3]

Para o regime de escoamento permanente, a carga hidráulica total do sistema a montante deve

ser igual à perda de carga total:

[1.4]

Os termos de perda de carga são:

[1.5]

6

[1.6]

e com eles a equação [1.4] passa a ser escrita:

[1.7]

A equação [1.8] descreve a carga disponível no sistema que é função do caudal:

[1.8]

Perante um escoamento puramente turbulento, a variação do número de Reynolds não afecta

o valor do coeficiente de perda de carga. Deste modo, o coeficiente de perda de carga passa a

depender apenas das características da tubagem, a qual é pré definida aquando da selecção das

válvulas.

Definida a configuração geométrica da instalação e considerando o escoamento como sendo

puramente turbulento, existe uma relação especificada através dos seguintes parâmetros: Hd, Hc, Hv,

Q, Kv, a. A Figura 1 mostra a relação gráfica entre eles e descreve as variações no escoamento

devido ao movimento do obturador. Alterações na área de passagem da válvula, causam perda de

carga singular, cujo valor cresce com o fecho do obturador. A perda de carga total varia, mas o seu

comportamento depende apenas da abertura da válvula, pois a geometria do sistema permanece

inalterada. A intersecção entre a curva de perda de carga total e a curva de carga disponível dá

origem ao valor do caudal para cada abertura valor de abertura.

Figura 1 – Representação dos parâmetros de escoamento

em função do coeficiente de perda de carga na válvula (LAURIA, 1996).

7

2.2 VÁLVULAS DE CONTROLO DE CAUDAL

As válvulas são órgãos de extrema importância na operação de sistemas adutores,

nomeadamente, quando se pretende alterar o caudal ou interromper o escoamento. Deste modo,

existem diferentes tipos de válvulas com vista a desempenhar estas funções.

As válvulas cujo funcionamento pressupõe a fixação de um caudal em função da sua abertura

dizem-se de controlo. Assim, importa ter em conta que o controlo do caudal, aquando de uma

manobra, induz variações de pressão transitórias durante as operações de abertura e fechamento.

(ALMEIDA E MARTINS, 1999).

Consoante o tipo de movimento do veio do obturador, as válvulas podem ser classificadas em

dois grupos:

- Válvulas com movimento linear do obturador (e.g., globo, cunha, guilhotina, agulha,

diafragma) (Figuras 5, 4 e 3);

- Válvulas com movimento angular do obturador (e.g., esférica, borboleta) (Figuras 6 e 2).

Figura 2- Válvula de Borboleta (DIAS, 2004).

Figura 3- Válvula de Diafragma (Catálogo SAINT GOBAIN).

Figura 4- Válvula de Cunha (Catálogo SAINT

GOBAIN).

Figura 5- Válvula de Globo (Catálogo SPIRAX).

8

Figura 6- Válvula Esférica (ALMEIDA E MARTINS, 1999).

Figura 7- Válvula de Membrana (Catálogo

ASCA).

As válvulas de borboleta (Figura 2) são frequentemente utilizadas em sistemas adutores em

pressão, sob cargas hidráulica pouco elevadas. São válvulas adaptadas para órgãos de fecho de

emergência, mais concretamente, válvulas de segurança com fecho por sobrevelocidade do

escoamento.

Também são utilizadas como reguladoras de caudal, principalmente em condutas de reduzido

diâmetro. Apresentam uma elevada sensibilidade à cavitação e provocam vibrações por turbulência.

O obturador deste tipo de órgão é um corpo em disco com perfil longitudinal hidrodinâmico para

diminuir as perdas de carga, aquando da abertura total da mesma.

As válvulas de diafragma , são caracterizadas por possuírem uma membrana flexível

(diafragma) cuja periferia está fixa no corpo da válvula (Figura 8). O seu funcionamento consiste em

pressionar uma das faces da membrana através do actuador, fazendo com que a passagem do

escoamento seja restringida. Este tipo de órgão é utilizado, preferencialmente, em situações de

funcionamento muito agressivas.

Figura 8 – VRP do tipo Diafragma (COVAS E RAMOS, 1998).

As válvulas esféricas (Figura 6), de cunha (Figura 4) e de guilhotina são as mais indicadas

para a função de válvulas de seccionamento.

As válvulas esféricas são, preferencialmente, utilizadas em instalações de elevada carga ou

para cortes rápidos do escoamento. Por outro lado, estas válvulas quando totalmente abertas

induzem uma perda de carga hidráulica muito reduzida.

9

As válvulas de globo têm uma grande utilização no controlo automático da pressão e do

caudal. Podem apresentar diversos tipos de obturadores e de sistemas hidráulicos de

actuação/regulação (Figura 9).

Devido ao sinuoso percurso que o liquido é obrigado a percorrer no seu interior, estas válvulas

apresentam uma grande perda de carga hidráulica, mesmo na situação de abertura total.

Tendo em conta a posição do obturador relativamente ao eixo da conduta, estas podem ter

designações diferentes, nomeadamente, em linha, angulares ou oblíquas.

Figura 9 – Classificação de Válvulas de controlo (SILVA, 2004).

Numa válvula linear a secção do orifício é modificada por meio de um movimento rectilíneo da

haste de comando, enquanto numa válvula rotativa a haste de comando efectua um movimento

angular. Na Figura 10 e na Figura 11 apresentam-se algumas das válvulas descritas.

Figura 10 - Válvula linear, de globo, de sede simples

(SILVA, 2004).

Figura 11 – Válvula linear, de globo, de sede dupla

(SILVA, 2004).

10

Em suma, na selecção e especificação de uma válvula de controlo, o projectista deverá ter em

conta diferentes tipos de factores, de entre os quais, o tipo de liquido e velocidade máxima do

escoamento, as pressões e as temperaturas máximas admissíveis, os condicionamentos de

estanquidade com a válvula fechada, resistência ao ambiente agressivo de funcionamento,

resistência à cavitação, os condicionamentos relativos à instalação, manutenção e reparação, o

cumprimento de critérios de qualidade e a consulta das informações técnicas dos fabricantes


2.3 ACTUADORES DE VÁLVULAS

Nas estruturas de controlo de caudal, as válvulas podem ter comando manual, pneumático e

motorizado. No caso de uma operação motorizada, a sua lei de fecho ou abertura é estabelecida pelo

projectista após a análise dos regimes transitórios (BELLO, 2001). De acordo com as condições de

funcionamento, esta lei pode ser ajustável ou fixa.

Para o controlo motorizado das válvulas, podem ser escolhidos diferentes tipos de actuadores

que, eventualmente, podem estar ligados a um autómato ou podem depender do nível de água do

reservatório, no caso de válvulas de controlo de caudal em condutas de adução.

Figura 12 – Actuador pneumático de diafragma (Catálogo SPIRAX).

O actuador de uma válvula transmite a potência necessária, de modo, a garantir a força para

movimentar o obturador, ultrapassando as resistências hidráulicas e de atrito impostas pelo

escoamento.

Actualmente, existem diferentes tipos de actuadores, de entre os quais de destacam os

pneumáticos (Figura 12 e Figura 13), hidráulicos, eléctricos (Figura 14) e electrohidráulicos.

11

Figura 13 – Actuador pneumático de êmbolo (Catálogo SPIRAX).

Associado ao sistema de actuação nas válvulas, está um conjunto de instrumentos acessórios

que permitem a sinalização da posição do obturador. Por outro lado, os actuadores podem estar

ligados a um sistema de comando ou a um sistema de controlo automático. Um dos automatismos

mais correntes é o associado a situações de emergência ou de funcionamento anormal do sistema

hidráulico.

Figura 14 – Actuador por motor eléctrico (Catálogo SPIRAX).

As especificações exigidas para os actuadores dependem de diversos factores,

nomeadamente, as características hidráulicas do sistema (força hidráulica a fornecer), as

características da manobra pretendida (fecho/abertura rápido ou gradual e respectivas velocidades) e

a frequência das manobras exigidas ao actuador.

Para a correcta selecção do actuador o projectista deve ter em conta os seguintes factores:

fonte de energia disponível; força exigida; actuação em caso de emergência; acessórios de controlo;

velocidade de operação requerida; frequência de operação; ambiente de funcionamento; dimensão

da válvula; custo e manutenção (ALMEIDA E MARTINS, 1999).

12

2.4 FUNCIONAMENTO DE VÁLVULAS DE CONTROLO AUTOMÁTICAS

Actualmente as válvulas de controlo de caudal podem ser divididas em dois grupos:

1. Válvulas do tipo globo com controlador interno e actuador hidráulico;

2. Válvulas com controlador externo actuando em função da medição directa ou indirecta do

caudal;

As válvulas automáticas do tipo globo são caracterizadas por possuírem um obturador operado

hidraulicamente por um pistão ou por uma membrana em que uma das faces está em contacto com

uma câmara existente na parte superior da válvula (Figura 15).

Um circuito hidráulico interno estabelece a ligação entre a parte de montante e jusante do

obturador e a câmara. Com o intuito de controlar o caudal, pode ser instalado um diafragma cuja

pressão diferencial é introduzida no circuito interno.

Figura 15- Válvula Automática do tipo Globo (PRESCOTT e ULANICKI, 2003).

Este tipo de válvula permite que, após a calibração para o valor de caudal pretendido, se

consiga manter um caudal independentemente das condições hidráulicas a montante e a jusante.

Por outro lado, o segundo tipo de válvulas automáticas possui um comando do actuador ligado

a um regulador electrónico que recebe os sinais provenientes dos sensores instalados na válvula.

O regulador deve obedecer a um plano de controlo adequado, de modo a dar sucessivas

ordens ao actuador da válvula em função das diferenças entre o caudal pretendido e os caudais que

vão sendo monitorizados pelos sensores. Este plano de controlo deve garantir a estabilidade,

segurança e controlabilidade do caudal.

De uma maneira geral, uma válvula redutora de pressão funciona da seguinte maneira (COVAS

E RAMOS, 1998):

• Sempre que a pressão a jusante for demasiado elevada é accionado o dispositivo de

obturação da válvula, de forma a aumentar a perda de carga localizada no sistema,

13

reduzindo o valor da pressão a jusante até ao valor pretendido (valor designado por

carga de definição da válvula redutora de pressão, HVRP).

• Pelo contrário, se a pressão a jusante descer abaixo de um determinado valor, a válvula

abre e a pressão a jusante atinge o valor pretendido. Este modo de funcionamento em

que a válvula provoca uma perda de carga localizada no sistema reduzindo o valor da

pressão a jusante, designa-se por estado activo da válvula (Figura 16- (i)).

• 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 - estado passivo com a

válvula aberta (Figura 16- (ii)). Com o objectivo de minimizar a perda de carga

localizada intrínseca à válvula aberta, a mesma deverá ser dimensionada de modo que

a sua capacidade, para a abertura total, seja superior ao caudal de dimensionamento

do sistema.

• 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 16- (iii)).

(i) VRP activa

(Hm≥HVRP≥Hj)

(ii) VRP passiva aberta

(Hj≤Hm≤HVRP)

(iii) VRP passiva fechada

(Hm≥Hj)

Figura 16 - Funcionamento de uma válvula redutora de pressão (COVAS E RAMOS, 1998).

Como já foi referido anteriormente, 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.

Deste modo, garante-se uma gestão mais eficiente dos níveis de serviço e um melhor

desempenho hidráulico do sistema.

Existem, essencialmente, quatro sistemas de funcionamento de válvulas redutoras de pressão

(COVAS E RAMOS, 1998):

HVRP

Hm

VRP VRP

VRP VRP

L.E.

Q

VRP VRP

Hm

Hj Q=0

HVRP

Hm

VRP VRP

Hj H

Q

14

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 17- (i)).

VRP com queda constante

Neste sistema, a válvula reduz a 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 17- (ii)).

VRP com carga constante variável no tempo

O comportamento deste sistema é semelhante ao da VRP com carga constante a jusante,

porém, a pressão é mantida constante por intervalos no tempo pré-definidos, variando de intervalo

para intervalo (Figura 17- (iii)).

A situação mais comum é a utilização de dois patamares de pressão: um para o período diurno

e outro para o nocturno.

VRP com carga ajustável automaticamente em função d a 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 mesmo seja acompanhado pela respectiva variação de pressão a jusante.

Caso a pressão a jusante seja controlada pela pressão nas secções críticas, é necessário

monitorizar a pressão nessas secções, por um sistema de telegestão, em simultâneo com o

accionamento da válvula redutora de pressão (Figura 17- (iv)).

(i) Tipo 1

VRP com carga constante

(ii) Tipo 2

VRP com queda

constante

(iii) Tipo 3 - VRP com

carga constante

variável no tempo

(iv) Tipo 4 - VRP com

carga const. ajustável

ao consumo

Figura 17 - Funcionamento de diferentes sistemas de VRP (COVAS E RAMOS, 1998).

Hji+1

Hmi+1

Hmi L.E.

L.E. Hj

i ∆H ∆H

VRP

L.E. HVRP

Hmi

Hmi+1

VRP VRP

Hmi+1

Hji+1(ti+1)

Hmi L.E.

Hmi+1 L.E. Hj

i(ti)

VRP

Hji+1(Qi+1)

Hmi L.E.

Hmi+1 L.E.

Hji(Qi))

VRP

Hji+2(Qi+2)

Hmi+2 L.E.

15

Os dois primeiros esquemas de funcionamento das VRP - 1 e 2 - enquadram-se nos sistemas

redutores de pressão convencionais e os últimos - 3 e 4 - nos sistemas não convencionais.

Actualmente, a mesma válvula pode permitir qualquer um dos diferentes tipos de

funcionamento desde que seja equipada com um circuito específico para essa função.

A grande vantagem das válvulas não convencionais (tipo 3 e 4) é a uniformização da pressão

no respectivo sector da rede durante o dia sem prejuízo dos consumidores.

Uma VRP convencional exige que a pressão na rede seja elevada durante a noite para

assegurar o nível de serviço mínimo durante a hora de ponta, por outro lado, uma VRP não

convencional, e em especial a VRP regulável pelo caudal, permite que a pressão da rede se ajuste

aos consumos ao longo do dia ajustando a pressão a jusante ao débito de caudal no sistema, ou

seja, funcionando com pressões baixas durante as horas de menor consumo, e com pressões mais

elevadas durante o período de ponta.

2.5 CARGA HIDRÁULICA E CONTROLO DE CAUDAL

A acção de uma válvula num sistema hidráulico funcionando em pressão, provoca uma maior

ou menor resistência ao escoamento e uma dissipação localizada de energia (perda de carga

hidráulica).

Como tal, a existência na zona da válvula de uma secção de escoamento contraída, provoca a

montante a convergência das linhas de corrente e a jusante a divergência das mesmas.

As zonas onde se processa um escoamento separado provocam um acréscimo da intensidade

de turbulência e de perdas de carga hidráulica.

Figura 18- Perda de carga hidráulica provocada por uma válvula (ALMEIDA E MARTINS, 1999).

Tendo em conta os diferentes tipos de válvulas existentes, os seus comportamentos

relativamente às perdas de carga introduzidas no escoamento serão distintos. Estas perdas de carga

ocorrem em função das respectivas características geométricas e da posição do obturador.

16

O comportamento hidráulico de uma válvula pode ser caracterizado pela seguinte expressão

(ALMEIDA E MARTINS, 1999):

[2.1]

em que ∆Hv é a perda de carga hidráulica provocada pela válvula, Kv é designado como

coeficiente de perda de carga na válvula e V0 é a velocidade de referência.

Quando se procede à alteração do grau de abertura de uma válvula, o regime hidráulico torna-

se temporariamente variável, levando a variações de pressão que podem prejudicar a

operacionalidade e a segurança do sistema. A realização de manobras bruscas nas condutas de

adução em pressão pode originar uma alteração do caudal de escoamento, fazendo com que surja

um regime variável violento, designado por “golpe de aríete”.

Após o amortecimento do regime variável transitório, é atingido um novo regime permanente,

em que nenhuma das grandezas hidráulicas variará com o tempo desde que as condições de

funcionamento do sistema se mantenham constantes, nomeadamente, o grau de abertura das

válvulas, os níveis de água, a velocidade do escoamento.

2.6 COEFICIENTES CARACTERÍSTICOS DAS VÁLVULAS

2.6.1 COEFICIENTE DE PERDA DE CARGA

Sempre que o escoamento encontra uma alteração no equipamento hidromecânico ocorre uma

dissipação de energia, denominada perda de carga.

O coeficiente de perda de carga das válvulas, Kv, depende do número de Reynolds (Re) e da

configuração geométrica da instalação.

Grande parte da bibliografia consultada, não menciona a influência do regime de escoamento,

sendo a grande maioria dos dados correlacionados apenas com a configuração geométrica. Por outro

lado, a maioria dos elementos bibliográficos admite um regime de escoamento puramente turbulento.

A relação entre o número de Reynolds e o coeficiente de perda de carga de válvulas totalmente

abertas pode ser analisada num ábaco (Figura 19) apresentado por MILLER (1978), onde se observa

que para valores de Re <1000 existe um acentuado incremento dos valores de Kv e para valores de

Re> 1000 o valor de Kv mantêm-se praticamente constante para um regime puramente turbulento.

De realçar que a ocorrência de cavitação na válvula pode alterar o valor de Kv de uma forma

bastante significativa.

17

Figura 19 – Relação entre Re e o coeficiente de perda de carga de válvulas

totalmente abertas (ALMEIDA E MARTINS, 1999).

Sendo o coeficiente de perda de carga um parâmetro adimensional, este pode ser relacionado

apenas com o tipo de válvula, desde que haja semelhança geométrica entre os diferentes tamanhos.

