Ventosas

Figura V1 - Corte esquemático de uma ventosa de simples efeito
Os aparelhos

São aparelhos instalados nos pontos altos dos condutos forçados que permitem a entrada de ar quando ocorre redução de pressão em pontos altos da tubulação, bem como, durante o esvaziamento da tubulação por ocasião da manutenção, ou permitem a saída do ar que tenha ficado ou entrado em adutoras por gravidade ou nas tubulações de recalque, principalmente se a tubulação formar algum traçado tipo sifão, quando do enchimento da mesma. No caso de produzir vácuo na tubulação por efeito de sifonamento ou inércia no escoamento, permitem que o ar adentre~à tubulação, evitando o seu colapso estrutural pela ação da pressão atmosférica externa. 

São colocadas, em geral, na parte alta dos sifões ou após um trecho horizontal longo ou com pequena declividade. Para melhor eficiência do equipamento, os aclives das tubulações, até atingirem a ventosa, devem ser suaves, e os declives após a válvula, acentuados, a fim de acumular melhor o ar nos pontos altos e possibilitar sua expulsão mais facilmente pela ventosa. 

A tendência do ar acumulado nos pontos altos é comprometer o escoamento, reduzindo a seção útil do conduto com o aumento, conseqüente, da perda de carga. Há casos de golpes de aríete provocados por bolsas de ar presentes nas tubulações. Existem diversos tipos de ventosas, dos mais simples aos mais complexos. São providas de rosca ou flange, a depender do modo como são instaladas na tubulação. As de flange impõem o emprego de um tê no ponto alto do conduto.

A priori as ventosas podem ser classificadas como de simples efeito e de duplo efeito, também chamada de tríplice função. As primeiras são próprias para adutoras de pequenos diâmetros e para deixar sair o ar que estiver acumulado nos pontos altos das tubulações de adutoras, linhas de recalque e mesmo de aspiração das bombas, mas não são apropriadas para permitirem a entrada de ar. As de duplo efeito (Figura V12) controlam automaticamente a saída do ar durante o enchimento de uma linha e a entrada de ar durante o esvaziamento ou o que se venha a formar com a linha já em operação. As ventosas de duplo efeito possuem duas esferas de tamanhos diferentes. A maior encontra-se dentro de uma câmara provida de uma abertura grande, e a menor, dentro de outra câmara menor provida de um orifício. A esfera maior será fortemente comprimida contra a respectiva abertura, e a menor levemente encostada no orifício. Baixando o nível da água, a esfera pequena afasta-se da sua posição, deixando escapar o ar que porventura se tenha formado na tubulação. Durante o esvaziamento da tubulação, as duas esferas descem às suas posições mais baixas, permitindo, assim, a entrada do ar através das passagens, evitando-se, desse modo, a formação do vácuo que poderia eventualmente provocar o esmagamento externo da tubulação. Freqüentemente são em ferro fundido com esferas de alumínio ou ebonite.

Figura V2 - Corte esquemático de uma ventosa de duplo efeito (BOPP & REUTER)

O "ar" no interior das tubulações

A presença de ar retido em seu interior das instalações pode prejudicar em muito o funcionamento normal de uma canalização para fins hidráulicos trabalhando sob pressão. Essa presença tem origem pela ocupação da tubulação vazia antes do funcionamento ou durante este, quando as tubulações de sucção e as gaxetas das bombas não são suficientemente estanques, permitindo que o ar se introduza sob pressão, e desloque-se dissolvido na água. Durante este deslocamento nos pontos onde há diminuição de pressão, desprende-se da água e dá origem às bolsas de ar, as quais devem ser extraídas.

Quando se enche de água uma tubulação que se encontra submetida internamente às condições atmosféricas locais, deve-se extrair, continuamente, um volume de ar exatamente igual ao volume de água que entra, a fim de evitar a formação de grandes bolsas de ar.

No caso da adução por gravidade, o ar depositado nos pontos de queda de pressão, normalmente os pontos altos, provoca um aumento de perda de carga e, conseqüentemente, uma diminuição da vazão (Figura V3).


Figura V3 - Formação de bolsas de ar em adução por gravidade com nível hidrostático normal

No caso de adução por recalque, o acúmulo de ar nos pontos de queda de pressão provoca um aumento da altura manométrica, acarretando a elevação do consumo por sobrecarga da bomba ou redução da vazão (Figura V4).

Figura V4 - Formação de bolsas de ar em adução por recalque nível hidrostático de trabalho

Além dos inconvenientes citados, o movimento das bolsas de ar no interior das tubulações acarreta sucções bruscas que podem provocar golpes de aríete.
Portanto, deve-se prever a colocação de ventosas nos pontos altos das tubulações, as quais devem ser projetadas. com aclives suaves e declives acentuados, a fim de facilitar o acúmulo do ar nos pontos altos. As figuras V5 e V6  mostram os perfis esquemáticos para estes dois tipos de traçado: o aconselhável e o inadequado.

