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Como funciona um sifão? Pressão atmosférica, gravidade e limites de pressão de vapor no vértice
Um sifão (também escrito sifão) é um tubo curvo ou conduta fechada que transfere líquido de um recipiente, por cima de um ponto intermédio mais elevado, para um nível inferior, sem bombagem externa contínua, impulsionado pela gravidade que puxa a coluna mais alta a jusante, enquanto a pressão atmosférica e a coesão molecular impedem a cavitação por vapor no ponto mais alto.
Na terminologia técnica e lexicográfica inglesa, a palavra siphon funciona como substantivo e verbo, enquanto syphon é uma variante ortográfica aceite no Reino Unido e na Commonwealth. Quer se consulte um dicionário técnico ou um manual de tubagens, a definição de siphon e o seu significado prático referem-se a um tubo em U invertido, com braços de comprimentos diferentes, no qual o líquido sobe até um vértice e depois desce para uma saída abaixo do nível de alimentação. Um thesaurus geral apresenta drenagem, conduta ou pipeta como sinónimos, ou entre os sinónimos comuns, de siphon e indica encher ou obstruir ao tratar os antónimos de siphon na transferência de fluidos. Os engenheiros hidráulicos, porém, avaliam o significado de siphon estritamente com base na conservação da energia de Bernoulli e nos limites da pressão de vapor em escoamento bifásico.
Considere-se um sifão que transporta água de um reservatório superior (cota da superfície livre z1), passa por um vértice (zc) e chega a uma saída de descarga (z2) aberta ao ar exterior. Aplicando a equação de Bernoulli em regime permanente entre a superfície superior e a saída, obtém-se uma velocidade motriz proporcional à raiz quadrada da diferença entre os níveis (ΔH = z1 – z2), menos as perdas por atrito na tubagem e as perdas localizadas (hf):
Fórmula da velocidade motriz: v = √[ 2g × (z1 – z2 – hf,1→2) / (1 + Kexit) ]
À medida que o líquido sobe de z1 até ao vértice zc, a pressão absoluta estática no interior do tubo desce abaixo da pressão atmosférica exterior (Patm = 101,325 kPa ao nível do mar), de acordo com a dedução de mecânica dos fluidos da Purdue University (Purdue ME30900 Bernoulli Siphon Analysis):
Fórmula da pressão absoluta no vértice: Pcrest = Patm – ρg(zc – z1) – ρghf,1→c – 0.5ρv2
Quando Pcrest desce até à pressão de vapor de saturação do líquido (Pv = 2,34 kPa para água a 20 °C), a água entra em ebulição a frio no ponto mais alto. Para água a 20 °C ao nível do mar (pressão atmosférica de 101,325 kPa e pressão de vapor de saturação de 2,34 kPa), a altura hidrostática ideal até atingir a pressão de vapor é de 10,10 m (33,1 ft). Nas tubagens industriais, a altura de funcionamento prática é inferior devido ao atrito na tubagem, à altura cinética e à libertação de gases dissolvidos. Fluidos densos, como água pesada (D2O, densidade de 1 105 kg/m3) ou suspensão mineral de sólidos (densidade relativa 1,35), atingem esse limite de pressão inferior à atmosférica a alturas proporcionalmente menores.
Como fazer passar água por sifão sobre o rebordo de um tanque sem perder o escorvamento?
Para fazer passar água por sifão sobre o rebordo de um tanque sem perder o escorvamento, é necessário retirar o ar do vértice até o tubo curvo ficar pelo menos 95% a 100% cheio de líquido, submergir a entrada de aspiração pelo menos 3 a 4 diâmetros de tubo abaixo do nível mínimo de rebaixamento e colocar a abertura de descarga pelo menos 0,3 m a 1,0 m abaixo da superfície do líquido de alimentação. Em mangueiras portáteis pequenas (12 mm a 25 mm de diâmetro interior), os operadores escorvam a linha com uma válvula de retenção de ação automática, uma pera manual de compressão ou enchendo previamente a mangueira antes de submergir a entrada. Em tubagens industriais (50 mm a 600 mm de diâmetro interior), o escorvamento é feito colocando uma bomba centrífuga em funcionamento até a velocidade arrastar a bolsa de ar do vértice para jusante ou criando vácuo no ponto mais alto com uma bomba de vácuo de anel líquido ligada a um interruptor de nível no ponto alto.
Os sifões funcionam no vácuo ou apenas sob pressão atmosférica?
Ensaios laboratoriais com água previamente desgaseificada a 25 °C mostram que uma coluna de líquido pode ser transportada por sifão abaixo da pressão de vapor de saturação graças à coesão molecular, à tensão e à gravidade. Já a água comum, não desgaseificada, sofre cavitação quando a pressão no vértice desce até à pressão de vapor de saturação (2,34 kPa a 20 °C). Em exemplos de manuais, é frequente afirmar-se que a pressão atmosférica empurra o líquido pelo braço de entrada. No entanto, publicações em Physics Education / PMC4667279 e Nature Scientific Reports (srep04741) mostram que a força gravítica exercida sobre a coluna descendente mais pesada cria tensão de tração nas ligações de hidrogénio do líquido. Assim, a coesão mantém a coluna, enquanto a diferença entre a pressão atmosférica e a pressão de vapor e a cavitação determinam o limite nas tubagens industriais correntes.
Efeito de sifão na tubagem descendente de descarga de uma bomba: recuperação da altura estática e curvas do sistema
Numa tubagem descendente de descarga de bomba que passa por um vértice elevado e termina abaixo da respetiva cota, o efeito de sifão recupera 7,0 m a 8,5 m (23 ft a 28 ft) de altura estática quando o braço descendente fica cheio, reduzindo a altura manométrica total (TDH) e deslocando para a direita o ponto de funcionamento da bomba centrífuga.