Apesar de serem encontradas grandes variações geométricas nas válvulas, consoante o fabricante, o

coeficiente de perda de carga na sua forma adimensional é bastante apropriado para a estimativa de

valores.

De acordo com LAURIA (1996), de entre os inúmeros dados disponíveis verifica-se que a

tendência da variação geométrica tem uma influência menos marcante para válvulas com tamanho

inferior a 100 mm.

Outro tipo de ábacos reproduzidos por MILLER (1978), apresentam a variação dos coeficientes

de perda de carga das válvulas com o seu grau de abertura. Perante as válvulas de cunha ou de

globo os coeficientes são definidos em função da abertura relativa.

Para as válvulas de borboleta e de esfera os valores de Kv são apresentados em função do

ângulo referente à posição do obturador. Nas válvulas de globo o comportamento é pouco sensível às

diferentes posições do obturador na zona de maiores aberturas, sendo os valores de Kv superiores

aos das restantes válvulas na posição de abertura total. Todos estes diferentes comportamentos,

resultam directamente da geometria interna das diferentes válvulas.

Apesar da diversidade de ábacos que analisam as relações entre o coeficiente de perda de

carga nas válvulas e o número de Reynolds ou o grau de abertura, sempre que possível dever-se-á

utilizar os dados relativos às características reais das válvulas que irão ser instaladas. Estes dados

devem ser obtidos junto do fabricante e possibilitam ao projectista a obtenção de resultados mais

fiáveis.

18

Figura 20 – Valores de coeficientes de perda de carga localizada em válvulas

para diferentes graus de abertura (ALMEIDA E MARTINS, 1999).

2.6.2 COEFICIENTES DE VAZÃO

O caudal escoado através de uma válvula pode ser calculado com base na seguinte equação:

[2.2]

em que ∆p é a diferença de pressão e Cv o coeficiente da válvula definido em função do caudal

e da secção.

De acordo com SILVA (2004), o valor de Cv é uma característica do escoamento, pelo que

dependerá do orifício e do fluido, ou seja, depende do diâmetro da válvula, do seu tipo, da sua

abertura e das características do fluido, em particular da sua viscosidade. Deste modo, para uma

determinada válvula (diâmetro nominal e tipo), define-se o coeficiente da válvula, Cv, como sendo o

caudal de água (m3/h) que por ela passa, quando a diferença de pressão montante / jusante é de 100

kPa.

Alguns autores optam por dividir o coeficiente Cv pelo diâmetro ao quadrado da válvula obtendo

a capacidade relativa da válvula de modo independente do seu tamanho.

19

Torna-se ainda mais conveniente e usual, trabalhar com um coeficiente adimensional de vazão,

Cd, para descrever a capacidade da válvula.

[2.3]

onde ρ é a massa volúmica do fluido, ∆pv a diferença de pressão e A a área da tubagem onde

está inserida a válvula.

O valor de Cv assim definido é função da posição da haste de comando, H, também designada

por abertura da válvula. A fim de caracterizar melhor a válvula no que respeita à sua capacidade de

escoar o fluido, define-se o parâmetro Cvs, que é o valor de Cv para a válvula completamente aberta,

H=H100%.

Na Figura 21 representa-se esquematicamente uma possível instalação para a determinação

dos parâmetros Cv e Cvs de uma válvula. O nível do tanque, se aberto, é controlado para se ter uma

pressão no fundo igual a 100 kPa. Realiza-se um ensaio para cada uma das aberturas da válvula

desejadas, entre estas H=H100%, registando-se para cada abertura o valor de Cv, medido pela

variação de volume no tanque inferior

Figura 21 – Obtenção do coeficiente de vazão (Cv) (SILVA, 2004).

2.7 PERDA DE PRESSÃO NAS VÁLVULAS DE CONTROLO

A utilização do conceito de Cv para a escolha da geometria das válvulas de controlo de caudal

a instalar, assenta numa técnica familiar aos projectistas de instalações hidráulicas. Os valores do

caudal e da perda de pressão na válvula são definidos para calcular um coeficiente de vazão de

referência, o qual é comparado com um outro valor obtido em ensaios e posteriormente é feita a

selecção da válvula.

Normalmente, como o caudal é especificado, a questão passa a ser qual a perda de pressão a

impor para realizar a operação pretendida.

20

Apesar de inúmeros esforços terem sido feitos para correlacionar a perda de carga e a

dimensão das válvulas, frequentemente, esta continua a ser expressa como percentagem da perda

de carga na instalação (Lauria, 1996).

Após consulta de diversa bibliografia recomenda-se geralmente que se atribua 1/3 da perda de

carga total à válvula. Outras regras sugerem que se deva atribuir 30% da perda de carga total para a

válvula, quando estamos perante curtas tubagens e 15% da perda de carga total, mediante a

presença de longas tubagens. Não foi possível encontrar nenhuma referência quanto ao valor

numérico que define uma tubagem curta ou longa, nesta situação.

Existem estudos que propõem um valor máximo da perda de pressão, de modo independente

da perda de carga total e outros que recomendam 50% da perda de carga total como valor “razoável”

para a queda de pressão.

De acordo com LAURIA (1996), para além da elevada possibilidade de divergência entre as

condições reais e de projecto, o uso do conceito de Cv não fornece informações em relação à

abertura na qual a válvula operará e a característica efectiva de regulação.

Para esse efeito, os diagramas apresentados na Figura 20 são mais adequados para a

definição da dimensão da válvula a seleccionar.

2.8 CARACTERÍSTICAS DE REGULAÇÃO DO CAUDAL

2.8.1 FUNDAMENTOS

Como resultado da interacção do escoamento com a instalação, cada válvula estabelece um

padrão de escoamento de acordo com o movimento do obturador. A descrição deste padrão define a

característica de regulação de uma válvula, sendo a sua representação gráfica designada por curva

característica de regulação (Figura 22).

Esta representação gráfica é obtida pela relação entre o quociente do caudal genérico (Q) e o

caudal máximo possível (Qmax) em função do quociente entre a abertura genérica (a) e a abertura

máxima da válvula (amax).

[2.4]

21

Figura 22 – Curva característica de regulação de válvulas do tipo globo e esférica


A característica de regulação descreve a relação entre a redução relativa do caudal como

resposta à redução relativa da abertura na válvula. É um modo conveniente de analisar o

comportamento operacional de válvulas.

Existem dois tipos distintos de características de regulação para as válvulas. Quando a função

anterior é determinada mantendo constante a perda de carga através da válvula, estamos perante a

característica inerente de regulação da válvula. Por outro lado, quando a perda de carga ao longo da

válvula varia segundo as condições do escoamento na instalação hidráulica, estamos perante a

característica efectiva da válvula.

A correcta selecção da característica de regulação é uma parte importante dos procedimentos

de selecção de válvulas de controlo. Conforme a dissipação no sistema, a característica efectiva pode

diferir significativamente da inerente.

Caso o projectista pudesse prever a característica real de regulação de cada uma das válvulas,

teria definitivamente melhores condições para a sua especificação e selecção. Assim, a característica

de regulação poderia ser escolhida de modo a enquadrar-se à resposta do escoamento.

2.8.2 CARACTERÍSTICA INERENTE DE UMA VÁLVULA

Inúmeras referências bibliográficas sobre o controlo do escoamento afirmam ser necessário

efectuar ensaios especiais para determinar a característica inerente de regulação do caudal de uma

válvula. No entanto, podemos determinar a característica inerente de uma válvula a partir do

coeficiente de perda de carga de uma válvula, Kv. A seguinte equação fornece-nos o caudal genérico

através de uma válvula:

[2.5]

em que A é a área da tubagem onde está inserida a válvula, Kv o coeficiente de perda de carga

da válvula e ∆Hv a perda de carga hidráulica.

22

Mantendo constante o valor de ∆Hv a seguinte equação mostra que quando o coeficiente de

perda de carga Kv é mínimo (Kvs), o que corresponde à situação da válvula totalmente aberta, ocorre

a vazão máxima possível.

[2.6]

A característica inerente de uma válvula é obtida simplesmente dividindo uma equação pela

outra:

[2.7]

Figura 23 – Características Inerentes de uma válvula linear e de igual percentagem (Silva, 2004).

A válvula linear, quando submetida a uma variação da sua abertura, origina uma variação de

caudal proporcional à variação de abertura (Figura 23) e a válvula de igual percentagem dá origem a

uma variação de caudal proporcional ao valor percentual de Kv.

Deste modo, na válvula de igual percentagem (Figura 24) a variação de H/H100 de 0,20 → 0,30

origina uma variação de Kv/Kvs de 0,14 → 0,19 (44,3%). Por outro lado, a variação de H/H100 de 0,70

→ 0,80 origina uma variação de Kv/Kvs de 0,52 → 0,65 (44,3%).

Uma válvula com a característica de igual percentagem, para um determinado acréscimo da

abertura, produz uma variação de caudal menor quando a abertura é pequena do que quando é

grande. Por isso se designa também por válvula de abertura lenta. Poderá por vezes haver

necessidade de ter uma abertura rápida quando a válvula se encontra fechada ou próximo dessa

situação. Diz-se então que se tem uma válvula de abertura rápida.

23

Figura 24 - Características Inerentes de diferentes válvulas (SILVA, 2004).

A característica inerente é única para cada válvula, é uma forma de representação bastante

conveniente, contudo poucas são as situações onde as válvulas operam sob perda de carga

constante.

De acordo com ALMEIDA E MARTINS (1999), a curva característica inerente de uma válvula

depende, unicamente, do andamento da respectiva curva de variação do coeficiente de perda de

carga, Kv, com o grau de abertura. Esta característica pode no entanto variar para um mesmo tipo de

válvula, com as características específicas, construtivas e hidráulicas de cada modelo comercial.

2.8.3 CURVA CARACTERÍSTICA

Na prática, uma válvula encontra-se inserida num circuito hidráulico em que as pressões

variam consoante os caudais. Como a válvula de controlo ao actuar provoca uma variação no caudal,

as pressões no circuito hidráulico irão variar e consequentemente as pressões a montante/jusante

irão variar com a abertura (SILVA, 2004).

A relação caudal/abertura não seguirá a forma da curva característica da válvula. Considere-se

o circuito hidráulico tipo da Figura 25, onde existe uma bomba. Esta tem tipicamente uma curva

característica pressão/caudal decrescente. Na tubagem a queda de pressão aumenta

aproximadamente com o quadrado do caudal. Nestas condições a pressão disponível na válvula

diminui com a sua abertura (Figura 26), portanto, a curva característica da válvula em operação difere

da curva característica teórica a ∆p constante.

Figura 25 – Válvula inserida num circuito hidráulico (SILVA, 2004).

24

Figura 26 – Quedas de pressão no circuito hidráulico (SILVA, 2004).

De acordo com SILVA (2004), define-se autoridade da válvula (pv) a relação entre a diferença

de pressão montante/jusante com a válvula completamente aberta e a mesma diferença de pressão

com a válvula completamente fechada, ou seja,

[2.8]

A característica operacional de uma válvula depende da curva característica inerente e da

autoridade da válvula, como se indica na Figura 27.

Repare-se que a válvula linear apresenta características operacionais semelhantes às

características inerentes de uma válvula de abertura rápida. Nas características operacionais deixa

de se representar em ordenadas Kv/Kvs, uma vez que nesta situação ∆p não é constante e igual a

100 KPa, mas varia com a abertura.

Figura 27 - Características de operação de uma válvula linear (SILVA, 2004).

25

2.8.4 GANHO DE UMA VÁLVULA

O ganho de uma válvula é definido pela relação entre a variação do valor relativo do caudal (q)

e a correspondente variação relativa da posição da haste de comando (h), ou seja da sua abertura

relativa:

[2.9]

O ganho é definido em relação às características operacionais, como a da Figura 27, que se

refere a uma válvula linear. Por esta razão também se lhe dá o nome de ganho instalado.

A expressão [2.9] pode escrever-se:

[2.10]

Como consequência da equação [2.10], conhecido o ganho instalado de uma válvula, pode

obter-se o incremento relativo de caudal, multiplicando o ganho pelo incremento relativo da abertura.

Em sistemas de controlo que utilizem controladores PID, e estes são a maioria dos sistemas

usados na indústria, é importante que o ganho instalado da válvula se mantenha relativamente

uniforme na região de funcionamento. Variações de ganho elevadas tornam o desempenho do

controlo irregular. Um ganho pequeno exige um curso grande para a haste de comando da válvula e

um ganho elevado torna o controlo ruidoso, com o caudal demasiado sensível a pequenas variações

da abertura da válvula.

Como regra básica o ganho de uma válvula de controlo deverá estar compreendido entre os

limites 0.5 e 2, para não se fazer sentir apreciavelmente a não linearidade:

[2.11]

Uma vez que o ganho instalado depende do caudal através da válvula, é de esperar que o

dimensionamento da mesma afecte a curva de ganho instalado. Na Figura 28 representa-se o ganho

instalado para duas válvulas do mesmo tipo, em que apenas o diâmetro nominal é diferente.

Figura 28 – Ganho instalado em duas válvulas do mesmo tipo (SILVA, 2004).

26

2.9 TEMPO DE RESPOSTA

2.9.1 NOÇÕES BÁSICAS

Para um adequado controlo do escoamento é importante que a válvula atinja uma determinada

posição rapidamente.

Uma rápida resposta a pequenas alterações no obturador da válvula é um dos principais

factores para se garantir a adequada eficácia de todo o processo de controlo. Isto deve-se ao facto de

no controlo automático de caudal, a maior parte dos sinais recebidos por parte do controlador, serem

para impor pequenas alterações na posição do obturador.

De acordo com FISHER (2005), o tempo de resposta de uma válvula é o tempo que decorre

entre a entrada de um sinal de alteração da posição do obturador (input) e o momento no qual este

atinge uma determinada percentagem da sua alteração (output), definida previamente. O tempo de

resposta depende de variados factores, tais como:

- a viscosidade e pressão da água;

- o tipo de válvula de controlo;

- o binário actuador/obturador.

O tempo de resposta da válvula engloba o tempo estático e o tempo dinâmico. O tempo

estático é o tempo desde o input do sinal até ao momento em que o obturador começa a movimentar-

se. Por outro lado, o tempo dinâmico é o tempo que este leva a atingir determinada percentagem da

sua alteração. O tempo estático pode ser um resultado da fricção entre o obturador e o corpo da

válvula ou do tipo de actuador utilizado. É importante minimizar o tempo estático para garantir uma

melhor eficácia por parte da válvula. Geralmente, o tempo estático não deve exceder cerca de 1/3 do

tempo de resposta da válvula.

Se estivermos perante uma válvula de abertura rápida, o tempo estático pode afectar

dramaticamente a performance da mesma, por conseguinte, é fundamental neste tipo de válvula,

escolher um equipamento de controlo com o menor tempo estático possível.

Do ponto de vista do ajuste do movimento do obturador, é importante que o tempo estático seja

consistente nos dois sentidos (abertura e fecho), porém existem válvulas cujo tempo estático pode

ser 3 a 5 superior num sentido do que em relação ao outro. Este tipo de comportamento designa-se

como assimétrico e pode condicionar gravemente o controlo do escoamento assim, como a eficácia

desse controlo.

Uma vez ultrapassado o tempo estático, o obturador da válvula começa a movimentar-se e dá-

se o início do tempo dinâmico. Este tempo vai ser condicionado, primeiramente pelas características

dinâmicas do conjunto obturador - actuador. A escolha destes dois componentes deve ser a mais

acertada possível, de modo a minimizar o tempo de resposta da válvula.

27

A resistência devido à pressão é um dos factores que mais contribui para um aumento do

tempo dinâmico, quando são solicitadas alterações na posição dos obturadores das válvulas. Uma

maneira de contornar este problema passa pela substituição do actuador por um de uma gama de

pressão superior.

2.9.2 TEMPO EFECTIVO DE FECHAMENTO

Com o intuito de aumentar a eficácia das estruturas de controlo do caudal e a segurança contra

as pressões transitórias violentas, designadas por golpe de aríete, foram realizados estudos para se

obter a caracterização da variação do caudal provocada por manobras de diferentes tipos de válvulas

(Figura 29).

Estes estudos tiveram como objectivo disponibilizar diversas informações, de modo a que se

pudesse seleccionar o tipo de válvula que melhor se adaptasse às condições de projecto e definir as

manobras de fecho e abertura. De entre as várias manobras possíveis, destaca-se o fecho total das

válvulas para a rápida diminuição do caudal no sistema adutor, como sendo a mais crítica.

Atendendo à influência directa da taxa de variação do caudal ou da velocidade do escoamento

na variação da pressão resultante, LESCOVICH (1967) demonstrou que o tempo de fecho da válvula

não deve ser o único factor a considerar. Deste modo, cada tipo de válvula pode alterar a secção do

escoamento de maneira diferente, para o mesmo movimento do obturador e o mesmo tempo de

fecho.

Considerando um movimento uniforme do obturador (velocidade constante de deslocação) da

válvula, a variação do caudal em função da percentagem do tempo total de manobra é diferente para

os vários tipos de válvulas. Visto que o movimento do obturador é uniforme, existe uma relação

directa entre o grau de abertura e o tempo relativo de manobra da válvula.

O conceito de tempo efectivo de fechamento possibilita a caracterização do comportamento

real do escoamento em regime transitório num adutor, incluindo os efeitos da inércia ou do golpe de

aríete (ALMEIDA E MARTINS, 1999).

28

Figura 29 – Tempos de anulação do caudal durante o fecho de válvulas (ALMEIDA E MARTINS, 1999).

Ainda de acordo com ALMEIDA E MARTINS (1999), o tempo de fecho pode ser definido com base

na tangente da curva de vazão com o tempo cuja derivada dq/dt tem um valor máximo:

[2.12]

em que é a variação do caudal no sistema adutor provocada pela manobra.

