Na parte um desta coluna de duas partes, vamos definir o martelo de água e explorar os eventos que o provocam. Tentaremos também ganhar perspectiva sobre a pressão adicional que gera. Para ler a segunda parte, clique aqui.

O que é martelo de água?

Martelo de água (também martelo de água) é um aumento de pressão que pode surgir em qualquer sistema de bombeamento que sofre uma mudança abrupta na sua taxa de fluxo e normalmente resulta do arranque e paragem da bomba, da abertura e fecho das válvulas, ou da separação e fecho da coluna de água. Estas mudanças abruptas podem fazer com que toda ou parte da coluna de água em fluxo sofra uma mudança de impulso. Esta mudança pode produzir uma onda de choque que viaja para trás e para a frente entre a barreira que a criou e uma barreira secundária. Se a intensidade da onda de choque for elevada, podem ocorrer danos físicos no sistema. Curiosamente, o martelo de água pode ser mais uma preocupação em aplicações de baixa pressão.

Martelo de água é mais um exemplo de conservação de energia e resulta da conversão de energia de velocidade em energia de pressão.

P>Os líquidos têm uma baixa compressibilidade, a energia de pressão resultante tende a ser elevada.

Talvez a melhor maneira de visualizar o martelo de água seja começar com um exemplo hipotético. A figura 1 abaixo mostra uma bomba a bombear água para um tubo que estava vazio quando a bomba arrancou. As duas válvulas, localizadas na descarga da bomba e na extremidade distante do tubo, estão totalmente abertas e têm a capacidade de fechar instantaneamente. O tubo, as válvulas e outros acessórios são totalmente inelásticos e não pode ocorrer qualquer alteração de volume, independentemente da pressão. A coluna de água que atravessa a tubagem tem também uma extremidade dianteira perfeitamente plana que coincide com a da secção transversal da tubagem. Quando o bordo dianteiro da coluna de água chega à válvula a jusante, fecha-se quase à velocidade da luz e não entra ar à frente da coluna de água.

Figure 1

Even embora o bordo dianteiro tenha atingido a válvula fechada, o fluxo para a tubagem continua durante os próximos milissegundos. Assim que o fluxo cessa, a válvula a montante fecha (desta vez à verdadeira velocidade da luz), e a coluna de água fica completamente isolada entre as duas válvulas. Que acontecimentos ocorrem quando a coluna atinge a válvula fechada, a jusante e porque é que a água continua a entrar na tubagem, mesmo que a válvula esteja fechada?

Se esta coluna móvel fosse uma coluna de metal em vez de água (hipoteticamente, claro), poderiam ocorrer algumas coisas. Dependendo do seu coeficiente de restituição (a sua capacidade de evitar danos permanentes), a energia cinética devida ao fluxo (movimento) poderia ser transformada em energia mecânica, uma vez que o bordo dianteiro da coluna metálica é esmagado contra a válvula fechada. Se isto ocorresse, a coluna descansaria e permaneceria imóvel na válvula. Se a sua restituição for suficientemente elevada para evitar o esmagamento, essa mesma energia cinética poderia ser utilizada para inverter a sua direcção sob a forma de um ressalto. Independentemente do resultado, a “totalidade” da coluna metálica ou viria a descansar ou a saltar na direcção oposta. Nenhum destes eventos ocorre quando a água está envolvida.

A água é um líquido quase não compressível, o que parece sugerir que é ligeiramente compressível. À temperatura ambiente, 1-psi irá diminuir o seu volume em cerca de 0,0000034 por cento. Isto parece bastante pequeno, mas quanto maior for o volume, mais fácil é ver o efeito. Por exemplo, se a água não comprimisse, o nível do mar seria cerca de 100-psi mais alto do que o seu nível actual! A pressões muito elevadas, digamos 40.000-psi, a sua compressibilidade é aumentada para cerca de 10 por cento. Mas, a maior parte da água não é apenas água – também contém ar, que é principalmente azoto (78%) e oxigénio (21%). Caso contrário, os peixes não conseguiriam sobreviver! O ar dissolvido compõe cerca de 2% de um dado volume de água não processada, e adiciona substancialmente à sua compressibilidade.

Porquê

É a compressibilidade da água (e do ar dissolvido) que faz com que a água aja de forma diferente da coluna metálica. Se não fosse compressiva, o seu bordo de ataque seria permanentemente esmagado ou toda a coluna ressaltaria para trás. Quando o bordo de ataque de uma coluna de água atinge a válvula fechada, esta pára abruptamente. Uma vez que a água por detrás da borda dianteira ainda está em movimento, ela começa a comprimir. Esta compressão ao longo de todo o comprimento da coluna permite que uma pequena quantidade de água continue a fluir para o tubo, mesmo que o bordo dianteiro tenha parado. Quando o fluxo cessa, toda a sua energia cinética de movimento e que devido à compressão é convertida em energia de pressão.

A compressão começa no bordo de ataque da coluna de água e uma vez que a energia adicional que produz não pode continuar depois da válvula fechada, uma onda de pressão ou choque é gerada e percorre o caminho de menor resistência que, neste exemplo, está de volta a montante. A sua origem é semelhante ao eco produzido quando uma onda sonora, viajando através do ar, atinge uma barreira semelhante. Quando a onda atinge a válvula a montante, é reflectida de volta a jusante, mas com uma intensidade diminuída. Este movimento de ida e volta continua até que o atrito e as perdas de reflexão façam desaparecer a onda. A velocidade a que uma onda viaja e a energia que perde durante a viagem depende da densidade e da compressibilidade do meio em que viaja. A densidade e a compressibilidade da água fazem dela um bom meio de geração e transmissão de ondas de choque.

As ondas de pressão criadas pelo choque hidráulico têm características semelhantes às das ondas sonoras e viajam a uma velocidade semelhante. O tempo necessário para uma onda de pressão de martelo de água para negociar um comprimento de tubo é simplesmente o comprimento do tubo dividido pela velocidade do som na água (aproximadamente 4.860 pés/seg.). Na análise de martelos de água, uma constante de tempo que é frequentemente utilizada descreve a progressão da onda desde o seu início até à barreira secundária e depois de volta novamente. Assume a forma de Tc = 2L/a (onde L é o comprimento do tubo e a é a velocidade da onda, que é a velocidade do som). Numa tubagem de 1.000 pés, a onda pode fazer uma viagem completa em menos de meio segundo.

A pressão criada por esta onda de choque é directamente proporcional tanto à velocidade da onda como à velocidade da água a fluir na tubagem. Embora a equação abaixo não tenha em conta o efeito do comprimento, diâmetro e elasticidade da tubagem, fornecerá alguma informação sobre a pressão adicional criada por uma onda de pressão de martelo de água.

P(additional) = aV / 2.31g

P é a pressão adicional que a onda de choque cria, a é a velocidade da onda, V é a velocidade da água a fluir na tubagem em pés por segundo, g é a constante gravitacional universal @ 32-ft/sec2 e 2.31 é a constante de conversão da pressão. A uma velocidade da tubagem de 5 pés/seg², a pressão adicional criada pela onda de choque é de aproximadamente 328 psi. Aumentar essa velocidade para 10 pés/seg. aumenta a pressão adicional para cerca de 657-psi. Obviamente, os sistemas que não são concebidos para acomodar tal aumento de pressão são frequentemente danificados ou mesmo destruídos.

Mês seguinte iremos explorar as três principais causas do martelo de água e os factores que contribuem para a magnitude da onda de choque que gera. Veremos também porque é que os golpes de aríete podem ser mais prejudiciais em sistemas de baixa pressão.