Ao dimensionar bombas centrífugas para transportar água ou suspensão de sólidos através de um dique, da parede de um tanque ou de uma ponte de tubagens, é necessário considerar dois regimes hidráulicos. O primeiro ocorre durante o enchimento inicial (escorvamento) da tubagem (Regime 1: arranque com o vértice sem escorvamento). Uma secção da tubagem para além do vértice (ponto mais alto da tubagem) está vazia e ventilada para a atmosfera. A bomba tem de gerar altura manométrica suficiente para elevar o líquido até à cota do vértice, acrescida das perdas por atrito na tubagem ascendente. No segundo regime (Regime 2: funcionamento com sifão escorvado), o líquido desloca-se a velocidade suficiente para expelir o ar e vedar o braço descendente. O peso da água descendente cria pressão inferior à atmosférica, ou vácuo, no vértice, que puxa o líquido até ao ponto mais alto da tubagem. Este fenómeno é explicado com mais detalhe no artigo Pumps & Systems Siphon Effect Analysis.
Como refere o guia de engenharia hidráulica da Kansas State University (K-State Gravity & Siphon Pipeline Systems), o rebaixamento dos tanques também altera este equilíbrio ao longo do tempo: quando o nível da bacia de alimentação (z1(t)) desce ou o nível da bacia recetora (z2(t)) sobe, tanto a altura efetiva até ao vértice (zcrest – z1(t)) como a altura estática líquida se alteram continuamente. Ignorar o cálculo da curva do sistema de bombagem para os dois regimes provoca duas falhas típicas no terreno: dimensionar apenas para a altura com sifão escorvado deixa a bomba sem capacidade para vencer o vértice no arranque; dimensionar apenas para o vértice sem escorvamento faz a bomba funcionar para além do ponto de melhor rendimento (BEP), sobrecarrega o motor e provoca cavitação por insuficiência de altura manométrica positiva de aspiração requerida (NPSHr) quando o sifão se estabelece.
Exemplo de cálculo: tabela da calculadora da altura manométrica em dois regimes de sifão
Dados assumidos: Água limpa (20 °C, SG = 1,00) bombeada a um caudal de projeto de 150 m3/h (660 GPM) através de uma tubagem de aço Schedule 40 com 150 mm (6 in) e comprimento total de 120 m. Nível do líquido na bacia de aspiração z1 = 0,0 m, cota do vértice da tubagem zcrest = +9,0 m e cota da bacia de descarga submersa z2 = +2,0 m (formando um braço descendente de sifão de -7,0 m após o vértice, dentro do limite prático de recuperação por vácuo de 8,5 m).
| Parâmetro hidráulico | Regime 1: arranque sem escorvamento (enchimento até ao vértice) | Regime 2: funcionamento com sifão escorvado | Impacto no dimensionamento da bomba |
|---|---|---|---|
| Altura estática efetiva (Hstatic) | +9,0 m (zcrest – z1) | +2,0 m (z2 – z1, com recuperação por sifão de -7,0 m) | A altura estática diminui 7,0 m (23,0 ft) quando o ar é expelido do braço descendente |
| Perdas de carga por atrito na tubagem e perdas localizadas (hf) | 3,2 m (apenas no braço ascendente, a 150 m3/h) | 5,2 m (em toda a tubagem de 120 m, a 150 m3/h) | O atrito na tubagem cheia aumenta ligeiramente à medida que o caudal acelera em toda a conduta |
| Altura cinética (v2 / 2g a 2,36 m/s) | 0,28 m | 0,28 m | Ultrapassa a velocidade de 1,2 m/s necessária para arrastar as bolhas de ar do vértice |
| Altura manométrica total necessária (TDH) | 12,48 m (40,9 ft) | 7,48 m (24,5 ft) | A redução de 40,1% na TDH no Regime 2 desloca o caudal da bomba de velocidade fixa de 150 m3/h para ~215 m3/h |
| Pressão manométrica no vértice (Pcrest,gauge) | 0,0 kPa (à pressão atmosférica antes do escorvamento) | -62,5 kPa (-0,63 bar manométricos / 38,8 kPa absolutos) | Mantém-se com segurança acima da pressão de vapor da água (2,34 kPa absolutos), evitando a cavitação no ponto mais alto |
| Ação de controlo recomendada | Fazer funcionar o VFD a 100% da velocidade (1 780 RPM) até o transdutor de pressão no vértice indicar -55 kPa | Reduzir a velocidade do VFD para 78% (1 390 RPM) ou dimensionar uma curva do rodete que evite sobrecarga | Evita a sobrecarga da corrente do motor e a cavitação na aspiração durante a recuperação contínua por sifão |
Limites de altura e velocidade na tubagem de sifão: cálculo do vácuo no vértice e remoção do ar
Ao nível do mar (101,3 kPa) e com água a 20 °C, a altura máxima teórica do sifão é de 10,1 m (33,1 ft) e o limite de projeto é de 7,0 m a 8,5 m (23 ft a 28 ft). A tubagem no vértice tem de manter um número de Froude crítico para arrastar as bolsas de ar retidas para jusante.
Ao fazer o cálculo da pressão de descarga da bomba numa estrutura de tubagens elevada, os engenheiros têm de reduzir a cota máxima do vértice do sifão em função de três variáveis físicas: altitude do local (que reduz a pressão barométrica ambiente Patm em cerca de 11 kPa por cada 1 000 m), temperatura do líquido (que aumenta exponencialmente a pressão de vapor Pv, de 2,34 kPa a 20 °C para 19,94 kPa a 60 °C) e densidade relativa do fluido (SG). Nas estruturas hidráulicas referenciadas em conjunto com a monografia de engenharia 25 do US Bureau of Reclamation (USBR EM-25 Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators), o ar dissolvido começa normalmente a libertar-se da solução quando a pressão absoluta no vértice do sifão desce abaixo de cerca de 30 kPa a 35 kPa (-66 kPa a -71 kPa manométricos), muito antes de a água pura atingir a pressão de vapor à ebulição.