Em suma, o comportamento dinâmico real de cada tipo de válvula, vai depender do

comportamento em regime variável ou transitório de todo o sistema de adução e não somente do tipo

de válvula e da duração da manobra.

2.10 DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA

2.10.1 CAVITAÇÃO

Para além das demais características já apresentadas, o desempenho de uma válvula de

controlo pode depender de vários factores como a cavitação, o “flashing”, as incrustações, a corrosão

e o ruído.

A cavitação é um fenómeno físico que se manifesta nos líquidos em movimento rápido, onde

devido ao aumento de velocidade associado a uma diminuição da secção da veia líquida, há

abaixamento de pressão. Poderá então ocorrer a vaporização do líquido, que poderá originar um

desprendimento violento de bolhas de vapor. As bolhas, assim, formadas, ao seguirem as linhas de

corrente, entram a seguir em regiões onde a pressão volta a aumentar e colapsam originando picos

de pressão elevados, dando origem a ondas de choque esféricas associadas. Se estas ondas se

formarem junto às paredes das válvulas estas estão sujeitas a erosão das superfícies, dando origem

a furos ou cavidades. (Figura 30).

29

Se o líquido contiver partículas em suspensão, dá-se também a projecção destas sobre as

paredes da válvula, agravando ainda mais o fenómeno. Além de danificar a superfície interna das

válvulas (Figura 30), a cavitação dá origem a ruídos intensos e a vibrações. Todos estes efeitos

indesejáveis da cavitação podem ser a causa de condições de operação insatisfatórias, de

excessivos custos de manutenção e por último da destruição parcial de componentes da instalação.

Figura 30 – Comparação entre uma válvula agulha desgastada pela cavitação e uma nova

(RODRIGUES, 2002).

A cavitação pode ser atenuada, não permitindo que a pressão do fluido desça

substancialmente, podendo até ser completamente eliminada se não se deixar que a pressão desça

abaixo da tensão de vaporização do líquido.

A redução da cavitação pode ser feita de diversos modos:

• Colocação a jusante da válvula de uma placa perfurada que introduza uma perda de

carga, de modo a aumentar a contra pressão na válvula, reduzindo assim o seu ∆p;

• Selecção de um tipo de válvula em que a cavitação se dê no centro do escoamento e

não junto às paredes;

• Selecção de materiais e revestimentos adequados para as superfícies internas da

válvula.

2.10.1.1 PARÂMETROS DE CAVITAÇÃO

Como já foi abordado a ocorrência de cavitação está ligada às características do escoamento

por intermédio de um constrangimento, como é o caso de um obturador de uma válvula de controlo

de caudal.

As características da cavitação dependem de inúmeros parâmetros, nomeadamente:

- parâmetros relacionados com o fluido: massa volúmica, composição de gases dissolvidos,

concentração de impurezas, viscosidade e tensão de vapor;

- parâmetros relacionados com as características de escoamento: caudal, perda de carga,

altura piezométrica, intensidade da turbulência;

- parâmetros relacionados com a fronteira sólida: geometria e rugosidade.

30

Habitualmente, a análise da cavitação na fase de projecto de sistemas hidráulicos é realizada

com base na consideração de um parâmetro de semelhança adimensional. Este permite avaliar o

nível de severidade do fenómeno pela sua comparação com os valores limites do mesmo coeficiente,

correspondentes aos diversos níveis de cavitação num determinado equipamento.

O parâmetro de cavitação relaciona as variáveis do escoamento que contrariam a cavitação

com aquelas que a favorecem. Menos propícias serão as condições de ocorrência de cavitação,

quanto mais afastada se encontrar o valor da pressão local da tensão de vapor do líquido. As

condições favoráveis à cavitação são induzidas por diferenças elevadas de pressão entre montante e

jusante ou por elevadas velocidades de escoamento.

Segundo ALMEIDA E MARTINS (1999), existem vários critérios para caracterizar os níveis de

cavitação. As fórmulas mais utilizadas para definir o parâmetro de cavitação são as seguintes:

[2.13]

ou

[2.14]

onde:

- altura piezométrica a jusante do dispositivo

- altura piezométrica a montante do dispositivo

- tensão de vapor do líquido em escoamento

2.10.1.2 NÍVEIS DE CAVITAÇÃO

A intensidade do fenómeno de cavitação é principalmente função da velocidade de

escoamento, do nível de turbulência e da pressão do líquido. Deste modo, a intensidade do fenómeno

será aumentada, quanto maior for a velocidade de escoamento ou menor a pressão do mesmo.

31

De acordo com ALMEIDA E MARTINS (1999), consideram-se 4 níveis de cavitação distintos,

sendo eles:

- Cavitação incipiente:

Corresponde à fase inicial do fenómeno, apresenta características intermitentes e é definida

por um nível de ruído que se distingue do ruído do escoamento normal.

- Cavitação crítica:

É um tipo de cavitação com uma intensidade superior à incipiente e com níveis de ruído

toleráveis. Este nível de cavitação representa as condições em que a intensidade das perturbações

aumenta rapidamente devido a pequenas variações no escoamento. O valor limite deste nível de

cavitação pode ser adoptado como um critério de especificação para as válvulas.

Neste tipo de cavitação, apenas é tolerado um nível limitado de ruído.

- Cavitação com danos:

Este tipo de cavitação conduz à picagem das fronteiras sólidas dos dispositivos e é

acompanhada por um considerável nível de ruído. A operação de válvulas neste tipo de condições

conduz a uma acentuada deterioração.

- Cavitação bloqueante:

Este nível de cavitação é caracterizado pela ocupação de toda a secção transversal da conduta

pelo vapor do líquido escoado. As relações entre as perdas de carga e o caudal escoado não se

aplicam e o caudal escoado tende a ficar limitado ou bloqueado. Próximo do bloqueio o escoamento

processa-se de maneira instável e o ruído e as vibrações são muito intensas.

2.10.2 “F LASHING”

O “flashing” é um fenómeno que se gera devido à vaporização do líquido por efeito do

abaixamento da pressão. Este difere da cavitação pelo facto de não haver em seguida um aumento

suficiente da pressão, passando assim o líquido ao estado gasoso e nele permanecendo.

A pressão final do fluido é inferior à tensão de vaporização do líquido. O “flashing” pode

provocar vibrações da válvula e ruído, embora as suas consequências não sejam tão graves como as

da cavitação.

A redução do “flashing” faz-se usando técnicas análogas às utilizadas para a cavitação.

Na Figura 31 representa-se a perda de carga no circuito hidráulico próximo da válvula para os

casos em que não há nem cavitação nem “flashing”, para o caso em que há cavitação e para o caso

em que há “flashing”.

32

Figura 31 – Pressão estática em válvulas com cavitação e “Flashing” (SILVA, 2004).

2.10.3 RUÍDO

O ruído produzido numa válvula de controlo deve-se à sobreposição de vários factores, dos

quais os mais importantes são os dois últimos mencionados, a cavitação e o “flashing”, com particular

importância para a cavitação.

Válvulas destinadas ao controlo do escoamento de líquidos dão origem ao chamado ruído

hidrodinâmico.

Além de legalmente não ser permitido um valor de ruído superior a 80 dB, especificado na

norma portuguesa, o ruído incomoda e nos líquidos é um indicador da existência de cavitação.

2.10.4 CORROSÃO

Designa-se por corrosão o ataque químico, por parte do fluido em escoamento, aos

constituintes de um equipamento.

Nas válvulas a corrosão ataca o corpo, o obturador e até a própria sede. A corrosão origina um

aumento da rugosidade no interior das paredes e um aumento da secção interna, degradando as

características do escoamento. Em casos extremos poderá conduzir à rotura das paredes da válvula

e consequentemente à sua inutilização.

A corrosão poderá ser atenuada de duas formas: adicionando ao fluido um produto

neutralizante (se tal for possível) ou seleccionando adequadamente os materiais do revestimento

interno da válvula, do obturador e da sede.

Repare-se que a corrosão é um fenómeno químico, sendo originado pelo ataque químico das

paredes da válvula por parte do fluido, enquanto a cavitação é um fenómeno físico: são as ondas de

choque e as projecções de partículas, líquidas ou sólidas, que danificam as paredes da válvula.

2.10.5 INCRUSTAÇÕES

Chamam-se incrustações a depósitos de minerais sobre a superfície interna da válvula, ou de

outro equipamento.

33

Normalmente estes depósitos são de materiais calcários, sendo frequentes em válvulas de

água. As incrustações provocam uma diminuição da secção interna, redução que pode ser elevada.

Provocam ainda um aumento da rugosidade das superfícies internas. O conjunto destes dois factores

pode conduzir a perdas de carga elevadas, com a consequente degradação das características.

As incrustações poderão ser atenuadas de diversas maneiras: adicionando ao fluido um

produto anti-incrustação (se tal for possível), seleccionando o material de revestimento interno da

válvula ou efectuando uma manutenção correctiva com a frequência adequada.

2.11 FACTOR DE SEGURANÇA

A previsão das condições operacionais de válvulas de controlo tem por base diversas

premissas. Enquanto o fabricante fornece informações sobre a válvula, o projectista especifica o

processo e as características da instalação. Devido às incertezas inerentes à prática da engenharia,

ambas as partes tendem a adoptar valores conservativos para as suas especificações. Um

procedimento comum é usar um factor de segurança para cada conjunto de dados e adoptar a

politica do sobredimensionamento.

O procedimento de se especificarem baixas perdas de pressão, por si só leva a válvulas com

tamanhos maiores do que o necessário. Para agravar a situação, habitualmente, multiplica-se o Cv

calculado por um factor maior do que a unidade antes de o comparar com o valor de Cv ensaiado.

A combinação destas situações também contribui para o sobredimensionamento da válvula.

Considerando que a característica de regulação da válvula melhora, à medida que o seu

tamanho vai sendo reduzido, então, a condição de segurança corresponde a válvulas de menor

tamanho. Contudo, há um limite a ser respeitado, uma vez que, válvulas de menores dimensões

significam velocidades locais mais elevadas, com maior tendência à cavitação, ao desgaste e a altas

variações de pressão devido a regimes transitórios de escoamento.

Acima de tudo, a especificação da válvula deve ser vista como um processo de escolha de

componentes disponível em variação discreta de tamanho, ao contrário de tentar definir previamente

o seu tamanho. A melhor solução para lidar com variações de dados de projecto, é determinar a

condição mais provável de cada parâmetro e estimar a incerteza global. Outro ponto que deve ser

considerado é o facto de a válvula ser instalada num sistema de condutas com um elevado factor de

perda. Nesta situação, os efeitos do sistema são dominantes, não fazendo sentido atribuir um

coeficiente de segurança para a válvula, uma vez que, esta não será um factor de limitação do

escoamento. A selecção da válvula, só é efectiva quando for considerada a influência do sistema de

condutas no seu comportamento operacional.

35

3 SELECÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULAS DE CONTROLO DE CAUDAL

3.1 SELECÇÃO DO TIPO DE VÁLVULA

A selecção de válvulas de controlo de caudal reveste-se de maior importância, para que, a

função para a qual foram concebidas seja atingida com sucesso. Assim, cabe ao

fabricante/projectista garantirem a melhor combinação entre o tipo de válvula, o material de que é

constituída e os seus componentes internos. Por outro lado, todos os requisitos e as gamas de

pressões a que todo o sistema hidráulico estará sujeito, são factores que devem ser considerados no

dimensionamento e selecção de válvulas de controlo.

Com o intuito de seleccionar o tipo de válvula mais adequada para determinadas condições de

serviço, o projectista deve ter em consideração um vasto conjunto de informações, das quais se

destacam as seguintes:

• Caudal máximo e mínimo a escoar;

• Pressão máxima e mínima a montante da válvula;

• Pressão máxima e mínima a jusante da válvula;

• Perda de pressão máxima durante o escoamento;

• Perda de pressão máxima durante o fecho da válvula;

• Nível máximo permitido de ruído (se for um factor pertinente);

• Tipo de actuador exigido;

• Tipo de acessórios exigidos.

De uma maneira sintética, o processo de selecção de uma válvula deve verificar os seguintes passos

(MACHADO, 2004):

1. Determinar as condições de serviço, nomeadamente, a pressão a montante da válvula

(p1), a perda de pressão admissível na válvula (∆p), o caudal (q), o nível de ruído

admissível e escolher uma classe de pressão para a válvula e o seus respectivos

componentes.

2. Calcular o valor do coeficiente de vazão (Cv) exigido, tendo em atenção os valores de

ruído e os níveis de cavitação.

3. Escolher o tipo de obturador a instalar, de acordo com o nível de ruído admissível ou

indicação de existência/ausência de cavitação.

4. Seleccionar o corpo da válvula e o tamanho do obturador atendendo ao respectivo

coeficiente de vazão exigido.

5. Especificar o tipo de material dos componentes da válvula, em especial do obturador.

36

De acordo com SILVA (2004) não existe um método sistemático que permita a escolha do tipo

de corpo, tanto mais que muitos dos fabricantes recomendam alguns deles para múltiplas aplicações.

Dão-se no entanto algumas indicações que poderão ser úteis:

• para escoamento de água limpa:

Acima de diâmetro nominal 100 usar válvula de borboleta – válvula menos dispendiosa e de

concepção simples. O seu baixo custo, comparado com o de válvulas de outro tipo, torna-se notório

para diâmetros elevados. Normalmente estas válvulas não têm que trabalhar nem a pressões nem a

temperaturas elevadas, também não sendo crítica a precisão do controlo. Este tipo de válvula não

deve ser usado com gases nem com líquidos que tenham material sólido misturado.

• para escoamento de alta pressão:

Usar válvula linear de globo, de sede dupla ou mesmo esférica – É uma configuração que está

muito testada em caldeiras de produção de vapor, quer para a válvula de admissão de água como

para a regulação do vapor produzido.

• para líquidos com lamas ou areia:

Usar válvula linear, de guilhotina ou de corrediça. Consiste numa válvula que permite que as

lamas e areias passem pela região inferior da válvula sem afectar a haste de comando.

• para fluidos abrasivos:

Usar válvula linear revestida interiormente a neoprene, PTFE ou outros materiais equivalentes.

Por vezes a válvula é constituída por uma tubagem maleável que para fechar é apertada pelo

obturador da válvula.

• para controlo de elevada precisão:

Usar válvula de segmento esférico ou tipo agulha – Este tipo de válvula tem características

instaladas superiores às das válvulas de outros tipos, apresentando uma melhor precisão para o

controlo. Actualmente os fabricantes estão a construir válvulas de segmento esférico para quase todo

o tipo de aplicações. As válvulas do tipo agulha são de elevada precisão e por esse motivo são mais

dispendiosas.

Além do corpo propriamente dito, dever-se-á ainda escolher o tipo de ligação : válvula

flangeada, de bolacha, roscada, ou soldada.

Em qualquer dos caso é importante saber-se qual a pressão nominal (PN) da tubagem,

aquando da selecção da válvula. Note-se que para pressões e temperaturas de fluidos elevadas,

como acontece em caldeiras de produção de vapor, as válvulas deverão ser soldadas às tubagens.

Há duas séries de tubagens, e consequentemente de válvulas: a série Europeia - Deutsche

Industrie Norm (DIN) e a série Americana - American National Standards Institute (ANSI). Qualquer

37

delas é identificada pelo diâmetro nominal (DN) em milímetros na série DIN e em polegadas

americanas na série ANSI. Na Tabela 1 indicam-se as dimensões nominais das tubagens e válvulas.

Tabela 1 - Dimensões nominais das tubagens e válvulas (SILVA, 2004).

Na Tabela 2 dá-se uma indicação dos materiais utilizados nas válvulas em função do tipo de

fluido:

Tabela 2 – Material a usar nas válvulas (SILVA, 2004).

3.2 CÁLCULO DO CAUDAL DE VÁLVULAS

As fórmulas utilizadas no cálculo das válvulas são basicamente as indicadas a seguir.

• Líquidos sem cavitação nem flashing:

[3.1]

onde:

q – Caudal (m3/h);

Fp – Factor de geometria da tubagem;

Fr – Factor função do número de Reynolds;

Cv – Coeficiente de Vazão;

p1 – Pressão a montante (bar);

p2 – Pressão a jusante (bar);

d – Densidade do fluido (água d=1.0).

38

O factor Fp depende dos diâmetros nominais da válvula e da tubagem, sendo em primeira

aproximação:

[3.2]

sendo h - Curso da válvula.

Por outro lado o factor Fr é função do número de Reynolds, podendo assumir os seguintes

valores:

[3.3]

• Líquidos com cavitação:

Se houver cavitação a expressão anterior deverá ser corrigida, tomando a forma:

[3.4]

em que os símbolos têm o mesmo significado que anteriormente, sendo ainda:

pv - Tensão de vaporização do líquido à temperatura de entrada;

p0 - Pressão crítica termodinâmica.

3.3 DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULAS DE CONTROLO

3.3.1 NOÇÕES BÁSICAS

Uma válvula não deve ser dimensionada pelo diâmetro da tubagem onde vai ser inserida.

Quase sempre a válvula correctamente dimensionada para um local é de diâmetro nominal inferior ao

diâmetro nominal da tubagem, pelo que há necessidade de construir e instalar segmentos de cone de

adaptação.

[3.5]

39

A inclusão de uma válvula com o diâmetro nominal da tubagem conduz a válvulas de preço

elevado e com más características de controlo, uma vez que a válvula iria funcionar quase sempre

com uma abertura muito pequena, com um ganho instalado elevado, e consequentemente com uma

grande incerteza nas variações de caudal (Figura 28).