Figura V5 - Traçado recomendado
 

Figura V6 - Traçado não recomendável

Para estabilidade e bom funcionamento das tubulações é necessário, também, prever a entrada de ar, pois, quando se esvazia uma tubulação, o ar deve penetrar com o mesmo gradiente com o qual a água sai, de forma que a diferença de pressão entre o interior e o exterior do conduto permaneça dentro de limites pré-fixados, impossibilitando o colapso dos tubos por contração da seção decorrente das sub-pressões internas que seriam geradas simultaneamente.

Recomenda-se, também, reduzir ao máximo possível os trechos sensivelmente horizontais, pois pequenas variações de nível podem provocar pontos de difícil proteção. É essencial, porém, que sejam previstas ventosas nas extremidades dos trechos horizontais seguidos de descidas, onde se podem acumular bolsas de ar (Figura V7).

Figura V7 - Solução para trechos sem declives satisfatórios

O fluxo de ar nas tubulações

Para o perfeito funcionamento das tubulações é necessário que o fluxo de ar dentro das mesmas apresente-se da seguinte forma:

  • Quando entra água na tubulação, o ar que nela estava contido precisa sair totalmente, para que não haja bolsas de ar durante o funcionamento da tubulação, e, rapidamente, para não prejudicar o início do funcionamento das bombas;
  • Durante o funcionamento da tubulação, é possível a formação de bolhas de ar através das tubulações de sucção e das preme-gaxetas das bombas. Devido à pressão, o ar desloca-se pela tubulação dissolvido na água, porém nos pontos de diminuição de pressão (pontos altos da tubulação), haverá o desprendimento gerando bolsas de ar nas tubulações;
  • Quando sai a água da tubulação é necessário que entre ar com a mesma vazão, para que o diferencial entre as pressões internas e externas do tubo permaneça limitado de modo a impedir o colapso dos tubos.
Problemas causados pelo movimento de bolsas de ar nas tubulações:
  • Nas adutoras por gravidade, o ar depositado nos pontos altos, onde há perda de pressão, provoca o aumento da perda de carga, que implica numa diminuição de vazão;
  • Nas adutoras por recalque, a presença de bolsas de ar nos pontos de queda de pressão provocam um aumento de altura manométrica, implicando em redução de vazão ou sobrecarga da bomba, com os conseqüentes prejuízos de consumo de energia ou danificação do equipamento;
  • A movimentação das bolsas de ar pode provocar golpes de ariete em decorrência de sucções bruscas.
Instalação das ventosas

Instalação de ventosas nos pontos altos da tubulação e ao término dos trechos horizontais, visa eliminar todos os inconvenientes que um fluxo ar inadequado dentro das tubulações pode acarretar. É necessário também tomar as seguintes precauções quanto ao traçado das tubulações:

  • Projetar as tubulações com aclives suaves e declives acentuados, visando facilitar o fluxo de ar a os pontos altos onde estarão instaladas as ventosas;
  • Reduzir ao máximo os trechos horizontais, pois variações muito pequenas de nível podem implicar pontos difíceis de se proteger.
Ventosas simples (Figura V8)
 

Figura V8 - Ventosa simples, foto e conte esquemático

Utilização

Destinam-se especialmente a canalizações de pequena vazão e tubulações de pequeno diâmetro, com função de permitir a adequada orientação do fluxo de ar:

  • Descarregar o ar quando a tubulação se enche de água, ou seja, quando da entrada de água da tubulação, na vazão de 2 litros por segundo para um diferencial de pressão de 5mca;
  • Descarregar continuamente o ar durante o funcionamento das bombas;
  • Dar entrada de ar quando for descarregada a água da tubulação, ou seja, admitem o ar na vazão de cerca de 2 litros por segundo para um diferencial de pressão de 5mca.
Funcionamento

Quando o nível da água desce, o flutuador movimenta-se para baixo, abrindo a passagem do niple de descarga e permitindo, assim, a saída do ar;quando o nível de água sobe, aciona o flutuador para cima, fechando a saída do ar. Sua capacidade máxima de extraçâo ou admissão de ar é de 2 l/seg., para diferencial de pressão de 5 m.c.a.

Tipos de ventosas simples
As ventosas simples são apresentadas em duas versões:

  • com rosca: diâmetros de 3/4", 1", 1 1/4", 1 1/2" e 2";
  • com flage de 150 mm (6")
A existência de vários diâmetros visa apenas proporcionar maior flexibilidade na escolha da conexão à linha.

Pressão máxima de serviço
a pressão máxima de serviço de 1,5 mpa (15 kgf/cm2) a 2,5 mpa.

Ventosa CMC compacta

Possui as mesmas aplicações que a ventosa simples normal, com a vantagem de possuir menor massa, o que é interessante para instalações prediais ou em redes. Além da economia de massa, e de ser uma exclusividade CMC, o custo também é menor.

Ventosas de tríplice função (Figura V9)

Com essa denominação aceita no mercado para este tipo de projeto, são empregadas em tubulações de grande vazão, tendo por finalidade adequar o fluxo de ar, tendo condições de assegurar a saída do ar que se forma  dentro da tubulação durante a operação e evitar a formação de sifões, mantendo sempre a pressão  interna durante o esvaziamento nos limites que impeçam o colapso dos tubos, ou seja, o esmagamento resultante do aparecimento de sub-pressões internas aos condutos.