| Condição de funcionamento | Altitude do local e pressão barométrica (Patm) | Temperatura do fluido e pressão de vapor (Pv) | Densidade relativa (SG) | Limite estático teórico (hmax,th) | Limite prático do vértice em aplicações industriais (hdesign) |
|---|---|---|---|---|---|
| Caso 1: água fria ao nível do mar | 0 m (101,3 kPa) | 20 °C (2,34 kPa) | 1.00 | 10,09 m (33,1 ft) | 7,5 m – 8,5 m (24,6 ft – 27,9 ft) |
| Caso 2: água de refrigeração morna ao nível do mar | 0 m (101,3 kPa) | 40 °C (7,38 kPa) | 0.99 | 9,67 m (31,7 ft) | 6,8 m – 7,6 m (22,3 ft – 24,9 ft) |
| Caso 3: água quente de processo ao nível do mar | 0 m (101,3 kPa) | 60 °C (19,94 kPa) | 0.98 | 8,46 m (27,8 ft) | 5,5 m – 6,3 m (18,0 ft – 20,7 ft) |
| Caso 4: retorno de condensado ao nível do mar | 0 m (101,3 kPa) | 80 °C (47,39 kPa) | 0.97 | 5,67 m (18,6 ft) | 3,4 m – 4,1 m (11,2 ft – 13,5 ft) |
| Caso 5: captação de água bruta em zona de baixa montanha | 750 m (92,6 kPa) | 20 °C (2,34 kPa) | 1.00 | 9,20 m (30,2 ft) | 6,5 m – 7,3 m (21,3 ft – 24,0 ft) |
| Caso 6: transferência de água em altitude elevada | 1 500 m (84,5 kPa) | 20 °C (2,34 kPa) | 1.00 | 8,38 m (27,5 ft) | 5,8 m – 6,6 m (19,0 ft – 21,7 ft) |
| Caso 7: drenagem de mina em montanha | 2 000 m (79,5 kPa) | 20 °C (2,34 kPa) | 1.00 | 7,87 m (25,8 ft) | 5,2 m – 6,0 m (17,1 ft – 19,7 ft) |
| Caso 8: suspensão ligeira de sólidos ao nível do mar (20 wt%) | 0 m (101,3 kPa) | 20 °C (2,34 kPa) | 1.15 | 8,77 m (28,8 ft) | 6,0 m – 6,8 m (19,7 ft – 22,3 ft) |
| Caso 9: suspensão pesada de sólidos ao nível do mar (35 wt%) | 0 m (101,3 kPa) | 20 °C (2,34 kPa) | 1.35 | 7,47 m (24,5 ft) | 4,8 m – 5,6 m (15,7 ft – 18,4 ft) |
Até que altura pode um sifão elevar água antes de a cavitação interromper o caudal?
Num sifão de água limpa ao nível do mar e a 20 °C, o limite de pressão de vapor é atingido quando a cota do vértice acima da superfície de origem, a perda de carga por atrito na tubagem a montante e a altura cinética totalizam cerca de 10,1 m (33,1 ft). Já nas tubagens industriais, o escorvamento perde-se entre 7,0 m e 8,5 m (23 ft a 28 ft), porque o ar dissolvido liberta-se e forma bolsas no ponto mais alto. A investigação sobre tubagens descendentes (CalPoly Digital Commons Pipeline Air Pocket Study) mostra que a velocidade necessária para remover o ar retido no vértice não depende apenas de um valor único: varia consoante o diâmetro interior D, o ângulo de inclinação descendente θ e o rácio entre o caudal de ar e o de água, através do número de Froude da tubagem (Fr = v / √(gD) ≥ 0,54 a 0,85). Embora tubagens de água pequenas, com 50 mm a 100 mm, removam pequenas bolhas a 0,6 m/s a 1,2 m/s, condutas maiores, de 200 mm a 500 mm, passam por regimes bifásicos estratificados, de retorno de ar e de escoamento em tampões, que provocam grandes perdas de carga se a velocidade não exceder 1,5 m/s a 2,2 m/s (e ≥ 1,8 m/s a 2,5 m/s em sifões com suspensão de sólidos, para evitar a deposição de sólidos no fundo).
Dispositivo de interrupção de sifão, quebra-vácuo atmosférico ou válvula de retenção: como impedir o escoamento inverso
Uma válvula de retenção impede o escoamento inverso pela bomba parada até ao poço de aspiração, enquanto um dispositivo de interrupção do sifão ou quebra-vácuo atmosférico no ponto mais alto admite ar para quebrar o vácuo e impedir o retorno por sifão e a drenagem descendente por gravidade.
Um erro dispendioso em tubagens de bombas de águas residuais de autoescorvamento e submersíveis e em transferências de produtos químicos entre tanques consiste em instalar uma válvula de retenção basculante ou de mola na descarga da bomba, esperando impedir que o tanque se esvazie por gravidade depois de a bomba parar. Uma válvula de retenção é um mecanismo direcional que fecha quando o escoamento inverso tenta regressar à bomba. Se a saída da tubagem de descarga estiver abaixo do tanque de alimentação, a gravidade mantém o disco da válvula totalmente aberto e esvazia o tanque assim que o motor para.
É igualmente importante distinguir os dispositivos industriais que interrompem o sifão no sentido direto dos conjuntos de proteção contra ligações cruzadas da água potável. De acordo com as orientações da US Environmental Protection Agency sobre ligações cruzadas (EPA Cross-Connection Control Best Practices Guide) e a série de normas ANSI/ASSE 1001 (incluindo ASSE 1001-2017 e ASSE 1001-2021), um quebra-vácuo atmosférico (AVB) está certificado exclusivamente para proteger a água potável contra sifonagem inversa, em condições de pressão não contínua (máximo de 12 horas de pressão contínua), sem válvulas de corte a jusante nem contrapressão. Normalmente, é instalado pelo menos 152 mm (6 in) acima da saída a jusante mais alta ou do rebordo ao nível de inundação. Em contrapartida, para interromper o sifão no sentido direto numa linha industrial de descarga de bomba é necessária uma válvula de admissão de ar no ponto mais alto, uma válvula combinada de admissão de ar e vácuo AWWA C512 / M51 ou um orifício de purga ventilado continuamente no vértice da tubagem.