Por outro lado, se for excessivamente reduzido o diâmetro nominal de uma válvula pode

aparecer uma perda de carga indesejável (ou até incomportável no circuito hidráulico), originando um

aumento de velocidade do fluido, o que poderá dar origem a fenómenos de cavitação e a ruídos

excessivos.

A experiência mostra que uma válvula de controlo não deverá funcionar com uma abertura

superior a 70 %, em média. Embora não exista um processo padrão para o dimensionamento de

válvulas de controlo e muitos daqueles que existem são contestados por alguns autores é por este

motivo que nos subcapítulos seguintes se apresentam alguns métodos utilizados.

3.3.2 UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO

Neste método utiliza-se o software de dimensionamento de válvulas que cada fabricante tem

disponível para o efeito.

Uma vez familiarizado com o programa, o utilizador deverá introduzir os dados do processo

(tipo de fluido, pressão, temperatura, caudal máximo, ∆p admissível, diâmetro nominal da tubagem) e

indicar, de entre os tipos de válvulas possíveis, qual o tipo de válvula pretendido. O programa devolve

o diâmetro nominal da válvula e todas as características da mesma (Cv, caudal máximo, ganho

instalado e ruído), alertando se houver cavitação, “flashing” ou ruído excessivo. Esta forma de

dimensionar válvulas é de longe a mais indicada para o caso de projectos em que haja necessidade

de dimensionar um número elevado de válvulas.

Uma vez que as válvulas são dispositivos caros, o utilizador deverá confirmar que está a usar o

programa de dimensionamento de forma correcta, por exemplo procurando dimensionar algumas

válvulas que estejam em funcionamento com bom desempenho. Deverá também consultar diversos

fornecedores, pedir-lhes para efectuar o dimensionamento das mesmas válvulas e comparar os

resultados.

Há que ter em conta que alguns fornecedores de válvulas, com o intuito de tornarem as

propostas competitivas, apresentam válvulas subdimensionadas (> 70% de abertura). O utilizador

precisa de ter o cuidado de saber se os dados do processo irão evoluir no tempo, em particular no

que se refere aos caudais máximos, que é normal aumentarem com sucessivas modificações das

instalações.

40

3.3.3 UTILIZAÇÃO DE ÁBACOS

Como alternativa mais trabalhosa, na ausência de software específico, poder-se-á usar

fórmulas, ábacos e gráficos fornecidos pelos fabricantes. Estes métodos de cálculo baseiam-se em

fórmulas hidráulicas e nas características das válvulas de cada fabricante (Figura 32).

Exemplo de dimensionamento de uma válvula usando ábacos e gráficos do fabricante:

Dados base:

Líquido: Lixívia negra (ρ =1400 kg/m3).

Temperatura: 160 ºC, pressão 500 kPa.

Caudal máximo: 200 m3/h.

∆p máximo = 60 kPa, com a válvula aberta a 90º.

Válvula a utilizar:

Válvula de macho esférico, flangeada a inserir em tubagem DN150.

Figura 32 - Dimensionamento de uma válvula (SILVA, 2004).

O procedimento a utilizar no dimensionamento é o seguinte:

41

1. A partir da recta graduada em ∆p traça-se o segmento de recta que une o ∆p =60

kPa (dado) com o ponto q =200 m3/h (dado) da recta dos caudais;

2. Prolonga-se este segmento de recta até encontrar a recta FpCv, obtendo-se FpCv

≈300;

3. Avançando na horizontal, para a esquerda e entrando sobre as características

inerentes das válvulas, pára-se na válvula DN125, por se encontrar

aproximadamente a 60% de abertura;

4. Para a válvula anterior será pela equação auxiliar de [3.1] Fp=0.91. Da tabela do

fabricante obtém-se Fp =0.96;

5. Para o último valor Fp obtido tem-se Cv ≈312;

6. Para este valor de Cv a válvula DN125 trabalhará a ≈63 % de abertura, pelo que esta

dimensão de válvula é a recomendada. É suficiente uma PN10.

3.3.4 UTILIZAÇÃO DE FÓRMULAS GENÉRICAS

No caso de não se dispor de nenhum destes elementos, e apenas como indicação

aproximada , poderão usar-se as fórmulas atrás apresentadas, dimensionando o diâmetro nominal da

válvula aproximadamente, a partir do Kvs (válvula totalmente aberta) obtido, usando a Tabela 3.

Tabela 3 – Diâmetros nominais de diversas válvulas de controlo (SILVA, 2004).

Exemplo de dimensionamento expedito (aproximado ) da válvula anterior:

Vai usar-se a expressão [3.1] referente a líquidos sem cavitação.

Começa-se por ensaiar uma válvula DN125; se for pequena tenta-se a DN150, igual à

tubagem.

Para a válvula DN125 é aproximadamente Fp ≈ 0,91.

42

Admitindo Fr=1, convertendo ∆p em bar (0.6 bar) e calculando d = ρ / ρ0 = 1400/1000=1.4, vem

Kv=368.

O valor de Kv obtido será para uma determinada abertura, seja por hipótese 60%.

Para 100% seria como aproximação, Kvs=368 / (0.62) =1022.

Pela Tabela 3 serviria uma válvula DN100, para a qual conviria reconfirmar o valor de Fp.

Pelo procedimento anterior esta válvula funcionaria a 70% de abertura, o que poderá não ser

bom para o controlo (depende do ganho instalado) e poder comprometer futuras ampliações da

instalação.

43

4 COMPORTAMENTO HIDRÁULICO DAS ESTRUTURAS DE CONTROLO DE CAUDAL (ECC)

4.1 NOÇÕES GERAIS

As estruturas de controlo de caudal (ECC) definem-se como sendo um conjunto de órgãos

instalados num adutor com a função de controlar o caudal. Estes órgãos podem ser válvulas e

demais dispositivos acessórios.

A Figura 33 ilustra uma estrutura de controlo de caudal com n ramais paralelos, com uma

válvula de controlo instalada em cada ramal i com respectivo diâmetro Di, associada a várias

singularidades Ii, e um diafragma, di.

Figura 33 – Esquema de uma Estrutura de Controlo de Caudal (ALMEIDA E MARTINS, 1999).

É importante salientar que estruturas de controlo de caudal com n válvulas associadas em

série, não são apropriadas, com excepção do caso de controlo de escoamentos transitórios em

adutores de grande extensão, com válvulas distribuídas pela conduta e onde as manobras são

automáticas e sincronizadas.

A instalação de diafragmas ou de outros componentes semelhantes, induzindo perdas de carga

adicionais na estrutura de controlo de caudal, prende-se com a necessidade de limitar o caudal

máximo a um valor pretendido ou melhorar o controlo de uma determinada gama de caudais. A

instalação destes componentes, também é útil no controlo da cavitação nas válvulas a montante, uma

vez que cria uma contra pressão desfavorável à sua formação.

De acordo com ALMEIDA E MARTINS (1999), a intenção de uniformizar o equipamento das

estruturas de controlo de caudal pode levar-nos à selecção de válvulas de controlo idênticas, ou seja,

com o mesmo diâmetro e do mesmo tipo. Todavia, a utilização de conjuntos de válvulas diferentes,

nomeadamente, com diferentes dimensões leva-nos a um outro tipo de configuração. Esta

44

configuração faz com que para manobras rápidas de fecho das válvulas principais, as válvulas

secundárias instaladas proporcionem um escoamento com grandes perdas de carga e

consequentemente um controlo mais eficaz do ponto de vista do caudal e da pressão do escoamento.

Na situação em que a estrutura de controlo de caudal funciona com caudais muito inferiores ao de

dimensionamento, a instalação de válvulas secundárias evita que as válvulas principais funcionem

próximas da situação de fecho, o que pode levar à formação de cavitação intensa e ruídos

incómodos.

4.2 CONTROLO DA CAVITAÇÃO

Aquando da criação das estruturas de controlo de caudal é frequente levantar a questão de

substituir uma única válvula de controlo, por várias válvulas instaladas em paralelo. Esta questão

apresenta alguma pertinência, na medida em que, a colocação de válvulas em paralelo ou em série

tem implicações na protecção das ECC contra o fenómeno da cavitação. Assim sendo, ao fixar o

caudal máximo que se pretende escoar e a carga disponível no sistema adutor, a perda de carga na

ECC fica automaticamente fixada também.

Perante a situação de uma única válvula totalmente aberta com diâmetro DVR, a substituição

por n válvulas paralelas iguais e do mesmo tipo, com diâmetro DVP, leva-nos à seguinte relação:

[4. 1]

Nesta situação os parâmetros de cavitação de cada válvula em paralelo corresponderão a

valores de σp menores do que σr (parâmetro de cavitação da válvula de referência) para a válvula

única, mantendo-se o valor do parâmetro de cavitação do sistema, pois pmont e pjus serão

aproximadamente idênticas nas duas soluções.

Deste modo, a solução com n válvulas em paralelo pode proporcionar uma melhor protecção

contra a cavitação. A protecção conta o fenómeno da cavitação também pode ser beneficiada, no

caso de DVP ≤ DB, desde que pjus aumente, o que corresponde a um aumento do parâmetro de

cavitação do sistema. Este cenário pode ser obtido através da instalação de um diafragma a jusante

de cada válvula.

No que diz respeito à colocação de válvulas de controlo em série, esta alternativa torna-se

muito complexa atendendo à possível interacção e necessidade de leis de operação mais delicadas


45

5 MANOBRAS COM VÁLVULAS DE CONTROLO 5.1 INTRODUÇÃO

As manobras dos órgãos das estruturas de controlo de caudal provocam a variação do caudal

no sistema adutor. A esta variação estão associados efeitos dinâmicos transitórios que se manifestam

por variações da pressão que por vezes podem ser violentas. Estes fenómenos hidráulicos que

surgem nos sistemas em pressão, sob a forma de golpe de aríete, choque hidráulico ou transitório

hidráulico, têm sido objecto de vários estudos e de uma grande atenção por parte dos projectistas.

Assim sendo, ALMEIDA (1979), utilizando uma técnica baseada nas transformadas de Laplace,

apresenta as variações da cota piezométrica correspondentes a três leis de variação do caudal -

instantânea, linear e parabólica - impostas por um órgão de controlo na extremidade de jusante de

uma conduta uniforme sem perdas de carga.

As soluções obtidas correspondem ao modelo elástico (fluido compressível e conduta elástica)

e ao modelo rígido (fluido incompressível e conduta rígida). Neste último modelo, só são

considerados os efeitos inerciais. A representação gráfica (Figura 34) das variações de H junto do

obturador permite uma melhor compreensão da influência que a lei de variação do caudal tem nas

variações transitórias da pressão.

Figura 34 – Influência da lei de variação do caudal (a) e do modelo de análise elástico (b) e rígido (c) na variação da cota

piezométrica junto ao obturador de uma válvula (ALMEIDA E MARTINS, 1999).

Em situações reais, as variações do caudal numa válvula durante uma manobra não

coincidirão exactamente com as referidas leis teóricas, mas poderão aproximar-se destas.

É possível observar as limitações dos modelos rígidos quando associados a operações muito

rápidas ou quase instantâneas, tais como, a ausência de flutuações da pressão após a anulação

completa do caudal, o que contraria a realidade física. Contudo, para manobras lentas ou com

46

elevado tempo de variação de caudal, pode-se obter com os modelos rígidos, valores para a

sobrepressão máxima próximos dos fornecidos pelo modelo elástico.

Da análise ainda se conclui, a importância do intervalo de tempo efectivo de variação do caudal

na variação da pressão ou da cota piezométrica. Atendendo à Figura 29, este valor em geral não

coincidirá com o tempo da manobra mecânica do obturador de uma válvula. Este aspecto é de

extrema importância na especificação das manobras da ECC.

Para se atender a situações especiais no controlo de pressões há que especificar manobras

optimizadas. Estas leis de manobras devem atender às situações de fecho completo ou parcial das

válvulas e ao comportamento global do sistema hidráulico.

5.2 TÉCNICAS ESPECIAIS DE CONTROLO

5.2.1 LEI OPTIMIZADA DE FECHO

A utilização de novas tecnologias favoreceu o desenvolvimento de novas técnicas para o

controlo das pressões máximas provocadas por variações do caudal nos sistemas hidráulicos.

De acordo com a bibliografia consultada, KARNEY e RUUS (1985) analisaram as variações de

pressão que resultavam do fecho total de uma válvula instalada na extremidade de jusante de uma

conduta uniforme e abastecida por um reservatório de nível constante. Esta análise foi realizada para

quatro leis teóricas de fecho, tais como, as leis uniforme, parabólica, de “igual percentagem” e de

fecho óptimo (Figura 35).

Figura 35 – Leis teóricas de fecho (ALMEIDA E MARTINS, 1999).

Estes autores definem, tendo em conta uma combinação de parâmetros adimensionais

característicos do sistema em análise e das condições da operação, a lei que conduz ao menor valor

de variação máxima da pressão.

47

Deste modo, o parâmetro característico da conduta (ρ*), as características de resistência e a

variação máxima da carga admissível (∆Hmax) condicionam a forma da lei de fecho óptimo e

consequentemente para cada combinação destas variáveis existe uma lei de fecho óptimo diferente.

5.2.2 VÁLVULAS EM SÉRIE

5.2.2.1 OPERAÇÃO SIMULTÂNEA

A operação de válvulas associadas em série pode ser bastante complexa, a menos que haja

um trecho de conduta suficientemente longo para tornar o escoamento numa válvula independente da

outra. Não se verificando esta situação, qualquer manobra numa válvula afectará o controlo das

válvulas a montante e a jusante.

Perante o cenário de operação simultânea de válvulas associadas em série, existe uma

melhoria das condições de regulação do escoamento à medida que o número de válvulas em

manobra simultânea aumenta.

A utilização deste procedimento só se justifica em condutas de elevada extensão, de modo a

que as variações induzidas no escoamento por uma válvula não interfiram com as restantes válvulas

adjacentes.

Se por um lado, o recurso a uma associação de válvulas em serie melhora as características

operacionais, em relação à utilização de uma única válvula, o caudal máximo decorrente sofrerá uma

redução. Com todas as válvulas totalmente abertas, o coeficiente de perda de carga equivalente será

maior que o causado por uma só válvula.

Por outro lado, a utilização de válvulas geometricamente diferentes e manobradas

simultaneamente de maneira distinta (o que revela pouca conveniência em termos práticos), faz com

que o estudo das condições operacionais deva ser realizado para cada válvula individualmente

(LAURIA, 1996).

5.2.2.2 OPERAÇÃO SEQUENCIAL

Numa associação de válvulas em série, uma manobra sequencial é definida como aquela em

que uma válvula é operada e as restantes permanecem com uma abertura parcial fixa. Deste modo,

quando uma válvula estiver totalmente fechada o caudal é nulo.

A instalação de válvulas em série e manobras sequenciais pode ser uma solução para resolver

problemas de ocorrência de cavitação, devido a elevadas diferenças de pressão através da válvula.

Dividindo a perda de pressão, adequadamente por sucessivas válvulas, o fenómeno da cavitação

pode ser mais facilmente controlado.

48

De uma maneira geral, para se extrair as maiores vantagens deste tipo de configuração, deve-

se operar as válvulas de jusante para montante, sendo reservado a esta última a operação para

aberturas menores, de modo a aproveitar a sobrepressão causada pelas outras válvulas.

Consequentemente, o tempo de manobra das válvulas, com este tipo de configuração, é aumentado.

Em suma, para uma associação de válvulas em série, a operação simultânea de válvulas do

mesmo tipo (diâmetros iguais ou menores que a tubagem) e com o mesmo modo de operação

proporciona as melhores características de regulação do escoamento (LAURIA, 1996).

5.2.3 OPERAÇÃO EM PARALELO

A utilização típica de válvulas associadas em paralelo ocorre quando uma única válvula não

consegue cumprir as especificações determinadas na fase de projecto. A disposição de válvulas em

paralelo, cada uma controlando uma parcela do escoamento, é uma das soluções para se atingir a

solução óptima em termos de controlo.

A maneira mais habitual de associar válvulas em paralelo é feita com recurso à utilização de

válvulas de dimensões bem distintas.

Uma pequena, designada por válvula secundária, para controlar o escoamento sob condições

de reduzido caudal e elevada perda de carga e uma outra de dimensões superiores (válvula principal)

para se adequar às condições de elevado caudal e reduzidas perdas de carga.

De acordo com LAURIA (1996), uma estrutura de controlo de caudal com uma disposição de

válvulas em paralelo, projectada para funcionar com um caudal máximo igual a uma ECC com

apenas uma única válvula, apresentará características de controlo do escoamento em cada válvula

piores em relação à ECC com apenas uma válvula.

Ao contrário do que se verificou para a associação de válvulas em série, a operação sequencial

das mesmas é mais conveniente que a simultânea para as válvulas associadas em paralelo.

Contudo, as últimas válvulas estão mais sujeitas a condições de ocorrência de cavitação. Uma

opção interessante, consiste na utilização de válvulas iguais e a colocação de uma placa com orifícios

a jusante, que proporcionaria uma contra pressão para atenuar a cavitação.

Para uma disposição de válvulas em paralelo apresentar uma distribuição adequada de caudal,

os ramais devem ser projectados com diferentes resistências hidráulicas, aumentando conforme se

progride das primeiras para as últimas válvulas em manobra. Verifica-se igualmente, que no caso de

uma associação ser composta por ramais iguais, as primeiras válvulas têm pouca influência na

variação do caudal. Por outro lado, para ramais com elevada perda de carga, à medida que a

quantidade de válvulas aumenta, as últimas podem ter pouca influência no controlo do escoamento

da ECC.