Fabricação

Fabricada com flange conforme NBR 7675 nas furacões PN-10 e PN-16. No caso de instalações industriais é possível outras furacões, respeitada a pressão de trabalho, máxima de trabalho de cerca de 2,5 MPa.


Figura V9 - Desenho esqemático de uma vestosa dupla montada sobre um Tê com flange e bolsas

Utilização

As ventosas de tríplice função, constituídas por um corpo dividido em dois compartimentos - o principal e o auxiliar - contendo cada um, em seu interior, um flutuador esférico, têm por finalidade específica:

  • Expelir adequadamente o ar deslocado pela água durante o enchimento de uma linha;
  • Admitir quantidade suficiente de ar, durante o esvaziamento de uma linha, a fim de evitar a formação de sifões, bem como manter a pressão de esvaziamento dentro dos limites previstos em projeto (colapso);
  • Expelir automaticamente o ar que venha a formar-se com a adutora já em operação.
Descrição do projeto dessas ventosas (Figura V10)

A ventosa de tríplice função foi projetada de modo que os compartimentos fossem dimensionados para a vazão de ar pretendida para cada diâmetro. Nas ventosas tríplice, ambos os compartimentos possuem flutuadores de alumínio, que asseguram qualidade e durabilidade.

A função do compartimento maior é, em primeiro lugar, expelir o ar contido na tubulação quando da entrada da água. No momento em que a água atinge o flutuador, contra a sede de borracha, de modo a manter a estanqueidade da tubulação.

Caso haja esvaziamento da tubulação, ou queda de pressão provocada por qualquer razão, a pressão atmosférica auxiliada pelo peso do flutuador, provocará admissão de ar na tubulação, evitando a criação de vácuo.

A função do compartimento auxiliar é retirar o ar que se forma durante a operação e permanece nos pontos altos da tubulação, pois o flutuador do compartimento principal permanece constantemente contra a sede, quando a adutora trabalha com a pressão normal. O flutuador que se encontra no interior do compartimento auxiliar é dimensionado de modo a que seu peso o impeça de permanecer constantemente contra o niple de descarga, e por esta razão, por menor que seja o volume de ar que se forme dentro da ventosa este será eliminado.

Figura V10 - Corte esquemático de uma ventosas de tríplice função 
(Fonte: catálogo CMC Válvulas e Conecxões Ltda)

Funcionamento

O compartimento principal tem dimensões compatíveis com o diâmetro nominal da ventosa, encerra um flutuador que se aloja em uma concavidade do fundo enquanto a ventosa estiver vazia. Desta forma, todo o ar deslocado pelo enchimento da adutora será expelido pela abertura que se encontra na tampa do compartimento. No momento em que o ar tenha sido eliminado, a água alcança o flutuador, deslocando-o para cima, de encontro à respectiva abertura. Assim, fecha-se automaticamente a ventosa, ficando neste trecho, a adutora, sob pressão da água. A própria pressão interna manterá o flutuador contra sua sede.

Em caso de drenagem da adutora, falta de água em linhas de gravidade, ou quaisquer outras condições que provoquem uma redução da pressão interna, a pressão atmosférica, auxiliada pelo peso próprio do flutuador, provocará a admissão do ar, evitando a criação do vácuo.

O compartimento auxiliar, quando a adutora está em carga, a pressão interna é suficiente para manter o flutuador do compartimento principal contra a sede, ficando, assim, vedada a saída do ar que porventura se venha a acumular nos pontos altos da adutora. Para retirá-lo, encontra-se no interior do compartimento auxiliar um flutuador cujo peso é suficientemente grande para que a pressão não o mantenha contra o pequeno orifício do niple de descarga. Desta forma, a menor quantidade de ar que se venha a acumular no interior da ventosa, será rapidamente eliminada.

Seleção do tamanho da ventosa de tríplice função

No ábaco abaixo, tem-se o campo de vazão coberto pelas ventosas de tríplice função fabricadas pela Companhia Metalúrgica Bárbara, hoje Saint Gobain). Conhecida a vazão da linha e adotado um valor para o diferencial de pressão entre o interior da ventosa e a atmosfera no momento do enchimento ou esvaziamento (geralmente adota-se 3,5 m.c.a.), obtem-se um ponto que indicará o tamanho da ventosa a ser escolhido. Ou seja, sabendo-se o diferencial de pressão no momento da admissão saída do ar, e o diâmetro da ventosa, obtém-se a vazão em litros por segundo referente à capacidade de descarga ou admissão de ar da ventosa tríplice para este diâmetro (Figura V11).

Figura V11 - Gráfico de dimensionamento apresentado pela BARBARÁ (hoje Saint Gobain)
(pressão máxima de serviço de 1,5 mpa ( = 15 kgf/cm2) a 2,5 mpa).

Recomendações adicionais para instalação

  • É aconselhável a instalação de um registro ou válvula de gaveta para secionamento e proteção da ventosa;
  • Este conjunto, ventosa e registro deve ser protegido por uma caixa de concreto ou ferro, para evitar danificações provocadas por intempéries.