«Os quebra-vácuo atmosféricos (ASSE 1001) destinam-se apenas a situações de sifonagem inversa, nunca devem permanecer sob pressão contínua durante mais de 12 horas, não podem ter uma válvula de corte a jusante e devem ser instalados pelo menos 6 inches (152 mm) acima da saída a jusante mais alta ou do rebordo ao nível de inundação.»
Norma ANSI/ASSE 1001 e guia da US EPA para o controlo de ligações cruzadas
| Cenário de tubagem e tipo de risco | Dispositivo recomendado | Sentido do escoamento interrompido | Classificação para pressão contínua | Código ou norma e regra de altura | Compatibilidade com sólidos e suspensões de sólidos |
|---|---|---|---|---|---|
| 1. Descarga descendente de bomba de água limpa (impedir a drenagem do tanque no sentido direto quando a bomba para) | Dispositivo industrial de interrupção de sifão no ponto mais alto / válvula de admissão de ar e vácuo | Interrompe o vácuo do sifão no sentido direto e inverso | Adequado para pressão de bombagem contínua | AWWA C512 / M51; instalar no ponto mais alto do vértice | Apenas água limpa (a sede flutuante fica obstruída por sólidos) |
| 2. Tubagem descendente com suspensão abrasiva de sólidos ou águas residuais brutas (interromper o sifão no sentido direto sem obstruir a válvula) | Orifício ventilado para interrupção do sifão no vértice / tubo vertical de purga | Quebra o vácuo no vértice quando a bomba para (derivação de 2%–5%) | Funcionamento contínuo (sem sede móvel) | USBR EM-25; orifício d ≈ 0.15 D–0.25 D ligado ao poço de aspiração | Excelente (adequado para suspensão com 35 wt% de sólidos e formação de fibras) |
| 3. Tanque de descarga elevado acima da bomba (impedir o movimento inverso da bomba) | Válvula de retenção basculante, de disco inclinado ou com aba de borracha | Apenas impede o refluxo (não interrompe o sifão no sentido direto) | Pressão contínua até ANSI Class 150/300 | ASME B16.34 / AWWA C508; instalar perto da descarga da bomba | Válvula de retenção com aba de borracha ou de esfera para águas residuais/suspensões de sólidos |
| 4. Linha de água potável de compensação que alimenta um tanque de processo aberto (pressão não contínua ≤ 12 h) | Quebra-vácuo atmosférico (AVB) | Apenas contra sifonagem inversa de água potável (sem contrapressão) | Máximo de 12 horas de pressão contínua | ANSI/ASSE 1001; nível crítico ≥ 152 mm (6 in) acima do rebordo de inundação | Apenas água potável limpa |
| 5. Coletor de água potável sob pressão contínua que alimenta várias válvulas a jusante | Conjunto de quebra-vácuo por pressão (PVB) | Apenas contra sifonagem inversa de água potável (sem contrapressão) | Adequado para pressão contínua 24/7 | ASSE 1020; instalar ≥ 305 mm (12 in) acima da saída mais alta | Apenas água potável limpa |
| 6. Alimentação de tanque químico de alto risco, sujeita a contrapressão e sifonagem inversa | Conjunto de princípio de pressão reduzida (RPZ) ou separação física por espaço de ar | Proteção contra contrapressão e sifonagem inversa | Adequado para pressão contínua 24/7 | ASSE 1013 (RPZ) ou ASME A112.1.2 (espaço de ar físico ≥ 2× D) | Isolamento da alimentação de água limpa |
| 7. Tubagem de HDPE de parede fina (SDR 21–32,5) sobre uma crista elevada, sujeita a colapso por vácuo | Válvula de alívio de vácuo de tubagem com mola e purga de ar | Admite um grande caudal de ar quando o vácuo atinge -3,5 kPa | Pressão de funcionamento contínuo da tubagem | AWWA M51; dimensionar para o caudal de rotura ou corte total da tubagem | Para água suja, utilizar um corpo para águas residuais com orifício de lavagem |
| 8. Drenagem automatizada assistida por sifão (manter o sifão durante o funcionamento e interrompê-lo em caso de disparo) | Válvula de ar solenoide normalmente aberta ligada ao arrancador do motor da bomba | Veda o vértice quando está energizada; admite ar imediatamente quando ocorre um disparo | Funcionamento contínuo enquanto a bomba está em marcha | Solenoide NEMA 4X / IP66 no vértice (d ≥ 0.15 Dpipe) | Instalar num troço vertical de 300 mm acima da tubagem para suspensão de sólidos |
| 9. Bomba submersível de drenagem a descarregar por cima da parede de uma cave para uma drenagem pluvial mais baixa | Orifício de purga anti-sifão perfurado no poço (4,8 mm / 3/16 in) e válvula de retenção | A válvula de retenção impede o refluxo; o orifício de purga interrompe o sifão no sentido direto | Funcionamento contínuo em ciclos do poço de drenagem | Perfurar a 45° para baixo no interior do poço húmido, acima do nível máximo da água | Elevada fiabilidade em poços de drenagem residenciais/comerciais |
Regras de decisão de engenharia «se X, escolher Y»
- Quando a saída de descarga fica submersa abaixo do nível de cheia do tanque de aspiração e se pretende evitar a drenagem no sentido do escoamento após a paragem da bomba, com água limpa, pode utilizar-se uma Apex Siphon Breaker / Air-Vacuum Valve (AWWA C512) ou uma válvula de ar eletromagnética normalmente aberta no ponto mais alto do sifão.
- Em condutas que transportam polpas abrasivas ou resíduos fibrosos, onde os assentos das boias ficam bloqueados, pode utilizar-se uma Vented Crest Orifice Bleed Line, em conjunto com uma válvula de retenção de aba de borracha na descarga da bomba, para permitir a drenagem para o poço húmido.
- Para isolar uma conduta de abastecimento de água potável contra o retorno por sifonagem para um tanque industrial, instale um ASSE 1001 AVB (pelo menos 152 mm acima da cota de cheia, máximo de 12 h sob pressão contínua, sem válvula de corte a jusante) ou um ASSE 1020 PVB (pelo menos 305 mm acima da saída, classificado para pressão contínua), em conformidade com as ASSE International Product Standards.