49

5.3 GOLPE DE ARÍETE E DISPOSITIVOS DE PROTECÇÃO

O golpe de aríete é um fenómeno que ocorre quando um fluído em movimento encontra algum

obstáculo que o faz parar e/ou inverter repentinamente o sentido de escoamento.

O fluído em movimento, ao se deparar com um obstáculo que pode ser uma válvula fechada ou

uma operação brusca de fecho vê a sua energia cinética transformada em ondas de pressão que se

propagam de maneira alternada desde o obstáculo até a fonte geradora de pressão e vice-versa,

amortecendo de forma gradual e progressiva à medida que se vai repetindo o ciclo. Neste caso toda

energia é absorvida pelas condutas, válvulas e acessórios de ligação.

O aumento de pressão ocasionado pelo golpe de aríete, em função do tempo utilizado na

interrupção do escoamento (quanto menor o tempo, maior o efeito), pode atingir valores muito

superiores a 10 vezes a pressão na linha média de escoamento, podendo o seu efeito ocasionar

danos que vão desde o ruído, fugas nas juntas e até mesmo o colapso de condutas, ligações,

válvulas e até mesmo instalações (COSTA e SANTOS, 2001).

A intensidade do golpe de aríete também é directamente proporcional ao comprimento da

conduta que vai do local da sua ocorrência ate à fonte geradora de pressão.

Deste modo, justifica-se o controlo das pressões transitórias, de forma a evitar a separação da

coluna líquida, nomeadamente através da especificação de leis de manobra adequadas ou de

dispositivos especiais de protecção.

Podem ser utilizados diversos dispositivos especiais para a protecção dos sistemas hidráulicos

contra os efeitos do golpe de aríete, provocado pelas manobras das válvulas.

Chaminés de equilíbrio

É o melhor meio de protecção contra o golpe de aríete, mas na maioria dos casos não é

adoptado devido aos aspectos económicos, topográficos e construtivos (Figura 36).

Figura 36 – Esquema de funcionamento de uma Chaminé de Equilíbrio (COSTA e SANTOS, 2001).

Na Figura 36 estão representadas três características de uma chaminé de equilíbrio. No

instante (1) o sistema está em serviço, o nível da chaminé corresponde à altura manométrica. No

instante (2) o nível da chaminé desce devido ao golpe de aríete ter atingido o seu máximo valor

50

negativo (máxima depressão), por paragem da bomba localizada a montante ou seja A é a diferença

entre a pressão estática e a depressão.

O número (3) representa o instante do refluxo da água que se forma quando é atingida a

máxima sobrepressão positiva.

Quando a topografia é favorável, pode-se adoptar esta solução a solução conforme

exemplificado na Figura 37.

Figura 37 – Chaminé de equilíbrio (COSTA e SANTOS, 2001).

Reservatório hidropneumático ou com ar comprimido ( RH ou RAC)

A água acumulada sob pressão no interior de um reservatório metálico, ligado à conduta

principal, permite minimizar a sua dimensão Figura 38. A pressão do ar no reservatório, em condições

normais, equilibra a pressão na conduta, no troço de ligação ao reservatório.

Figura 38 – Reservatório com Ar Comprimido (COSTA e SANTOS, 2001).

(1) - funcionamento normal; (2) - a água contida no reservatório RAC ocupou o lugar deixado

pela onda de depressão que se iniciou na bomba e propagou-se até ao final da tubagem; (3) - a água

refluiu e ocupou parte do reservatório R.A.C. obrigando o nível deste a elevar-se e a comprimir mais o

ar que se encontrava dentro do reservatório.

51

Os reservatórios com ar comprimido protegem as instalações hidráulicas contra a

sobrepressão e depressão, são de muito menores dimensões quando comparados com as chaminés

de equilíbrio e por isso são habitualmente mais utilizados.

Válvulas de alívio

Possuem um orifício que elimina para o exterior um determinado volume de água equilibrando

a sobrepressão formada. São colocadas em derivação na tubagem de compressão. Quando a

pressão atinge um determinado valor abrem-se automaticamente descarregando para outro local.

Volantes de inércia

Os volantes de inércia reduzem a amplitude da onda de depressão mas a sua utilização limita-

se a sistemas elevatórios cujo comprimento da linha de compressão não exceda aproximadamente

um quilómetro (COSTA e SANTOS, 2001).

Com a introdução de um volante de inércia é reduzida a oscilação da pressão. A inércia

retardará a perda de rotações do motor de um grupo electrobomba e consequentemente aumentará o

tempo de paragem do escoamento

53

6 UTILIZAÇÃO DE VÁLVULAS REDUTORAS DE PRESSÃO EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA

6.1 INTRODUÇÃO

A água é o elemento mais abundante na Terra, ingrediente essencial da vida e talvez, o

recurso natural mais precioso que o planeta fornece à humanidade.

No entanto, tem-se verificado que a água passou a ser considerada como um recurso natural

cada vez mais escasso. Nas áreas de grande concentração populacional, onde a água potável é mais

necessária e fundamental, o seu valor terá uma importância cada vez maior. As elevadas perdas de

água que ocorrem nas redes de distribuição representam, além de um prejuízo ambiental, um

problema social e económico para as empresas de abastecimento de água e saneamento, uma vez

que, estas perdas geram encargos cada vez maiores. Desta forma, reduzir estas perdas na adução e

distribuição de água é uma acção determinante e de extrema importância, tanto no âmbito ambiental

e social, como também um factor positivo de economia para as empresas e para a população

(WERDINE, 2002).

6.2 IMPORTÂNCIA DA UTILIZAÇÃO DE VÁLVULAS REDUTORAS DE P RESSÃO

Todos os sistemas de abastecimento de água estão sujeitos a fugas e a roturas. O volume de

água perdida pode variar entre 10 e 40% do volume total de água fornecida. Entre os diferentes

factores de que dependem as fugas, a pressão da rede de abastecimento é o mais facilmente

controlável (COVAS E RAMOS, 1998).

As válvulas redutoras de pressão (VRP) surgem como uma das alternativas mais importantes e

eficientes para a uniformização e o controlo das pressões na rede (Figura 39). Podendo ser

controladas de modo a funcionarem não apenas para um único valor de pressão, as válvulas

redutoras de pressão permitem um controlo mais eficiente dos níveis de serviço (DIAS, 2004).

Figura 39 – Efeito da utilização de uma VRP no controlo da pressão (CHARALAMBOUS, 2005).

54

Deste modo, torna-se necessário criar pequenos sectores dentro da área a abastecer (ZMC –

Zonas de Medição e Controlo), de acordo com as características topográficas da zona onde o sistema

está implantado, para que esse controlo e gestão seja mais eficaz.

O abastecimento de água a cada ZMC é realizado com uma determinada gama de pressões,

controladas por válvulas redutoras de pressão localizadas à entrada de cada sector, e por vários

reservatórios ligados entre si.

Uma vez que os sistemas de distribuição e fornecimento de água são infra-estruturas sujeitas a

um grande desgaste, é de extrema importância analisar a problemática das perdas de água tendo em

vista uma optimização do controlo da pressão e uma gestão sustentável de todo o sistema hidráulico.

A instalação de válvulas redutoras de pressão (VRP) para reduzir e controlar a pressão dentro

de uma área a ser abastecida, é o caminho mais simples e de resultados imediatos para reduzir a

perda de água no sistema de abastecimento.

A instalação de VRP traz alguns benefícios, que se passam a especificar:

• Redução do volume perdido através de fugas;

• Redução do consumo relacionado directamente com a pressão, tais como: lavagem de carros

e calçadas, irrigação de jardins;

• Redução da ocorrência de roturas;

• O controlo da pressão diminui a possibilidade de fadiga das condutas inclusivé nas redes

domésticas de abastecimento;

• Contribui para um abastecimento constante à população (grandes variações de pressão ao

longo do dia podem induzir um abastecimento deficiente e pressões desnecessariamente altas

estão associados níveis elevados de fugas).

Deste modo, além de actuar directamente na causa das perdas de água (pressão interna nas

condutas), consegue-se obter um controlo mais eficaz da área de abastecimento através da

monitorização, tanto do escoamento como da pressão. Por outro lado, a utilização de VRP garante

uma longevidade dos resultados já que, ao garantir áreas com pressões reduzidas e controladas,

novas fugas de água demorarão mais tempo surgir.

6.3 FUGAS EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA

6.3.1 TIPOS DE PERDAS

Com o tempo, as infra-estruturas de abastecimento de água tornam-se cada vez mais sujeitas

às acções que provocam a degradação da integridade estrutural das condutas e dos acessórios,

resultando, muitas vezes, na ruptura destas mesmas estruturas. Grande parte destes efeitos deve-se

ao tempo de uso e às variações de pressão induzidas pela variação de consumo e por manobras no

equipamento hidromecânico, nomeadamente em bombas, válvulas redutoras de pressão, válvulas de

55

controlo de caudal, válvulas de seccionamento, ventosas, provocando fugas ou entrada de

contaminantes no respectivo sistema.

As perdas de água podem ser classificadas como físicas e não físicas. As perdas físicas são

basicamente fugas no sistema de adução, redes e ramais, além de procedimentos operacionais como

lavagem de filtros e descargas na rede, quando estes provocam consumos superiores ao

estritamente necessário para operação.

As perdas não físicas são decorrentes de consumos não autorizados, que consistem em

ligações clandestinas ou imprecisões nas medições de caudais. Enquanto as perdas físicas são

aquelas que não chegam às instalações a abastecer, representando a parcela não consumida, as

perdas não físicas correspondem a todo o volume que é consumido e não é registado.

De seguida, é apresentada uma breve caracterização das perdas de cada um dos subsistemas

que compõem um sistema convencional de abastecimento público de água, com maior ênfase para a

rede de distribuição de água (WERDINE, 2002).

1) Perdas na captação/adução de água:

As perdas, normalmente por fugas, são decorrentes de rupturas em adutoras causadas,

principalmente, pela falta ou inadequação de sistemas de protecção contra regimes hidráulicos

transitórios.

2) Perdas no tratamento de águas:

Parte do caudal perdido nas Estações de Tratamento de Água (ETA) tem origem no próprio

processo de tratamento. Não é possível eliminar totalmente esta perda, mas sim reduzi-la até ao

ponto em que se eliminem os desperdícios (volume excedente ao necessário para operação).

3) Perdas na adução de água tratada:

A manutenção preventiva e a adopção de procedimentos operacionais, juntamente com a

adequada formação do pessoal para a realização de manobras com órgãos hidráulicos são vitais

para que se evitem roturas causadas por aumentos súbitos de pressão.

4) Perdas na distribuição:

São as perdas decorrentes de fugas na rede de distribuição e nos ramais prediais. Sabendo

que o maior número de fugas se dá nos ramais prediais, em termos de volume perdido, a maior

incidência é nas condutas do sistema de distribuição. A magnitude das perdas será tanto maior

quanto pior for o estado das condutas, principalmente nos casos de elevadas pressões.

56

6.3.2 INDICADORES DE PERDAS DE ÁGUA

Na tentativa de quantificar as perdas e uniformizar a linguagem em relação a este assunto,

possibilitando a sua comparação com outros valores, foram criados os indicadores de perdas.

Tais indicadores, são medidas da eficiência e eficácia na prestação de serviços de

abastecimento de água. Eles são um instrumento de gestão que estão na base de decisões

económicas e financeiras. O seu objectivo é promover uma linguagem universal adequada para uma

gestão do sistema voltada ao desempenho e cumprimento de metas (ALEGRE E BAPTISTA, 2001).

Para o cálculo destes indicadores torna-se necessário ter o conhecimento de determinados

aspectos referentes ao sistema de abastecimento de água, nomeadamente:

• Volume disponibilizado (VD): Volume disponibilizado para distribuição no sistema de

abastecimento de água considerado.

• Volume utilizado (VU): Soma dos volumes medidos nos diversos contadores.

• Volume facturado (VF): É todo aquele volume medido, presumido, estimado, facturado

pelo sistema que presta os serviços de abastecimento.

• Extensão parcial da rede (EP): Corresponde à extensão das adutoras e redes de

distribuição de água, não contabilizando os ramais prediais.

• Número de dias (ND): Quantidade de dias correspondente aos volumes contabilizados.

Com essas informações é possível chegar a indicadores de perdas e calcula-los para o sistema

de abastecimento de água considerado, conforme se específica:

• Índice de Perda na Distribuição (IPD) ou Água Não C ontabilizada (ANC)

Relaciona o volume disponibilizado com o volume utilizado. A água que é disponibilizada e não

é utilizada constitui uma parcela não contabilizada, que incorpora o conjunto das perdas físicas e não

físicas no sistema de distribuição (WERDINE, 2002).

[6. 1]

57

• Índice de Perda de Facturação (IPF) ou Água Não Fac turada (ANF)

Expressa a relação entre volume disponibilizado e volume facturado. É claramente uma

composição de perdas físicas e não físicas que, além daquelas atribuídas a desvios de medição,

incorporam volumes utilizados não cobrados (WERDINE, 2002).

[6. 2]

• Índice Linear Bruto de Perda (ILB)

Relaciona a diferença entre volume disponibilizado e volume utilizado à extensão parcial da

rede. As perdas expressas por este indicador incorporam perdas físicas e não físicas. É mais

conservador do que os seus similares internacionais por que não considera as ligações prediais

(WERDINE, 2002).

[6. 3]

• Índice de Perda por Ligação (IPL)

Como o anterior, é também um indicador volumétrico de desempenho, mais preciso que os

percentuais. Relaciona a diferença entre volume disponibilizado e volume utilizado com o número de

ligações activas (WERDINE, 2002).

[6. 4]

6.3.3 ANÁLISE DO RISCO DE FUGAS

A análise do risco de fugas num sistema de abastecimento de água é um processo que passa

pela identificação dos perigos e das vulnerabilidades a que o mesmo poderá estar exposto.

A ocorrência de perigos (factor externo ao sistema) associada à existência de vulnerabilidades

(factor interno ao sistema) pode originar o aparecimento de sérios danos levando, inclusivé à sua

rotura.

Os perigos que colocam em risco as infra-estruturas hidráulicas podem ser classificados em

duas categorias:

58

• De origem natural: sismos, deslizamentos, vulcões, furacões.

• De origem não natural: vandalismo, corte/falha de energia, falha dos equipamentos,

vandalismo.

Por outro lado, a vulnerabilidade de um sistema resulta da combinação entre a propriedade do

equipamento e os perigos externos que põem em risco a “vida útil” do mesmo. Por outras palavras,

pode ser definida como sendo a maior ou menor susceptibilidade do mesmo à ocorrência de um

acontecimento adverso.

Tendo em conta que a vulnerabilidade é um factor interno de todo o sistema, interessa analisar

este ponto com algum detalhe, sendo que, actualmente, a maior parte das fugas de água em

sistemas de distribuição têm como causa factores endógenos.

Os factores de análise da vulnerabilidade de sistemas hidráulicos relacionam-se com 3

aspectos:

• Propriedade Estrutural da Conduta:

tipo de material, comprimento, diâmetro, interacção do solo/conduta e qualidade da

instalação;

• Cargas Internas e Externas:

devido à pressão de serviço, sobrecarga do solo e do tráfego, alteração da temperatura

e tráfego;

• Deterioração do Material:

devido às interacções externas (movimentos do solo) e interacções internas (químicas

e bioquímicas).

No que diz respeito às propriedades estruturais das condutas, apresenta-se a Tabela 4 onde é

feita a síntese dos principais aspectos.

59

Tabela 4 – Propriedade estrutural das condutas Observações

Propriedade

Estrutural

da Conduta

Material da

conduta

- Condutas de material tipo plástico de grandes dimensões são

mais susceptíveis de sofrer rupturas do que as de metal.

- Condutas de fibrocimento e de betão são sujeitas a maior

deterioração devido aos vários processos químicos que

interagem com o material.

Diâmetro

- Condutas com diâmetros inferiores a 200 mm apresentam

maior probabilidade de falhar, devido à reduzida resistência da

conduta.

- Condutas com maior diâmetro são menos susceptíveis ao

movimento do solo devido ao tráfego pois são mais pesadas e

apresentam uma maior área de sustentação do que condutas de

menor diâmetro.

Comprimento

- Sistemas longos de condutas (> 1000 m) podem sofrer

diferentes reacções devido a cargas externas, aumentando o

risco de falha.

- Por outro lado, sistemas pequenos de condutas (< 100m)

exigem maior número de juntas, aumentando a possibilidade de

contaminação.

Idade A probabilidade de ruptura aumenta com a idade das condutas

independentemente do material.

Figura 40 - Probabilidade de uma conduta não romper em função da sua idade (Rajani et.al., 2001)

Os aspectos relacionados com as cargas internas e externas, cujos sistemas hidráulicos podem estar

sujeitos, encontram-se resumidos na Tabela 5.

60

Tabela 5 - Cargas Externas e Internas.

Cargas

Externas e

Internas

Pressão

Externa

- Condutas enterradas poderão sofrer tensões longitudinais e

transversais, principalmente em solos argilosos, que sofrem grandes

alterações de volume.

- As condutas que sofrem maior deterioração apresentam uma maior

probabilidade de falha do que condutas que sofrem interferência de

terceiros.

Pressão

Interna

- Pressão estática e variações de pressão podem levar à ruptura da

conduta.

- Vulnerabilidades são mais elevadas nas secções junto ao equipamento

hidromecânico, qualquer que seja o tipo de material.

A deterioração do material tem como efeito a diminuição da capacidade hidráulica, na

degradação da qualidade da água e na diminuição da resistência estrutural em caso de corrosões

internas (Tabela 6).

Tabela 6 - Deterioração do Material.

