Física Resumo dissipação de energia

DISSIPAÇÃO DE ENERGIA

Resumo

Lencastre, 1983 define dissipação de energia como uma transformação de parte da energia mecânica da água em energia de turbulência e, no final, em calor por efeito do atrito interno do escoamento e atrito deste com as fronteiras.

Na execução das obras de barragens para fins de aproveitamentos hidrelétrico, se torna indispensável a instalação de uma estrutura de dissipação de energia hidráulica principalmente para os períodos de cheias. Nestes períodos, a usina normalmente atinge a sua capacidade limite de geração de energia e não aproveita toda a água a montante de barragem.

Toda vez que o extravasor de uma barragem é acionado, seja por atingir a cota da soleira livre ou uma comporta é aberto, o escoamento resultante tem elevada energia potencial e a água, ao atingir o pé da barragem alcançará velocidade apreciável, havendo necessidade de dissipar esta energia antes de restituir o fluxo à calha do rio. A estrutura projetada para dissipar energia é denominada "Dissipador de Energia" sendo que existem vários e diferentes arranjos para tal. A dissipação de energia é uma transformação parcial da energia potencial da água em energia de turbulência e, em seguida, em calor por efeito interno do escoamento e com as fronteiras. Para provocar esse fenômeno, são projetadas estruturas diversas, escolhendo, para cada caso, a estrutura mais adequada, sob o ponto de vista hidráulico e econômico.

Não existe uma padronização de dissipadores de energia no Brasil sendo que a decisão ocorrerá pela experiência do profissional que está elaborando o projeto. A escolha dos dissipadores de energia conforme USBR deverão obedecer criteriosamente às recomendações de Peterka, 2005, pois as mesmas são baseadas em experiências e pesquisas feitas nos Estados Unidos.

Na medida em que novos dispositivos são testados e empregados com sucesso nas obras, estes passam a fazer parte de um conjunto de instrumentos e técnicas para dissipação de energia nas barragens, visto tratar-se de um assunto praticamente inesgotável. Isto se dá porque cada aproveitamento, em função de suas características locais, geológico e geotécnicas, arranjo, altura e interferências demanda uma análise particularizada para obtenção da melhor solução para manejo do excesso de energia do fluxo vertente, fazendo com que, em muitos casos, a solução final seja otimizada apenas com o emprego dos modelos hidráulico em escala.

Existem diversos tipos de dissipador de energia, destacando-se como formas básicas as bacias de dissipação, trampolins lançadores e as rampas em degraus.

Em aproveitamentos de menor escala empregam-se também os blocos de impacto e caixas dissipadoras. Os três arranjos básicos de dissipação mencionados anteriormente comportam muitas variantes geométricas e de funcionamento. Em aproveitamentos de menor escala empregam-se também os blocos de impacto e caixas dissipadoras.

Caixas de Impacto Trata-se de um dispositivo destinado à deter o jato efluente de uma galeria contra uma placa plana, colocada perpendicularmente à direção do escoamento e acima do plano de fundo, de modo a permitir a passagem de agua sob a placa. Emprega-se usualmente na saída d e tubulações retangulares ou circulares. De acordo com o (USBR, 1987) devem ser observadas as seguintes restrições:

• Velocidade máxima de entrada: 9 m/s

• Diâmetro máximo de conduto: 1,8 m

 De forma geral pode-se afirmar que as pequenas barragens tendem a utilizar bacias de dissipação planas, também chamadas de convencionais e à medida que a energia específica e os custos sobem proporcionalmente às restrições geológicas e geotécnicas, soluções como os trampolins lançadores e afogados e os dissipadores em degraus vão tomando a preferência do projetista.

Nos estudos realizados pelo U.S.B.R., as bacias planas são estruturas de larga aplicação na prática e, quando projetadas para as condições ideais, apresentam resultados altamente satisfatórios. As bacias são descritas como Tipo I, II, III e IV

Tipo I - É a bacia de dissipação de fundo horizontal, sem quaisquer obstáculos. É regra acrescentar o "end-sill" cuja função é proteger o pé da estrutura junto à saída da bacia.

Tipo II- Na bacia tipo II já existem os "chute-blocks" e o "end-sill". A função do chute-blocks é a de abrir jato que entra na bacia fazendo com que o requerido se tome menor. O "end-sill" do tipo II é dentado para auxiliar na dissipação.

Tipo III - A bacia tipo lll, a mais complexa, além do “chute blocs" e do "end-sill", emprega os "Baffle Piers" cuja função é a de receber os impactos de escoamento em alta velocidade e aumentar a turbulência dissipadora.

Tipo IV – trata-se de uma simplificação da bacia tipo II, no qual os chute-blocks são mais espaçados e o end-sill contínuo.

O processo de dissipação de energia, por ressalto hidráulico, consiste na transformação de grande parte de energia cinética, junto ao pé da estrutura, em turbulência, que por sua vez, se dissipa por ação da viscosidade. O dissipador de energia construído na base da estrutura tem a função de receber essa energia, dissipar o excesso e proporcionar condições de escoamento adequadas ao canal de restituição ou, mesmo, ao leito natural do rio.  

A dissipação de energia, no ressalto hidráulico, se processa sempre acompanhada de intensas flutuações, tanto de pressão como de superfície livre de escoamento. Estas flutuações atuam sobre lajes, muros e demais partes da estrutura.

Em se tratando de casos de dissipação de energia de barragens de baixa queda, onde o número de Froude é baixo, entre 1.5 e 4 o controle de ondas geradas no processo de dissipação torna-se extremamente difícil, geralmente um pequeno acréscimo na extensão da estrutura não traz benefícios, havendo mesmo necessidade de contar com a participação do próprio canal de restituição para dissipar parte da energia.

Lembrando que o número de Froude é um numero adimensional, que representa a razão entre uma velocidade característica e a velocidade de onda gravitacional e separa os tipos de regime de escoamento em três tipos de acordo com sua relação com o nível crítico da água no canal.

O principio básico da dissipação é o ressalto hidráulico, caracterizado pelo movimento bruscamente variado no espaço, no qual há a mudança do regime supercrítico (f>1) para o subcrítico (F <1).

O processo de dissipação de energia, por ressalto Hidráulico costuma ser bastante empregado para a proteção de estruturas hidráulicas de aproveitamentos hidrelétricos. Este tipo de dispositivo promove uma grande absorção da energia de queda no local de impacto, Dependendo das condições que este processo ocorre, podem surgir ondas a jusante do escoamento, as quais podem percorrer grandes distancias, ao longo do rio e provocar um forte processo erosivo, tanto nas margens quanto em estruturas que utilizem o leito para sustentação.