Configurações industriais de sifões: sifões invertidos, sifões doseadores de campânula e sifões em tubo de cauda de porco para manómetros de vapor
Além dos sifões convencionais com ponto alto elevado, as instalações industriais utilizam sifões invertidos (coletores gravíticos rebaixados que passam por baixo de obstáculos), sifões doseadores automáticos de campânula (dispositivos sem alimentação elétrica para descarga intermitente de tanques) e sifões em tubo de cauda de porco ou em espiral, segundo a norma ASME B40.100, para manómetros de vapor, que retêm condensados para proteger a instrumentação de pressão.
Como o termo sifão se aplica a quatro geometrias de tubos em U mecanicamente distintas em tubagens industriais, especificar uma configuração incorreta pode resultar em aquedutos obstruídos ou transmissores de pressão danificados. Um sifão invertido tem a forma de um U normal, e não de um U invertido. Passa por baixo de um rio, de uma estrada ou de um corredor de serviços e depende da diferença de altura manométrica entre a caixa de entrada a montante e a câmara de saída a jusante para fazer subir o líquido pelo troço ascendente. Como os sólidos se depositam na curva inferior quando o caudal é reduzido, as normas municipais para sifões invertidos de águas residuais exigem pelo menos dois troços paralelos e uma velocidade média mínima do caudal de 3,0 ft/s (0,92 m/s) para águas residuais domésticas, enquanto se escolhem velocidades superiores para transportar areias industriais mais pesadas ou polpas. Para águas residuais domésticas não tratadas, mantém-se uma velocidade média do caudal de 3.0 feet per second (0,92 m/s). Para transportar areias industriais mais pesadas ou polpas, aumenta-se a velocidade.
| Configuração do sifão | Geometria da tubagem e forma do caudal | Força motriz principal | Intervalo de funcionamento e base normativa | Principal modo de falha em serviço |
|---|---|---|---|---|
| Sifão invertido (coletor rebaixado) | Conduta rebaixada em forma de U, em carga, que passa por baixo de um obstáculo | Diferença entre as linhas piezométricas a montante e a jusante (ΔH) | Velocidade ≥ 0,9 m/s (águas residuais) ou ≥ 1,8 m/s (polpas); dois/três troços paralelos | Sedimentação de areias na curva inferior durante caudais reduzidos em tempo seco |
| Sifão automático de campânula / doseador | Tubo vertical ascendente encimado por uma campânula invertida numa câmara doseadora | A subida da água comprime o ar sob a campânula até a água ultrapassar o rebordo e expelir o ar | Sem alimentação elétrica externa; descarga intermitente por lotes através de tubos ascendentes de 50 mm–300 mm | A obstrução do orifício de ventilação impede a entrada de ar no fim do ciclo de descarga |
| Sifão em tubo de cauda de porco e em espiral para manómetro de vapor | Tubo vertical em laço de 180° ou tubo horizontal em espiral de 360° (1/4 in ou 1/2 in NPT) | Retém um selo de água condensada entre o coletor de vapor vivo e o elemento do manómetro | ASME B40.100; Schedule 40/80 em aço inoxidável 316 ou aço-carbono para vapor >100 °C (212 °F) até 425 °C | A instalação a seco, sem pré-encher o selo de água, danifica o tubo de Bourdon ou o diafragma por sobreaquecimento |
| Circuito termossifão do empanque mecânico | Circuito fechado de convecção vertical entre o reservatório do empanque API Plan 52/53a e a caixa de empanque da bomba | Diferença de densidade por flutuabilidade (Δρ) entre o líquido de lavagem quente do empanque e o troço de retorno arrefecido | API 682 Plan 52/53a; elevação de 0,5 m–1,2 m acima da câmara do empanque, curvas suaves | Uma bolsa de ar no ponto mais alto ou acessórios restritivos interrompem a convecção térmica natural |
Para que serve um tubo sifão em cauda de porco nos manómetros de pressão de vapor?
Instala-se um tubo sifão em laço ou em espiral entre uma linha de vapor e um manómetro de pressão para reter um selo protetor de água condensada, que impede o contacto direto do vapor vivo com o tubo de Bourdon ou o elemento sensor de pressão. De acordo com a ASME B40.100 e as Inveno Engineering Best Practice 17, a entrada de vapor vivo num manómetro sem proteção provoca um desvio térmico do zero, amolece as juntas soldadas ou rompe elastómeros classificados para 60 °C a 85 °C. Antes de abrir a válvula de isolamento principal no arranque, os técnicos devem pré-encher o laço do sifão com água à temperatura ambiente, para que o condensado incompressível transmita a pressão do vapor enquanto dissipa o calor para o ar exterior.
Válvulas antissifão industriais, disjuntores de vácuo e bombas de transferência por sifão: dimensionamento e custo
As válvulas antissifão industriais e os disjuntores de vácuo atmosféricos ou de pressão da nossa tabela de preços custam entre $140 e $1 100 nos tamanhos de 1 in a 2 in (DN25 a DN50) e entre $650 e $6 200+ nos tamanhos flangeados de 3 in a 6 in (DN80 a DN150), enquanto as bombas de transferência por sifão de auto-escorvamento custam entre $900 e $15 000+.
Ao conceber ou adquirir equipamento para descarregar tambores ou abastecer tanques diários de produtos químicos, os engenheiros ponderam o custo das válvulas face ao custo das bombas. Para transferências de pequenos lotes a partir de tambores de 200 L (aproximadamente 52.8 US gal), as bombas manuais de sifão em polietileno custam entre $25 e $160; para serviço contínuo numa instalação, são necessárias bombas de transferência de produtos químicos resistentes à corrosão, em conjunto com proteção antissifão concebida para o efeito. Um dispositivo patenteado de quebra de sifão automático (USPTO Patent US20090020163A1) integra uma válvula de aba para caudal inverso e um conjunto de válvulas acionado por interruptor para permitir a entrada de ar na tubagem e interromper a sifonagem inversa.