6.3.4 ESTRATÉGIAS PARA A MINIMIZAÇÃO DE FUGAS

De uma forma sintética, as directrizes para um plano estratégico de redução das fugas de água

num sistema de distribuição passam pela identificação e eliminação de ligações clandestinas;

quantificação e redução de perdas nas medições domiciliárias (micromedição); sectorização do

sistema de abastecimento (ZMC – Zonas de Medição e Controlo) e melhorias na medição do volume

de água distribuído (macromedição); sensibilização da população para o combate ao desperdício;

aumento da eficácia nas reparações das fugas (GALVÃO, 2007).

De uma forma mais ampla, a minimização das perdas compreende as seguintes medidas:

Deterioração do

Material

Externa

Conduta

enterrada

Correntes eléctricas;

Resistividade eléctrica;

Características do solo.

Conduta

exposta

Deve-se aos

perigos/ameaças

anteriormente referidos.

Interna Erosão e corrosão.

61

� Diagnóstico das principais fontes de perda de água:

As zonas de abastecimento devem ser sectorizadas, para que os sectores sejam facilmente

isoláveis e seus consumos facilmente mensuráveis. Na posse dos dados de macromedição, é

possível detectar os sectores que têm uma maior probabilidade de apresentar fugas. No diagnóstico,

os factores examinados devem incluir: a idade das condutas, os tipos e materiais de ligação, a

amplitude de pressões que a tubagem está sujeita, e as relações entre volumes abastecidos e

volumes facturados.

� Estudo de sectorização e macromedição do sistema:

Tem como principal objectivo a delimitação dos sectores de distribuição de água em função

das condicionantes físicas, urbanas e topográficas da cidade, bem como das pressões máxima e

mínima de trabalho desejáveis para a rede. O outro objectivo é o da implantação de um sistema

confiável de macromedição dos caudais fornecidos aos diversos sectores de distribuição, de modo

que se disponha das ferramentas e das informações necessárias e suficientes para o controlo das

perdas do sistema.

� Melhoria de micromedição:

Tem por objectivo a identificação e análise da qualidade da mesma, avaliando, entre outros

aspectos: verificação de erros, análise do estado de conservação (desgaste) dos contadores.

� Pesquisa de fugas não visíveis.

� Avaliação das perdas de água nas ligações prediais.

� Influência da redução de pressão nas perdas da distribuição:

Este ponto tem por objectivo a determinação da influência da redução das pressões na rede no

índice de perdas por fugas e a avaliação de pontos estratégicos para a implantação de válvula

redutora de pressão.

� Fiscalização de ligações clandestinas.

� Reparação de pontos de fuga.

� Substituição de redes antigas.

� Avaliação do volume de água utilizado na ETA:

Tem por objectivo conhecer as condições actuais de operação das estações de tratamento de

água e desenvolver estudos técnicos que possam propor alterações físicas nestas unidades ou,

mesmo, sugerir mudanças das rotinas actualmente utilizados no processo de tratamento. Visa,

portanto, avaliar as possibilidades de redução dos volumes de água utilizada no processo,

62

principalmente aquela gasta na lavagem dos filtros e na limpeza dos decantadores, além de,

evidentemente, procurar identificar perdas por fugas no circuito de tratamento.

De uma forma esquemática podemos representar um plano de estratégia para o controlo de

perdas como o indicado na Figura 41.

Figura 41 – Esquema para o controlo de perdas de água (ALEGRE et AL, 2005).

6.4 SECTORIZAÇÃO DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA

O controlo da pressão nas redes de abastecimento de água é o factor chave para uma eficiente

política de combate às fugas nos mesmos.

Assim, torna-se necessário dividir a totalidade da área a abastecer em Zonas de Medição e

Controlo (ZMC) e dotá-las de válvulas redutoras de pressão, de modo a que o nível de pressão seja

reduzido ao mínimo aceitável, sem nunca comprometer o pleno fornecimento de água às populações.

Cada Zona de Medição e Controlo (Figura 42 e Figura 43) é constituída, sensivelmente, por

2000 a 2500 propriedades e um único ponto de entrada e saída, onde são realizadas as necessárias

medições com vista ao controlo da pressão e do escoamento.

63

Figura 42 – Esquema de possíveis zonas de Medição e Controlo (EPAL, 2008).

O principal objectivo da criação de sectores de abastecimento prende-se com a necessidade

de reduzir as perdas para níveis economicamente aceitáveis e com a manutenção destes níveis

mediante a aplicação de medidas proactivas no combate às perdas.

Existem inúmeras vantagens associadas à criação de sectores de abastecimento,

nomeadamente:

• As áreas dentro do sistema de abastecimento são mais reduzidas, logo mais fáceis de

controlar;

• A introdução de medidas de combate a perdas de água torna-se mais fácil;

• As fugas de água são identificadas mais rapidamente;

• Em caso de fuga o tempo de perda de água é muito menor;

• Melhor optimização da pressão;

• Menores perdas de água;

• Redução dos encargos financeiros associados às perdas de água.

Por outro lado, existem algumas desvantagens ao se proceder à criação de Zonas de Medição

e Controlo, nomeadamente:

• Diminuição do número de alternativas de abastecimento;

• Criação de pontos extremos adicionais na rede;

• Alteração do sentido do escoamento;

• Modificação na velocidade do escoamento.

64

Figura 43 – Zonas de Medição e Controlo (www.smasporto.pt).

6.5 INSTALAÇÃO DE VÁLVULAS REDUTORAS DE PRESSÃO

De acordo com o artigo 45º do Regulamento Municipal de Abastecimento de Águas Residuais,

as válvulas redutoras de pressão devem ser instaladas em câmaras de manobras (Figura 44), que

garantam protecção adequada e fácil acessibilidade. Também, devem dispor a montante de um filtro

para retenção de areias e a jusante de um manómetro ou dispositivo que permita fácil adaptação do

mesmo, para controlo das pressões.

Figura 44 – Câmara de manobras (ZATTONI, 2005).

As válvulas redutoras de pressão também devem ser dotadas de válvulas de seccionamento, a

montante e a jusante para facilitar a sua regulação e manutenção periódica. Deve ser instalado um

“by-pass” (Figura 45) com seccionamento eventualmente amovível, cuja eficiência deve ser

permanentemente assegurada, de modo a não prejudicar o escoamento aquando das manutenções

na VRP. No caso de válvulas redutoras instaladas em paralelo a existência de um “by-pass” pode ser

dispensada.

65

Figura 45 – Exemplo de “by-pass” (VALLOY, 2002)

6.5.1 ASPECTOS CONSTRUTIVOS

Uma válvula divide-se em duas partes, nomeadamente, o corpo e o castelo (ou veio). O corpo

é a parte principal da válvula onde estão o orifício de passagem do fluido e as extremidades para

ligação às condutas. O castelo é a parte superior da válvula que pode ser desmontado para permitir

acesso interno à válvula.

Os três sistemas mais usuais para fixação do castelo ao corpo são:

1. Castelo roscado directamente ao corpo:

Sistema menos dispendioso usado apenas para pequenas válvulas de baixa pressão.

2. Castelo preso ao corpo por uma rosca do tipo por ca - união:

Utilizado em válvulas pequenas. É uma boa solução para condições de escoamento de

média/elevada pressão.

3. Castelo aparafusado:

Usado para válvulas de grandes dimensões e para qualquer pressão. Permite uma

excelente vedação, pelo que é um sistema utilizado em sistemas especiais.

Para qualquer um dos sistemas de fixação acima descritos deverá sempre haver uma junta de

vedação entre o corpo e o castelo.

O mecanismo interno da válvula (composto pela haste e peças de fecho) e a sede (que fica no

orifício da válvula, onde a mesma assenta) são as peças mais importantes e estão sujeitas a grandes

esforços mecânicos. Contudo, não podem sofrer desgaste por corrosão ou erosão, nem

deformações. Deste modo, estas peças são constituídas por um material de melhor qualidade do que

o usado no corpo e o castelo.

66

Para uma correcta manutenção das válvulas é necessário que estas sejam desmontáveis das

tubagens de modo a permitir uma eventual reparação ou substituição. Assim, quanto ao tipo de

ligação entre as válvulas redutoras de pressão e as condutas, estas podem ser efectuadas por duas

vias:

1) Roscada:

Para as válvulas de bronze ou de ferro fundido tanto para os modelos de acção directa como

as do tipo de controlo auto operada (Figura 46).

Figura 46 – Válvula com ligação roscada (BELLO, 2001).

2) Flangeada:

Para as válvulas de bronze, ferro fundido ou aço, tanto para os modelos de acção directa como

para as de controlo auto operadas (Figura 47).

Figura 47 - Válvula com ligação flangeada (BELLO, 2001).

Outros dois aspectos que merecem uma especial atenção, são as juntas e os apoios para as

válvulas. As juntas representam um ponto frágil em qualquer sistema hidráulico. Nelas ocorrem

diversos problemas relativos a desgastes, acumulação de resíduos e fugas.

Muitos são os tipos de juntas utilizados em vedações para acoplamentos de flanges e outros

tipos de uniões em válvulas e condutas.

Nos casos específicos de válvulas de bronze, as juntas mais utilizadas são feitas com um

material composto basicamente de fibras de amianto, capazes de suportar todas as possíveis

variações de pressão do escoamento.

Por outro lado, em função das cargas envolvidas e do próprio peso da válvula, esta deve estar

provida de bases de apoio ou de acessórios de sustentação próximas das extremidades para prevenir

67

deformações decorrentes do peso da instalação, como mostrado na Figura 48 que ilustra diversos

tipos de suportes e apoios para válvulas.

Figura 48 - Tipos de Suporte e Apoios para válvulas (BELLO, 2001).

Após pesquisa bibliográfica e contacto com várias empresas com representação no mercado

nacional, nomeadamente, a Flucon, a Fucoli, a Lusofane, a Saint-Gobain e a Valcontrol, foi possível

fazer um levantamento dos tipos e características de válvulas redutoras de pressão mais

comercializadas no país (Tabela 7).

Tabela 7 – Fabricantes e distribuidores de alguns tipos válvulas.

Tipo de Válvula ou Ventosa

Fabricante/Distribuidor

Flucon Fucoli Lusofane Saint-

Gobain Valcontrol

Válvulas de Seccionamento

⊗ ⊗

Válvulas Redutoras de

Pressão ⊗

Válvulas Automáticas ⊗

Deste modo, em termos de materiais construtivos, as VRP são comercializadas

maioritariamente em ferro fundido, no entanto o bronze fundido apresenta alguma saída em VRP com

aplicações de menor escala, como a seguir se indica:

Bronze fundido:

O bronze fundido é utilizado na construção do corpo e da tampa das válvulas de pequenos e

médios diâmetros para as válvulas de acção directa e para as válvulas redutoras auto-operadas. Os

meios de ligação usados nas válvulas de bronze são as roscas e as flanges.As roscas são conforme

a norma ANSI B1.20.1 (Anexo 1). As flanges poderão ter as dimensões conforme a norma ANSI

B16.24 com faces planas.

68

Ferro fundido:

O ferro fundido cinzento ASTM A126/B é utilizado na construção do corpo e tampa das válvulas

de médios e grandes diâmetros e o meio de ligação é a flange com dimensões conforme ANSI B16.1

(Anexo 2), com faces planas.

É em tudo semelhante ao anterior mas o meio de ligação é a flange com dimensões conforme

ANSI B16.1 (Anexo 2), com faces com ressalto.

De uma maneira sintética, as características das VRP comercializadas no país podem são

descritas nas tabelas seguintes:

Tabela 8 - Características das válvulas de redutoras de pressão (SAINT-GOBAIN, 2004).

Características Distribuidor

Saint-Gobain

Material Corpo em ferro fundido

Juntas Juntas flangeadas

Pressão Nominal

PN 10, PN 16 ou PN 25

Diâmetros Variam entre 50 e 700 mm (50, 65, 80, 100, 125,

150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600 e 700 mm)

Tabela 9 - Custo das válvulas redutoras de pressão (SAINT-GOBAIN, 2004).

Diâmetro Nominal

(mm)

Preço (€)

PN 10/16 PN 25

50 1350.65 1353.25

65 1412.99 1412.99

80 1555.84 1555.84

100 1657.14 1909.09

125 2028.57 2433.77

150 2150.65 2581.82

200 3036.36 3644.16

250 4602.60 5524.68

300 6690.91 8031.17

350 8207.79 9849.35

400 12724.68 15270.13

69

6.6 REDUÇÃO DE FUGAS ATRAVÉS DO CONTROLO DA PRESSÃO

6.6.1 INTRODUÇÃO

As válvulas redutoras de pressão (VRP), como dispositivos de uniformização e controlo das

pressões, são utilizadas em inúmeros sistemas hidráulicos, desde sistemas adutores de água, a

complexos e grandes centros urbanos, até simples sistemas de rega (DIAS, 2004).

Pretende-se analisar, através da aplicação a um caso de estudo real, quais as consequências

da introdução de válvulas redutoras de pressão num sistema de abastecimento de água, com o

objectivo de minimizar as fugas e os consumos desnecessários sem o prejuízo do desempenho

hidráulico do sistema e do nível de serviço dos consumidores.

Esta análise é realizada recorrendo aos programas EPANET 2.0 e WANDA, através de

simulações de diversos cenários. Estes modelos permitem efectuar simulações estáticas e dinâmicas

do comportamento hidráulico de sistemas hidráulicos em pressão. A escolha destes programas deve-

se ao facto de serem robustos e com grande aceitação mundial por parte de vários investigadores.

6.6.2 REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA RAMIFICADA

O caso em análise trata-se de uma rede de abastecimento de água de uma zona de expansão

habitacional no concelho de Ponta Delgada, ilha de São Miguel. Todos os dados necessários para a

construção desta rede foram fornecidos pelo gabinete técnico dos Serviços Municipalizados de Água

e Saneamento (SMAS) de Ponta Delgada A rede em questão é do tipo ramificada, onde se podem

observar duas zonas distintas, tendo unicamente o nó 1 em comum.

Após uma primeira análise da topografia da área onde se pretende implantar o sistema de

distribuição de água verifica-se que as cotas dos vários pontos variam entre os 80 (no reservatório) e

os 11 de altitude (Figura 49). A água distribuída por este sistema provém de um reservatório instalado

no ponto de maior cota (80) e todo o abastecimento se processa por gravidade.

70

Figura 49 – Nós e respectivas cotas da rede de abastecimento (EPANET 2.0).

Admitindo como dados base da população a abastecer, no ano horizonte de projecto, uma

população de 2385 habitantes e uma capitação de 180 l/(hab.dia), apresenta-se na Tabela 10 o

caudal médio.

Tabela 10 – População e caudal médio para o ano horizonte de projecto População (hab.) Caudal Médio (l/s)

2385 4, 97

Conhecidos a população e o caudal médio de cada zona, calculou-se o respectivo factor de

ponta horário pela expressão:

[6. 5]

Por outro lado, o caudal de ponta horário, que permite satisfazer os consumos domésticos,

assim como os consumos que podem ser incorporados nos valores da capitação, foi calculado da

seguinte forma:

[6. 6]

em que:

Qdim – caudal de dimensionamento no ano x [l/dia];

Qmed - Caudal médio (m3/s);

fp - Factor de ponta;

fperdas - Factor de perdas. (1.1)

71

Apresenta-se na Tabela 11, o factor de ponta e o caudal de ponta horário para o sistema de

abastecimento de água no ano horizonte de projecto.

Tabela 11 - Factor de ponta e caudal de ponta horários no ano horizonte de projecto. Factor de Ponta Horário ( -) Caudal de Ponta Horário (l/s)

3,43 17,06

Para dimensionar a rede de condutas, efectuou-se uma simulação estática usando o programa

de cálculo EPANET 2.0. O dimensionamento foi efectuado por iterações de forma a cumprir todas as

exigências regulamentares. Foram adoptadas, condutas em PVC com um coeficiente de Hazen-

Williams de 150. Os comprimentos das tubagens variam entre os 665,00 e os 32.13, enquanto os

diâmetros oscilam entre os 180.80 mm e 40.00 mm.

Em termos de pressões torna-se necessário satisfazer duas condições, nomeadamente, que a

pressão em cada nó da rede não exceda os 60 m c.a. e que não seja inferior a 20 m c.a..

Assim, os nós 27 e 31 apresentam-se como sendo os pontos críticos de todo o sistema de

abastecimento, uma vez que se localizam nos pontos de cotas mais baixas (11 e 12,

respectivamente) e consequentemente apresentam elevados valores de pressão (Figura 50).

Este sistema de abastecimento foi concebido tendo em conta a introdução de pontos de fuga

em vários nós da rede, de modo a que se pudesse analisar o volume de água perdido aquando da

sua distribuição e a influência da variação da pressão no mesmo. Para tal, o EPANET 2.0

disponibiliza um comando que consiste na configuração de dispositivos emissores em diversos locais

da rede. Estes dispositivos são utilizados para simular fugas de água em nós e condutas directa ou

indirectamente para a atmosfera, cuja lei de vazão é dada pela seguinte expressão:

[6. 7]

em que:

q – Caudal;

c – Coeficiente de vazão;

p – Pressão;

γ - Expoente do emissor.

Note-se que o caudal efluente depende da pressão na rede, pelo que se torna interessante ver

a influência que as variações de pressão têm no volume de água perdido.

72

Figura 50 – Localização dos pontos de maior pressão. (EPANET 2.0)

6.6.3 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA

Após o dimensionamento hidráulico do sistema de distribuição de água, efectuou-se uma

simulação do sistema, com base no padrão de consumo cedido pelos SMAS de Ponta Delgada para

esta zona. Os factores multiplicativos utilizados são os indicados na Figura 51.