Porque é que essa diferença importa para os custos de funcionamento? Suponha-se que uma conduta de drenagem de 150 m3/h dispõe de 6,5 m de recuperação útil por sifão descendente e funciona 6 000 horas/year com um rendimento de 72% entre a eletricidade e a água. Com o ponto mais alto continuamente ventilado para a atmosfera através de um tubo vertical aberto, a bomba teria de vencer os 6,5 m de altura manométrica estática em cada hora, consumindo mais 3,69 kW, ou 22 140 kWh/year ($2,650/year a $0.12/kWh). Uma válvula fechada de alívio de vácuo, acionada apenas quando necessário (durante uma interrupção na aspiração), recupera o seu custo em menos de 6 months.
| Categoria de equipamento | Intervalo de preços em USD para 1 in, 2 in (DN25, DN50) | Intervalo de preços em USD para 3 in, 6 in (DN80, DN150) | Materiais do corpo em contacto com o fluido | Aplicação industrial típica |
|---|---|---|---|---|
| Bomba manual de transferência por sifão para tambores | $25 – $160 | N/A (apenas tamanhos de tubo portáteis) | PP, PVDF, 316 SS, empanques de PTFE | Transferência intermitente de ácido/solvente a partir de tambores e contentores de 200 L |
| Disjuntor de vácuo atmosférico (ASSE 1001) | $140 – $520 | $650 – $2,400 | Bronze sem chumbo, 316 SS, PVC | Linhas de reposição de água potável (pressão não contínua ≤ 12 h) |
| Disjuntor de vácuo de pressão (ASSE 1020) | $220 – $850 | $1,100 – $3,800 | Bronze, ferro dúctil (revestido a epóxi) | Coletores de distribuição de água industrial sob pressão contínua |
| Disjuntor de vácuo flangeado para tubagem / válvula de ar e vácuo (AWWA C512) | $350 – $1,100 | $950 – $6,200+ | Ferro dúctil, aço-carbono WCB, 316 SS | Pontos altos nas descargas de bombas, comportas e proteção contra colapso por vácuo em tubagens de PEAD |
| Bomba centrífuga de transferência por sifão com auto-escorvamento | $900 – $3,400 | $3,500 – $15,000+ | Ferro fundido, aço inoxidável duplex CD4MCu, aço inoxidável 316L, fluoroplástico | Esvaziamento de poços com grande altura de aspiração, bombagem por cima de diques e descarga de tanques |
Drenagem sifónica de coberturas, rebaixamento de albufeiras e diagnóstico de bolsas de ar ou golpes de aríete
Os sistemas de drenagem sifónica de coberturas concebidos de acordo com as normas (ASPE 45 / EN 12056-3) utilizam defletores anti-vórtice para impedir a entrada de ar e funcionam com a conduta totalmente cheia a 100% sob pressão inferior à atmosférica, enquanto as tubagens sifónicas industriais falham devido a bolsas de ar no ponto alto, desgaseificação de gases dissolvidos, encurvadura de paredes finas ou golpe de aríete por separação da coluna.
Num sistema convencional de drenagem gravítica de coberturas, as colunas verticais são normalmente concebidas para funcionar com cerca de 20% a 33% de água, em torno de um núcleo de ar central, enquanto os coletores pluviais horizontais têm geralmente uma inclinação de 0,5% a 2% (1/16 in/ft a 1/4 in/ft). Um sistema de drenagem sifónica concebido para o efeito utiliza ralos de cobertura com defletores que impedem a entrada de ar por turbilhão durante as chuvadas de projeto, permitindo que os coletores horizontais funcionem com inclinação de 0° e a 100% da capacidade de enchimento, o que proporciona uma velocidade de caudal 3× a 4× superior em tubagens de menor diâmetro. No entanto, tanto os ralos sifónicos de cobertura como as grandes condutas de rebaixamento de albufeiras funcionam sob vácuo elevado no ponto alto (-50 kPa a -80 kPa manométricos). Quando um sifão perde o funcionamento ou provoca golpes de aríete durante uma demonstração em campo ou em serviço contínuo, os técnicos de manutenção podem identificar a causa principal através da matriz de diagnóstico abaixo.
| Modo de falha | Sintomas observáveis em serviço | Causa física principal | Limite quantitativo | Medida corretiva de engenharia |
|---|---|---|---|---|
| 1. Bolsa de ar no ponto mais alto (escorvamento incompleto) | A bomba cria pressão de descarga, mas o caudal reduz-se a um fio ou para; ouve-se um borbulhar no ponto mais alto | Um tubo demasiado grande no ponto mais alto mantém a velocidade abaixo do número de Froude crítico para expulsar o ar; uma bolsa de ar bloqueia a secção transversal | Velocidade < 0.6 m/s (Fr = v / √(gD) < 0.54) | Instale uma válvula combinada de purga de ar e vácuo no ponto mais alto ou reduza o diâmetro da tubagem nesse ponto para aumentar a velocidade para ≥ 1,2 m/s |
| 2. Libertação de gases dissolvidos / cavitação por vapor | O sifão funciona durante 30–120 min e depois perde gradualmente caudal; ouve-se um ruído de chocalho no ponto mais alto | A pressão absoluta no ponto mais alto desce abaixo da pressão de saturação do ar (30 kPa abs) ou da pressão de vapor (Pv), formando bolsas de gás | Vácuo manométrico no ponto mais alto inferior a -70 kPa (-0,7 bar) | Reduza a elevação do ponto mais alto, arrefeça o fluido ou adicione um dispositivo automático de escorvamento por vácuo no ponto mais alto |
| 3. Colapso de tubos de parede fina sob pressão inferior à atmosférica | A tubagem de PEAD ou PVC achata-se (fica ovalizada) no ponto mais alto da crista, obstruindo permanentemente o caudal | A pressão atmosférica exterior excede a resistência à encurvadura anelar da tubagem de parede fina sob vácuo interno | Tubagem de PEAD SDR 26 ou SDR 32.5 exposta a vácuo manométrico de -60 a -80 kPa | Substitua a tubagem no ponto mais alto por PEAD SDR ≤ 17 (ou SDR 11) ou aço Schedule 40 e adicione uma válvula de alívio de vácuo com mola |
| 4. Golpe de aríete por separação da coluna líquida quando a bomba dispara | Ouve-se um forte estrondo na tubagem e a junta da flange rebenta 2–8 segundos depois de a bomba disparar | A desaceleração rápida divide a coluna líquida no ponto mais alto, formando uma cavidade de vapor que se fecha com um golpe quando o caudal se inverte | Pico de pressão transitório 3× a 6× a altura manométrica de funcionamento | Instale um disjuntor de vácuo de abertura rápida no ponto mais alto e uma válvula de retenção amortecida e antichoque, ou uma redução gradual da velocidade controlada por variador de frequência (10–20 s) |
Seleção de bombas centrífugas industriais e bombas para polpas para linhas de descarga assistidas por sifão
A seleção de bombas centrífugas, bombas de águas residuais com auto-escorvamento, bombas de carcaça bipartida axial ou bombas para polpas de serviço pesado para uma linha de descarga descendente assistida por sifão exige verificar a potência no veio, a corrente do motor e a altura manométrica positiva líquida disponível na aspiração (NPSHa), tanto no arranque sem escorvamento, com altura manométrica elevada no ponto alto, como no ponto de funcionamento com caudal elevado e sifão escorvado.