Figura 51 – Factores multiplicativos do consumo (EPANET).

Com base nos resultados do simulador, procedeu-se a uma análise de desempenho hidráulico

relativa às pressões, flutuações de pressão, caudais, velocidades e perdas de água para as horas de

maior e menor consumo do sistema de distribuição de água em estudo, nos dois pontos críticos

assinalados, nós 27 e 31 (Figura 50).

73

Figura 52 - Isolinhas de pressão no sistema para a hora de

maior consumo (EPANET 2.0).


menor consumo (EPANET 2.0).

Uma análise dos resultados obtidos permite-nos verificar que, para a hora de maior consumo

(Figura 52), 23,3% de toda a extensão da rede apresenta uma pressão superior a 60 m c.a., 71,7%

apresenta uma pressão compreendida entre os 35 m c.a. e os 60 m c.a. e 5% uma pressão inferior a

35 m c.a.. Para a hora de menor consumo, 30% de toda a extensão da rede de abastecimento de

água está sujeita a uma pressão superior a 60 m c.a., 68% com pressões que oscilam entre os 35 m

c.a. e 60 m c.a. e apenas 2% de todo o sistema apresenta uma pressão inferior a 35 m c.a. (Figura

53).

Figura 54 – Velocidade do escoamento ao longo do dia

no nó 27.

Figura 55 - Velocidade do escoamento ao longo do dia

no nó 31.

No que diz respeito à velocidade de escoamento dos dois nós, observa-se que esta varia entre

0,65 m/s e 0,94 m/s no nó 27 (Figura 54) e entre 0,71 m/s e 0,78 m/s no nó 31 (Figura 55). Em termos

de velocidade média, esta fica-se pelos 0,8 m/s no nó 27 e pelos 0,7 m/s no nó 31.

Atendendo que a adução de água é feita por gravidade, existe um intervalo de velocidades

aconselhadas para o escoamento, de modo a evitar problemas de qualidade de água ou eventuais

casos de desgaste e erosão de vários componentes do circuito hidráulico. Este intervalo tem como

limites os 0,3 /s e os 1,5 m/s.

Em ambos os nós, as velocidades do escoamento estão dentro do intervalo referido e a relação

entre velocidade, consumo, pressão e perdas físicas é coerente, na medida em que, a hora onde

obtemos uma velocidade de escoamento máxima corresponde à hora de maior consumo, que por sua

vez é a hora de menor pressão e menor percentagem de perdas físicas. Para as velocidades de

escoamento mínimas a relação é contrária.

74

Figura 56 - Variação da pressão no nó 27 (EPANET 2.0).


Figura 58 – Caudal total e caudal consumido no nó 27.

Figura 59 - Caudal total e caudal consumido no nó 31

Figura 60 – Percentagem de perdas de água no nó 27.

Figura 61 - Percentagem de perdas de água no nó 31.

Analisando com algum detalhe as informações resultantes do simulador EPANET 2.0,

especificamente para os dois pontos críticos da rede (nó 27 e 31), observou-se:

• O nó 27 ao longo do dia apresenta uma pressão sempre superior ao máximo

regulamentar (60 m c.a.), havendo uma oscilação entre os 63,5 m c.a. e os 67,8 m c.a..

De uma maneira geral, a pressão média neste nó é de 66 m c.a. (Figura 56).

• Devido às elevadas pressões que se verificam em toda a rede ao longo do dia, o nó 27

apresenta uma grande variação de valores entre o caudal total fornecido e o caudal

consumido (Figura 58). Em termos de perdas físicas de água, os valores oscilam entre

os 57% e os 43%, sendo que este nó apresenta em média 50% de perdas associadas

ao abastecimento de água (Figura 60).

• Ainda no nó 27 é possível calcular o índice de perdas no abastecimento pela equação [6.

1]. Deste modo, o índice apresenta um valor da ordem de 51%.

75

• O nó 31 apresenta uma variação de pressão, com valores compreendidos entre os 65,3

m c.a. e os 67,4 m c.a., aonde a média das pressões ao longo do dia é de 66,6 m c.a.,

sendo este valor superior ao máximo permitido, tal como no nó 27 (Figura 57).

• O nó 31, à semelhança de quase todos os nós da rede, encontra-se sujeito ao longo do

dia a elevados valores de pressão, sendo esta a razão pelo elevado índice de perdas,

cerca de 69% e pela grande diferença entre os volumes de água fornecido e

consumido (Figura 59). Em média este nó apresenta uma percentagem de perdas na

ordem dos 68% (Figura 61).

Nesta situação em que não se utiliza nenhum dispositivo de controlo, as pressões em toda a

rede, e em especial, nos dois pontos críticos (nó 27 e 31), oscilam no tempo e no espaço, estando

todas as condutas sujeitas a pressões bastante elevadas, sem necessidade para garantir o nível de

serviço mínimo aos consumidores (20 m c.a.).

Em consequência desta situação, as perdas físicas de água apresentam valores muito

elevados, que devem ser reduzidos com vista a uma optimização do controlo e gestão do sistema de

abastecimento de água. Uma solução com efeito imediato, consiste na instalação de um dispositivo

controlador de pressão (e.g. válvula redutora de pressão) em pontos estratégicos, para melhorar o

desempenho do sistema em termos de pressão e consequentemente na minimização de fugas.

6.6.4 INTRODUÇÃO DE VÁLVULAS REDUTORAS DE PRESSÃO

6.6.4.1 OBJECTIVO

Com o objectivo de melhorar os desempenhos relativamente às pressões elevadas e às perdas

de água, introduziram-se duas válvulas redutoras de pressão (Figura 62) em locais estratégicos, isto

é, em trechos de conduta que intersectam a isolinha de pressão dos 45 m c.a.., para garantir bons

indicadores de desempenho associados às pressões e às perdas físicas de água.

De acordo com este cenário, utilizaram-se dois tipos de válvulas redutoras de pressão: (i) com

carga hidráulica a jusante constante e (ii) com perda de carga constante.

Deste modo, efectuou-se uma análise detalhada com o objectivo principal de avaliar o

comportamento do sistema ao tipo de válvula redutora de pressão que proporcione o melhor

desempenho hidráulico ao sistema de distribuição em estudo.

76

Figura 62 – Localização na rede em estudo das duas VRP (EPANET 2.0).

6.6.4.2 VÁLVULA REDUTORA DE PRESSÃO COM CARGA HIDRÁULICA A JUSANTE CONSTANTE

Para efectuar simulações com válvulas redutoras de pressão com carga constante a jusante, o

simulador hidráulico requer como dados iniciais, o diâmetro da válvula e o valor da carga hidráulica

no nó de jusante.

Para se obter estes valores efectuaram-se os seguintes cálculos para a hora de maior

consumo:

1) O diâmetro foi determinado para que o escoamento se fizesse com uma velocidade

menor que a velocidade máxima. Neste caso foram adoptados diâmetros de 99,40mm

em ambas as válvulas.

2) O valor da carga hidráulica no nó de jusante foi determinado para que a pressão no nó

com menor pressão (i.e., nó situado a uma cota mais elevada) fosse no mínimo de 20

m c.a.. Deste modo, o valor da carga hidráulica definido para a válvula 1 foi de 20 m

c.a. e para a válvula 2 de 21 m c.a. (Figura 62)

Com base nestes dados, efectuaram-se as simulações que permitiram obter, à semelhança da

análise anterior, as variações de pressão, de velocidades e de perdas de água, para além de curvas

de variação no tempo, da pressão nos nós críticos.

77

Figura 63 – Isolinhas de pressão no sistema para a hora de




A introdução de válvulas redutoras de pressão com carga hidráulica a jusante constante, trouxe

inúmeros benefícios para a rede de distribuição de água em comparação com o cenário de

inexistência de dispositivos controladores de pressão. Deste modo, os resultados das simulações

indicam-nos que para a hora de maior consumo, 47% de toda a extensão da rede apresenta uma

pressão entre os 35 m c.a. e os 60 m c.a., 37% uma pressão compreendida entre os 25 m c.a. e 35 m

c.a. e 16% uma pressão inferior a 25 m c.a. (Figura 63). Por outro lado, para a hora de menor

consumo (Figura 64), 51% de toda a rede apresenta uma pressão a variar entre os 35 m c.a. e os 60

m c.a., 33% uma pressão entre os 25 m c.a. e os 35 m c.a. e apenas 16% uma pressão inferior a 25

m c.a...

Em comparação com a análise feita à rede sem dispositivos redutores de pressão, a utilização

de VRP´s com carga hidráulica a jusante constante fez com que o valor das pressões, fosse reduzido

em cerca de 50%.



O nó 27 ao longo do dia, apresenta uma variação de pressão entre os 28,91 m c.a. e os 30,5 m

c.a., em que a média ronda os 30 m c.a. (Figura 65). Note-se que a pressão neste nó nunca excede

os 60 m c.a. (máximo permitido), revelando o benefício da utilização de VRP´s quando o objectivo é

reduzir, uniformizar e controlar as pressões em sistemas de abastecimento de água acidentais

topograficamente.

O nó 31 apresenta valores de pressão que variam entre os 34,9 m c.a. e os 37,3 m c.a.,

perfazendo uma média de 36,4 m c.a. (Figura 66).

78

Figura 67 - Velocidade do escoamento ao longo do dia no nó 27.


no nó 31.

Uma outra consequência associada à utilização deste tipo de VRP é a alteração dos valores

das velocidades de escoamento. É uma alteração não muito significativa, uma vez que o seu valor

depende directamente do diâmetro das condutas e este não foi alterado. Contudo, os valores das

velocidades de escoamento variam ao longo do dia entre 0,49 m/s e 0,79 m/s para o nó 27 (Figura

67) e entre 0,65 m/s e 0,7 m/s para o nó 31 (Figura 68). Em termos de velocidade média o nó 27

apresenta o valor de 0,62 m/s (uma redução de 18%, face ao valor apresentado pelo mesmo nó com

o sistema sem dispositivos redutores de pressão) e o nó 31 apresenta 0,67 m/s (redução de 3% em

comparação com o valor obtido num cenário sem VRP´s). De realçar que a introdução de válvulas

redutoras de pressão com carga hidráulica a jusante constante, fez com que as velocidades do

escoamento diminuíssem ligeiramente, sem nunca infringir os limites impostos, garantindo que não

haverá problemas de deposições de calcário afectando, deste modo, a qualidade da água.


Figura 70 - Caudal total e caudal consumido no nó 31.

Em consequência da diminuição das pressões ao longo do dia no nó 27, a diferença entre o

volume total abastecido e o volume total consumido é menor ( Figura 69), fazendo com que o índice

de perdas neste nó seja 10,9% (uma redução de 78,6% em comparação com o índice de perdas do

sistema sem VRP). Neste cenário, ainda para este nó, as perdas físicas representam em média 11%

de todo o caudal abastecido, face aos 51% que caracterizavam as perdas no sistema sem

dispositivos redutores de pressão (Figura 71).

No nó 31 a diferença entre o caudal total abastecido e o consumido também é menor,

comparativamente com a situação de inexistência de VRP´s, fazendo com que o índice de perdas

físicas diminua 41% (de 69% para 40,8%) (Figura 70).

79

Em média 42% de todo o volume de água abastecido ao nó 31 corresponde a fugas, invés dos

68% que o caracterizavam num sistema sem dispositivos redutores de pressão (Figura 72).



6.6.4.3 VÁLVULA REDUTORA DE PRESSÃO COM PERDA DE CARGA HIDRÁULICA CONSTANTE

Tal como para as válvulas redutoras de pressão com carga hidráulica a jusante constante, as

válvulas redutoras de pressão com perda de carga constante exigem a determinação do diâmetro e

da perda de carga na válvula.

De modo a garantir uma coerência na comparação entre estes dois tipos de válvulas redutoras

de pressão, os diâmetros definidos foram os mesmos para as duas válvulas (99,4mm) e a perda de

carga que a válvula deve introduzir no escoamento, foi calculada, de maneira a que o ponto situado à

cota mais elevada tivesse no mínimo uma pressão de serviço de 20 m c.a., tal como foi realizado na

análise anterior.

Assim, foi definida uma perda de carga de 30 m c.a. para a válvula 1, enquanto para a válvula

2 foi definida uma perda de carga de 33 m c.a...





80

Figura 75 – Variação da pressão no nó 27 (EPANET 2.0).



no nó 27.

Figura 78 - Velocidade de escoamento ao longo do dia

no nó 31.


Figura 80 - Caudal total e caudal consumido no nó 31.



A introdução de válvulas redutoras de pressão com perda de carga hidráulica constante no

sistema de distribuição de água trouxe igualmente vantagens na redução e controlo das pressões e

perdas de água. Assim, os resultados obtidos nas simulações são muito semelhantes aos valores

obtidos na análise utilizando válvulas redutoras de pressão com carga hidráulica a jusante constante,

para variações de pressão, velocidade do escoamento e percentagem de perdas de água.

81

Na Tabela 12 apresenta-se uma síntese com a comparação dos resultados aquando da

utilização deste tipo de VRP, com VRP com carga hidráulica a jusante constante, face ao sistema

sem nenhum dispositivo redutor de pressão. As percentagens apresentadas são valores médios.

Tabela 12 – Quadro comparativo entre as duas soluções analisadas.

Rede com VRP com carga hidráulica a

jusante constante

Rede com VRP com perda de carga

hidráulica constante

Pressão Redução de 50% Redução de 40%

Velocidade Redução de 11% Redução de 10%

Perdas Físicas Redução de 60% Redução de 40%

De acordo com a Tabela 12 os dois tipos de válvulas redutoras de pressão (com carga

hidráulica a jusante constante e com perda de carga hidráulica constante), são bons dispositivos para

reduzir, uniformizar e controlar as pressões em sistemas de abastecimento e consequentemente

minimizar as perdas físicas, no entanto a válvula redutora de pressão com carga hidráulica a jusante

constante é mais eficaz para a concretização dos objectivos referidos, devido às suas características

de funcionamento, como foi descrito no subcapítulo 2.4.

6.6.4.4 VÁLVULA REDUTORA DE PRESSÃO COM CARGA HIDRÁULICA A JUSANTE CONSTANTE

APLICADA NUMA REDE EMALHADA

Como já foi referido a rede de abastecimento de água em estudo insere-se numa zona de

expansão habitacional. Numa perspectiva de antever o crescimento desta zona e de flexibilizar o

abastecimento em caso de inoperacionalidade de um dos trechos principais procede-se à

transformação da rede ramificada numa rede emalhada, como indicado na Figura 83, e realiza-se

uma análise semelhante às anteriores, utilizando válvulas redutoras de pressão com carga hidráulica

a jusante constante, visto serem as mais eficazes no controlo e redução das pressões e das perdas

de água para o caso analisado.

82

Figura 83 – Rede de abastecimento de água emalhada (EPANET 2.0).

A análise é dividida em duas partes: Caso i) com as duas válvulas abertas; Caso ii) com a

válvula 2 aberta e válvula 1 fechada a funcionar como válvula de seccionamento.

De igual modo, os diâmetros adoptados nas duas válvulas foram de 99,40 mm e o valor da

carga hidráulica introduzida na válvula 1 e 2 foi de 20 m c.a. e 21 m c.a., respectivamente, para o

Caso i) e 27 m c.a. na válvula 2 no Caso ii). Com base nestes dados, a análise dos resultados das

simulações permitem estudar o andamento das variações de pressão e das perdas físicas nos nós

críticos.


maior consumo. Caso i) (EPANET 2.0).


menor consumo. Caso i) (EPANET 2.0).

83


maior consumo. Caso ii) (EPANET 2.0).


menor consumo. Caso ii) (EPANET 2.0).

Figura 88 – Variação de pressão no nó 27. (Caso i).

Figura 89 - Variação de pressão no nó 27. (Caso ii).

Figura 90 - Variação de pressão no nó 31. (Caso i).

Figura 91 - Variação de pressão no nó 31. (Caso ii).


(Caso i).


(Caso ii).

84


(Caso i).


(Caso ii).

Com base nos resultados das simulações, observa-se uma melhoria significativa das pressões

em toda a rede emalhada, face ao cenário apresentado nas análises anteriores com a rede

ramificada, quer para o Caso i) como para o Caso ii).

A utilização de válvulas redutoras com carga hidráulica a jusante constante, na rede emalhada

induziu uma melhoria ao nível das pressões nos dois pontos críticos de cerca de 3%, face à rede

ramificada. Em virtude da diminuição das variações de pressão, a percentagem de perdas físicas

diminui cerca de 2%, face ao cenário apresentado nas simulações anteriores.

Perante uma situação como a do Caso i) existe uma uniformização da pressão em toda a rede,

devido à maior flexibilidade que está apresenta. Por outro lado, no caso de inoperacionalidade de um

dos trechos da rede, (Caso ii), a pressão nos pontos a jusante da válvula que foi fechada é controlada

pela que se mantêm aberta, fazendo com que haja variações de pressão indesejadas e um aumento

das percentagens de perdas físicas, uma vez que a válvula que está operacional foi concebida para

reduzir e controlar a pressão de uma determinada parte da rede e não na sua totalidade. Deste modo,

a utilização de VRP´s com carga hidráulica a jusante constante, traz benefícios em termos do controlo

e gestão operacional de redes de abastecimento de água emalhadas, num cenário de pleno

funcionamento de todos os trechos, perante a necessidade de isolar alguma parte da rede, com o

fecho de uma válvula (por exemplo durante a monitorização de uma zona de medição e controlo para

a detecção de perdas ou de reparação em caso de ruptura ou fuga), o abastecimento é sempre

garantido.