Quando uma conduta sobe por cima de um dique de contenção, de uma barragem de rejeitos ou de um dique fluvial e desce até um ponto de descarga inferior, a bomba tem de fornecer altura manométrica suficiente à saída fechada e na zona intermédia da curva para elevar o líquido até ao ponto mais alto durante o arranque, dispondo também de uma curva de potência que não sobrecarregue e de um NPSHr baixo ao caudal superior que ocorre depois de o sifão se formar. A BBP Manufacturing Co., Ltd. concebe e fabrica 10 séries de bombas industriais, com caudais de 3,6 m3/h a 20 000+ m3/h e alturas manométricas de 5 m a 680 m, selecionando tanto bombas horizontais para polpas de serviço pesado como bombas de carcaça bipartida axial para caudais elevados em função das curvas do sistema de condutas nos dois regimes.
Nota sobre âmbito e fornecimento: BBP Manufacturing Co., Ltd. fabrica bombas centrífugas industriais, bombas para polpas, águas residuais e produtos químicos; válvulas de canalização de terceiros, como os disjuntores de vácuo ASSE 1001/1020 ou as válvulas de ar AWWA C512, são especificadas como acessórios da conduta nos esquemas do sistema.
| Série de bombas BBP | Intervalo de caudais (m3/h) | Intervalo de altura manométrica total (m) | Sólidos máximos / fluido transportado | Função na integração em condutas assistidas por sifão |
|---|---|---|---|---|
| Bombas horizontais para polpas ZJ / ZGB / AH / HH | 3,6 – 5 400 m3/h | 6 – 130 m | Rejeitos abrasivos e polpas minerais (SG 1,15–1.50, até 60 wt%) | Partes hidráulicas em Cr27 com elevado teor de crómio + acionamento por variador de frequência para manter uma velocidade de lavagem do ponto alto ≥ 1,8 m/s sem cavitação por funcionamento fora do ponto de funcionamento |
| Bombas de carcaça bipartida axial de dupla aspiração S / SH | 50 – 20 000+ m3/h | 8 – 160 m | Água limpa de rio, retorno de torres de arrefecimento, água bruta municipal | O rodete de dupla aspiração com NPSHr baixo resiste à cavitação quando a recuperação do sifão descendente desloca o caudal para a direita na curva |
| Bombas de águas residuais autoescorvantes ZW e submersíveis WQ | 5 – 10 000 m3/h | 5 – 80 m | Águas residuais municipais sem tratamento, águas pluviais de cheias, sólidos até 100 mm | Desidratação de cheias por cima de diques e estações de elevação equipadas com válvulas de ar para quebra de sifão no ponto mais alto |
| Bombas centrífugas de processo com aspiração axial IS / IH | 3,6 – 1 200 m3/h | 5 – 125 m | Água limpa, efluentes industriais, produtos químicos corrosivos (304/316L/Duplex SS) | Parques de tanques e linhas de transferência de produtos químicos com quebra automática de vácuo no ponto mais alto quando a bomba para |
| Bombas centrífugas horizontais multiestágio D / DG | 6 – 850 m3/h | 50 – 680 m | Drenagem mineira de alta pressão, água de alimentação de caldeiras até 160 °C | Travessias de condutas em montanhas íngremes que exigem elevada altura de elevação no arranque e válvulas de retenção e de vácuo escalonadas contra golpes de aríete |
Lista de verificação de 7 parâmetros para pedidos de proposta de engenharia relativos a condutas de bombas assistidas por sifão
Ao solicitar à equipa de engenharia da BBP o dimensionamento da curva da bomba para dois regimes, inclua estes 7 parâmetros do local para que seja possível traçar com precisão a altura manométrica total no arranque sem escorvamento e com sifão escorvado:
- Registe as cotas do líquido na aspiração (z1,max e z1,min), incluindo os níveis máximo e mínimo durante a drenagem no poço de alimentação ou na albufeira.
- Meça a elevação do ponto mais alto da conduta (zcrest) no ponto mais elevado da linha de eixo, por cima do dique, da parede do tanque ou da ponte de tubagens.
- Indique a cota final de descarga (z2) e a geometria do terminal, bem como se a conduta descarrega para o ar ou abaixo da superfície da bacia recetora.
- Indique o diâmetro interno da tubagem (ID) e o comprimento total (L), o material e a espessura da parede (comprimento do troço ascendente L1→c, comprimento do troço descendente Lc→2 e SDR do PEAD ou classe Schedule do aço).
- Indique a temperatura do fluido (°C), a pressão de vapor (Pv), a densidade relativa (SG), a viscosidade cinemática (cSt) e a concentração de sólidos em suspensão (wt% e dimensão das partículas d50 em μm).
- Indique a altitude do local em metros acima do nível do mar e a pressão barométrica ambiente (kPa) para que os engenheiros possam calcular o vácuo máximo admissível no ponto mais alto.
- Defina a filosofia de controlo do ponto mais alto: retenção contínua do sifão (com ajuste da velocidade através de variador de frequência e disjuntor de vácuo de corte) ou ventilação atmosférica contínua no ponto mais alto.
Perguntas frequentes sobre sifões e tubagens de bombas
Qual é a diferença entre siphon e syphon nos dicionários e na engenharia?
Não existe qualquer diferença técnica entre siphon e syphon: ambas as grafias designam exatamente a mesma conduta de transferência de fluidos. Nos dicionários de inglês americano e nas normas de tubagem ASME ou AWWA, siphon é a grafia principal preferida; já os catálogos de engenharia britânicos e da Commonwealth utilizam frequentemente syphon, sobretudo para sifões de condensados em manómetros de pressão de vapor e tubos de descarga de autoclismos.
Um sifão funciona em subida ou consegue elevar o líquido acima do tanque de origem?
Um sifão consegue elevar temporariamente o líquido por cima de uma crista intermédia ou do rebordo de um tanque (na prática, até 7,0 m a 8,5 m para água a 20 °C ao nível do mar), mas a saída final de descarga tem sempre de estar a uma cota inferior à superfície do líquido de origem. A gravidade não consegue gerar um caudal líquido ascendente para um tanque recetor mais alto sem uma bomba mecânica.
Porque é que a minha válvula antissifão verte água quando a bomba para ou arranca?
Uma breve saída de água no arranque ou na paragem da bomba ocorre enquanto o obturador da boia fecha ou se abre; no entanto, uma fuga contínua aponta para um assento de elastómero sujo, contrapressão excessiva ou montagem demasiado baixa. Confirme que o disjuntor de vácuo ASSE 1001 está pelo menos 152 mm (6 in) acima da saída a jusante mais alta e que não existe uma válvula de corte a jusante.
É ilegal sifonar combustível e porque nunca se deve escorvar um sifão com a boca?
A remoção ilegal de combustível de veículos ou tanques de armazenamento é punida como furto. Escorvar com a boca qualquer sifão de combustível ou de produtos químicos pode causar pneumonite química por aspiração de hidrocarbonetos (ingestão de vapores de petróleo que pode provocar pneumonite química). Utilize sempre uma válvula de agitação com auto-escorvamento, uma pera manual ou uma bomba adequada.
Como impedir que a água continue a sifonar através de uma bomba submersível ou centrífuga quando está desligada?
Depois de desligar a bomba, identifique o sentido do caudal. Se a água escoar para trás de um tanque de descarga elevado, atravessar a bomba parada e chegar a um poço inferior, uma válvula de retenção com mola ou aba de borracha na descarga da bomba resolverá o problema. Se a conduta de descarga descer abaixo do tanque de aspiração e continuar a drenar por gravidade, uma válvula de retenção não ajudará; será necessário instalar um dispositivo de quebra de sifão ou uma válvula disjuntora de vácuo no ponto mais alto.
Um sifão pode funcionar para sempre como uma bomba de movimento perpétuo?
Nenhum sifão pode funcionar como um dispositivo de movimento perpétuo, porque o caudal é impulsionado pela energia potencial gravítica entre superfícies de líquido a cotas diferentes. O caudal para automaticamente quando os níveis dos dois recipientes se igualam ou quando a entrada fica exposta ao ar. Se a pressão no tubo de aspiração descer abaixo do limite de pressão de vapor do recipiente, a cavitação pode interromper a coluna líquida.
Como dimensionar o orifício de um disjuntor de vácuo ou de um dispositivo de quebra de sifão numa conduta de descarga de uma bomba industrial?
O dimensionamento de um disjuntor de vácuo no ponto mais alto baseia-se no caudal máximo descendente (Qdrain) sem permitir que o vácuo interno da tubagem exceda a pressão admissível de encurvadura anelar (normalmente -15 kPa a -35 kPa para tubagens de plástico). De acordo com as normas AWWA M51 e USBR EM-25, uma válvula de ar e vácuo ou uma linha de purga ventilada para quebra de sifão, instalada na crista da tubagem, requer um orifício nominal de 0.15 a 0,25 vezes o diâmetro interno da tubagem.
Referências e fontes
- Purdue University School of Mechanical Engineering ME30900 Fluid Mechanics: Bernoulli Equation Siphon Cavitation Analysis
- U.S. Bureau of Reclamation (USBR) Monografia de engenharia 25: conceção hidráulica de bacias de tranquilização e dissipadores de energia
- Nature Scientific Reports Funcionamento de um sifão no vácuo e estudo da coesão-tensão face à pressão atmosférica (srep04741)
- Physics Education / PubMed Central Modelo da cadeia ou pressão atmosférica na mecânica dos sifões (PMC4667279)
- ANSI / ASSE Standard 1001-2017 Performance Requirements for Pipe Applied Atmospheric Type Vacuum Breakers
- U.S. Environmental Protection Agency (EPA) Controlo de ligações cruzadas: guia de boas práticas para o retorno de água por sifonagem e válvulas de vácuo
- ASSE International Plumbing and Backflow Prevention Product Standards Directory (ASSE 1001, 1013, 1020)
- Pumps & Systems Magazine Sifões e efeito de sifão em sistemas de tubagem de descarga de bombas em declive
- CalPoly BioResource and Agricultural Engineering Bolsas de ar e velocidade crítica de desobstrução em sistemas de condutas
- Kansas State University Research and Extension Gravity and Siphon Pipeline Hydraulic Design Handbook
- Inveno Engineering Boa prática 17: ASME B40.100: tubos em espiral e sifões em serpentina para manómetros de pressão de vapor
- United States Patent and Trademark Office (USPTO) US20090020163A1: Conjunto de válvula de corte automático de sifão para tubagem de descarga de bombas