6.7 REGIMES TRANSITÓRIOS INDUZIDOS POR VÁLVULAS REDUTORAS DE PRESSÃO

6.7.1 INTRODUÇÃO

A ocorrência de regimes variáveis ou transitórios é uma realidade inevitável em qualquer

sistema hidráulico e a consideração dos seus efeitos contribui para uma maior segurança, permitindo

a verificação das condições dinâmicas máximas admissíveis. Elevados valores podem causar

rupturas nas condutas ou acessórios, enquanto valores muito baixos podem levar ao colapso da

parede da conduta, à entrada de ar ou poluentes ou à formação de bolsas de vapor.

85

Um transitório hidráulico num sistema em pressão corresponde a um estado intermédio do

escoamento entre dois regimes permanentes. A análise dos regimes transitórios reveste-se da maior

importância no projecto de qualquer instalação hidráulica, para a selecção dos materiais das

condutas, as classes de pressão mais adequadas, a espessura das paredes das condutas, a

especificação de eventuais dispositivos de protecção, assim como para o diagnóstico e controlo de

sistemas já existentes (RAMOS ET AL., 2006).

Este tipo de análise é particularmente importante em sistemas hidráulicos, dos quais se

destacam (RAMOS, 2003):

• condutas elevatórias e gravíticas de águas para abastecimento ou residuais, nos

sistemas de saneamento básico;

• circuitos hidráulicos de aproveitamentos hidroeléctricos com ou sem bombagem;

• circuitos de refrigeração de centrais termoeléctricas ou nucleares;

• sistemas de rega.

As manobras de válvulas, o arranque e a paragem de grupos elevatórios ou de grupos

turbogeradores (turbinas), induzem variações de pressão que podem atingir valores extremos

inadmissíveis, quando associados a uma inadequada concepção e dimensionamento do projecto, a

deficiências na construção e na operação do sistema, ou no desenvolvimento de corrosão nas

condutas, podem dar origem a fugas ou até mesmo à ocorrência de roturas, com os impactes

inevitáveis devido à inoperacionalidade do sistema.

6.7.2 ANÁLISE LABORATORIAL

A análise e a modelação dos efeitos dinâmicos associados à ocorrência de regimes transitórios

é particularmente importante na prevenção de acidentes e roturas de condutas devido ao grau de

severidade que os transitórios hidráulicos podem atingir. Deste modo, foi testada em laboratório uma

válvula redutora de pressão para diferentes valores de caudal e regimes de escoamento (i.e.,

permanente e variável com fecho e abertura de válvula de seccionamento a jusante do sistema).

O comportamento obtido sob condições de regime variável difere consoante o valor do caudal,

como é descrito nas seguintes figuras.

86

Figura 96 – Comportamento de uma VRP com fecho de

Válvula de seccionamento a jusante: Q=1,29 l/s (RAMOS et al., 2006).

Figura 97- Comportamento de uma VRP com fecho de

Válvula de seccionamento a jusante: Q=2,89 l/s (RAMOS et al., 2006).

Figura 98 - Comportamento de uma VRP aquando da abertura de uma válvula de seccionamento a jusante:

Q=1,29 l/s (RAMOS et al., 2006).

Figura 99 - Comportamento de uma VRP com a abertura de

válvula de seccionamento a jusante: Q=2,89 l/s (RAMOS et al., 2006).

Verifica-se que para valores baixos de caudal e com a manobra de fechamento da válvula a

jusante (Figura 97), a VRP fecha dando origem a um transitório entre o reservatório de montante e a

VRP, enquanto para um caudal mais elevado a VRP não fecha na totalidade com o fechamento da

válvula de seccionamento a jusante, permitindo que o transitório passe através dela e se dissipe mais

rapidamente. A resposta desta válvula tem efeitos inerciais não previsíveis e que podem induzir

comportamentos completamente diferentes consoante as condições de escoamento.

6.7.3 ANÁLISE DE REGIMES TRANSITÓRIOS NA REDE EMALHADA ANALISADA

Uma vez que o sistema de distribuição de água pode estar sujeito a acidentes ou a avarias,

uma válvula no sistema pode ser accionada de forma a seccionar determinados troços. Deste modo,

procede-se à análise do comportamento dinâmico do sistema emalhado (a título exemplificativo) à

ocorrência de transitórios hidráulicos induzidos pelo fecho da válvula 1 do sistema de distribuição de

água (Figura 100), considerando um tempo de fecho de 10 s.

87

Figura 100 - Localização na rede emalhada da VRP (EPANET 2.0).

Utilizando o software WANDA obtiveram-se e as envolventes mínimas e máximas de cotas

piezométricas na conduta de montante e de jusante da válvula (Figura 104).

Figura 101 - Variação de caudal na válvula 1.

Figura 102 - Variação de velocidade no troço

Figura 103 - Envolventes de cotas piezométricas na conduta de jusante da Válvula 1.

88

Nesta manobra com a duração de 10 s conforme referido (Figura 101), o escoamento é forçado

a percorrer troços de menores diâmetros que originam elevadas velocidades (Figura 102). Com base

nas variações de cota piezométrica a montante da válvula, verifica-se que não ocorrem problemas de

subpressões, no entanto, a jusante da válvula, podem ocorrer valores de 12,5 m c.a., originando

subpressões no sistema junto à válvula (Figura 103).

89

7 CONCLUSÕES 7.1 SÍNTESE E CONCLUSÕES GERAIS

Os sistemas de abastecimento e drenagem são controlados por equipamentos hidromecânicos

do tipo válvulas de controlo automático, com funcionamento complexo dependendo das condições de

escoamento e das características do sistema, mas que são essenciais para a segurança e a gestão

operacional dos sistemas hidráulicos, em particular, nos sistemas de abastecimento e drenagem,

para controlo tanto da pressão, como do caudal. Neste estudo procede-se ao levantamento detalhado

sobre válvulas de controlo automático, seus parâmetros característicos e efeitos associados,

particularizando para as válvulas redutoras de pressão. Em seguida é desenvolvida uma análise a um

sistema de distribuição de água real, com elevado nível de perdas, onde se propõe a inserção de

dispositivos redutores de pressão, de forma a melhorar o seu desempenho hidráulico, no que se

refere aos níveis de pressão no sistema e ao controlo e minimização de perdas físicas de água.

Analisando os resultados obtidos, conclui-se que a utilização de válvulas redutoras de pressão (VRP)

permite obter uma gestão optimizada das pressões na rede, que se traduz numa melhoria

significativa dos desempenhos hidráulicos em geral.

A utilização de válvulas redutoras de pressão com carga hidráulica a jusante constante conduz

aos melhores desempenhos hidráulicos, uma vez que, globalmente, reduzem a pressão na rede, e,

consequentemente as perdas de água. Porém, devido à diferença de custos, pode ser vantajoso

adoptar uma válvula redutora de pressão com perda de carga hidráulica constante, uma vez que a

diferença de comportamento entre ambas é pouco significativa. Para justificar esta decisão,

recomenda-se uma análise benefício/custo, por forma a permitir escolher a melhor alternativa. Em

suma, as válvulas redutoras de pressão surgem como uma das alternativas mais eficientes e

facilmente aplicáveis para a uniformização das pressões na rede e conduzem ao consequente

benefício na redução das fugas e roturas.

Efectuou-se uma análise dos efeitos dinâmicos induzidos nos diversos componentes do

sistema de distribuição de água analisado, resultantes do fecho de válvulas, de forma a prever

possíveis condições de risco a que o sistema poderá estar sujeito. O fecho de válvulas em trechos

localizados numa malha da rede de distribuição, faz com que as variações de pressão sejam

rapidamente dissipadas ao longo da rede, no entanto, para reduzidos tempos de fecho de válvulas,

podem ocorrer sobrepressões e subpressões significativas nos trechos a montante e a jusante da

válvula, respectivamente.

90

7.2 RECOMENDAÇÕES

No presente trabalho foi efectuada uma análise de um sistema de distribuição de água de uma

pequena área de expansão habitacional, podendo, no futuro, ser interessante aplicar esta abordagem

a sistemas de distribuição de água, não só em termos de pressões, velocidades de escoamento e

perdas de água (como desenvolvido neste trabalho), mas também, em termos de fiabilidade

hidráulica, qualidade da água e gestão de energia em zonas, cujas redes de abastecimento, já

apresentem alguma idade.

A metodologia utilizada permite efectuar o diagnóstico do funcionamento do sistema existente,

como também constitui uma ferramenta de apoio à decisão para comparar diferentes soluções

alternativas de investimento, com vista à optimização da gestão operacional de sistemas de

abastecimentos de água.

Outro aspecto importante que tem sido alvo de alguns estudos recentes, consiste na utilização

de micro-turbinas, que permitam aproveitar a energia em excesso no sistema, nomeadamente, para

estações elevatórias, estações de tratamento ou para zonas rurais e isoladas, com problemas de

fornecimento de energia, permitindo soluções inovadoras no contexto das energias renováveis

(RAMOS ET ARAÚJO, 2004).

Relativamente à análise de regimes transitórios, foram analisados fechamentos de válvulas em

trechos do sistema emalhado, no entanto, podem ser alvo de estudo, arranques e paragens de

grupos electrobomba e de turbomáquinas, caso existam, e simulações de roturas em condutas.

91

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALMEIDA, A.B.; MARTINS, S.C. (1999). Controlo Hidráulico – Operacional de Sistemas Adutores.

ISBN 972-97745-4-4. EPAL, Lisboa.

ALMEIDA, A.B. (1979). Regime Variável em Pressão. Influência da Lei de Variação de Caudal.

Comunicação apresentada ao 2º Congresso Nacional de Mecânica Teórica e Aplicada. Lisboa.

ALEGRE, H.; BAPTISTA, J.M.; DUARTE, P. (2001) - Indicadores de desempenho para serviços de

abastecimento de água – Teste de campo da IWA e projecto PI-Waters. Encontro Nacional de

Entidades Gestora de Água e Saneamento. Lisboa

ALEGRE, H; COELHO, S; ALMEIDA, M; VIEIRA, P. (2005): Controlo de Perdas de Água em

Sistemas Públicos de Adução e Distribuição – Séries Guias Técnicos n.º 3. Laboratório Nacional de

Engenharia Civil. Lisboa,

BELLO, S. (2001). Seminário de Mecânica dos Fluidos - Válvulas. Universidade Salvador. Brasil.

COSTA, T.; SANTOS, D.; LANÇA, R. (2001). Choque Hidráulico (Golpe de Aríete). Lisboa.

CHARALAMBOUS, B. (2005) Effective Pressure Management of District Metered Areas. Halifax.

Canada.

COVAS, D.; RAMOS, H (1998) A Utilização de Válvulas Redutoras de Pressão no Controlo e

Redução de Fugas em Sistemas de Distribuição de Água. 8º Encontro Nacional de Saneamento

Básico, Barcelos 27 a 30 de Outubro, 1998.

COVAS, D (1998). Detecção e Localização de Fugas em Redes de Distribuição de Água. Método de

Análise Hidrodinâmica (Dissertação de Mestrado em Hidráulica e Recursos Hídricos). Lisboa.

DIAS, N. (2004). Diagnóstico de Sistemas de Abastecimento de Água para diferentes condições de

Operacionalidade e Segurança. Projecto Final de Curso, IST, Lisboa.

FISHER (2005). Control Valve Handbook. 4ª edição. USA.

GALVÃO, J. (2007). Avaliação da relação pressão x consumo, em áreas controladas por válvulas

redutoras de pressão (VRPs). Estudo de caso: rede de distribuição de água da Região Metropolitana

de São Paulo. Universidade de São Paulo. Brasil.

92

INSTITUTO REGULADOR DE AGUAS E RESÍDUOS (IRAR), 2005.

KARNEY, B. W.; RUUS, E (1985). – Charts for Water Hammer in Pipelines Resulting From Valve

Closure From Opening. Canadian Journal of Civil Engineering. Canada.

LAURIA, J. (1996). Análise do Comportamento Operacional de Válvulas. Lisboa.

LNEC (1994). Caracterização das Origens de Fugas e Outras Perdas na Rede de Distribuição de

Água. Departamento de Hidráulica do LNEC. Lisboa.

LNEC (1992). Gestão dos Sistemas de Água de Abastecimento e de Águas Residuais. Lisboa

LENCASTRE, A. (1991). Hidráulica Geral. Edição do Autor. 2ª Edição Luso – Brasileiro. Lisboa.

LNEC (2002). Manual do utilizador do EPANET 2.0 em Português. Lisboa.

LOBBRECHT, A. H. (1997). Dynamic Water-System. Control Design And Operation Of Regional

Water-Resources Systems. United Kingdom.

MACHADO, J. (2004). Metodologia para controlo de perdas em sistemas públicos de água. Seminário

ABAE. Aracaju - Brasil.

MACHADO, R. (2007). Planejamento e Dimensionamento de Redes de Distribuição de Água.

Trabalho Final de Curso. Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul. Porto Alegre. Brasil.

PURCELL, M. (1999). Easily Select and Size Control Valves. Chemical Engineering Progress. United

Kingdom.

QUINTELA, A. (2000). Hidráulica. 7ª Edição. Fundação Calouste Gulbenkian. Lisboa.

RODRIGUES, W. (2002). Análise do Desgaste de Componentes de Válvulas de Controlo Automáticas

em Operação em Sistemas Públicos de Abastecimento de Água. Seminário sobre Planejamento,

Projeto e Operação de Redes de Abastecimento de Água. Brasil.

ROSALER, R. (1995). Standard Handbook of Plant Engineering. McGraw-Hill. New York.

RAMOS, H.; COVAS, D.; ARAUJO, L. (2004). Válvulas Redutoras de Pressão e Produção de

Energia. 7ºCongresso da Água, LNEC, Lisboa.

93

RAMOS, H., BORGA, A., COVAS, D., and ALMEIDA, A. B. (2006) - Efeitos inerciais associados aos

transitórios hidráulicos em pressão. 8º Congresso da Água - Água, Sede de Sustentabilidade.

Figueira da Foz. Portugal.

RAMOS, H; COVAS, D. (1999) O Benefício Económico e Ambiental da Produção de Energia

Renovável em Sistemas Adutores. IV Silusba, 24-26 Maio.

RAMOS, H; COVAS, D. (1998) O Aproveitamento da Energia em Excesso em Sistemas de

Abastecimento de Água. 8º Encontro Nacional de Saneamento Básico, Barcelos 27 a 30 de Outubro.

REGULAMENTO MUNICIPAL DE ABASTECIMENTO DE ÁGUAS E RESIDUAIS. Diário da República

n.º 192, de 21 de Agosto de 1997.Lisboa.

SILVA, G. (2004). Válvulas de Controlo. 2ª Edição. Escola Superior Tecnologia Setúbal. Lisboa.

SOUSA, E.; MONTEIRO, A. (Março 2007). Saneamento Ambiental I – Sistemas de Abastecimento e

Distribuição de Água. Instituto Superior Técnico. Lisboa.

SOUSA, E. R. (2002). Saneamento Ambiental I. Sistemas de Drenagem de Águas Residuais e

Pluviais. Instituto Superior Técnico. Lisboa.

SOUSA, E.A.R. (2002). Saneamento Ambiental I. Sistemas de Abastecimento de Água. Instituto

Superior Técnico. Lisboa.

SAINT-GOBAIN. 2004. Catálogo de Válvulas Redutoras de Pressão.

STRIANI, D. (2004). Redução e Controle de Perdas Físicas de Água através da Implantação de

Válvulas Redutoras de Pressão (VRP) com Controlo Inteligente, Pesquisa e Eliminação de

Vazamentos no Município de São Caetano do Sul. Universidade de São Paulo. Brasil.

TELLES, P. (1976). Tubulações Industriais. 4ª Edição Revista e Ampliada - Livros Técnicos e

Científicos. Rio de Janeiro.

VALCON. 2003. Catálogo de válvulas para controlo de pressão.

VALLOY. 2002. Catálogo de Válvulas Redutoras de Pressão. São Paulo.

WERDINE, D. (Dezembro 2002). Perdas de água em sistemas de abastecimento. Dissertação para a

obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia da Energia. Itajubá – Brasil.

94

ZATTONI, C. 2005. Materiais para Tubulação – Válvulas e acessórios. Volume 1. Faculdade de

Tecnologia de São Paulo.

CONSULTA DE SÍTIOS DA INTERNET

www.engineeringtoolbox.com/npt-national-pipe-taper-threads-d_750.html

www.sppusa.com/reference/plate_flange/ASME250.html

www.valcontrol.pt/redutora.htm

www.valloy.com.br/PDF/vredutoraacaodireta.pdf

www.valloy.com.br/y-tipos.asp

www.ari-armaturen.de/appl/files_index/index_de.html

www.pintocruz.pt/index.php

www.cvalves.com/pages_e/asp/P0_2.asp

www.weirvalves.com/

www.sgcondutas.pt/pages/site/index.asp

www.spiraxsarco.com/products-services/products/control-systems/pressure-reducing-and-surplussing-

valves.asp

www.directindustry.com/prod/weir-valves-controls/pressure-reducing-and-desuperheating-valve-

26348-59896.html

www.directindustry.com/prod/copes-vulcan/pressure-reducing-and-desuperheating-valve-34699-

207089.html

www.valsteam.com/~valsteam/novo/index.php?option=com_content&task=view&id=24&Itemid=26&la

ng=pt

www.mipel.com.br

www.smasporto.pt

95

ANEXOS

Anexo 1 – Dimensões das roscas das VRP de acordo com a ANSI B1.20.1

(WWW.ENGINEERINGTOOLBOX.COM).

Anexo 2 - ANSI B16.1 (WWW.SPPUSA.COM).

válvulas de controlo automático na segurança e gestão

Documents