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Perda de Carga Localizada, Acessórios de Tubulação
1. Qual a perda de carga singular em um conduto de 100 m, diâmetro de 100 mm, com um fluido escoando a 2 m/s, apresentando as seguintes singularidades rosqueadas na tubulação: válvula globo totalmente aberta e cotovelo de 45º com raio normal?
D. 1, 22 m.
2. O que acontece com a perda de carga singular do escoamento anteriormente mencionado se a viscosidade do fluido que escoa aumentar em 20% e se a válvula globo for totalmente fechada?
E. A perda de carga singular depende apenas de fatores geométricos das singularidades, logo qualquer mudança na viscosidade do fluido afetará apenas a perda de carga linear.
3. Qual o comprimento equivalente das perdas de cargas singulares da tubulação anteriormente citada, considerando que o tubo perde linearmente 0,135 m de carga por metros de tubulação?
A. 9 m.
4. Qual o erro relativo da perda de carga linear em comparação com a perda de carga total?
C. 8,28%.
5. Qual o valor do fator de atrito f na tubulação anteriormente citada? Qual valor do somatório de Ks tornaria a perda de carga singular idêntica à perda de carga linear?
B. 0,066 e 66,2.
6.É solicitado a um engenheiro que ele diminua a perda de carga de uma tubulação existente, pois está faltando pressão no ponto de entrega da água.
O primeiro passo para essa tarefa é descobrir a atual perda de carga do escoamento e saber quanto é devido à perda de carga linear e quanto é devido à perda de carga localizada. Sabe-se que uma vazão de 0,008 m3/s de água atravessa de forma constante uma tubulação de ferro fundido novo, que possui: 30 m de conduto com diâmetro de 50 mm. Nessa tubulação, há duas curvas de 90 graus e uma expansão para o diâmetro de 200 mm. No conduto de 200 mm de diâmetro, há uma válvula de retenção basculante. Esse conduto tem 23 m. Há também um conduto de 100 mm, com comprimento de 46 m, que começa com uma contração e tem uma válvula globo. A entrada e saída da tubulação possuem um coeficiente de perda de carga equivalente a 1,00. A pergunta a ser respondida é: Qual a perda de carga total do escoamento? Qual a porcentagem de perda de carga localizada e de perda de carga linear nesse sistema? Munido dessas informações, o engenheiro vai poder tomar a melhor decisão sobre como diminuir a perda de carga total do escoamento.
Padrão de resposta esperado
Objetivo: Descobrir a perda de carga linear e localizada de cada trecho do conduto. A soma delas resultará na carga total.
Dados:
Vazão constante Q = 0,008 m3/s
Viscosidade cinemática da água υ = 1,003 X 10-6 m2/s
Rugosidade do ferro fundido novo ε = 0,00026 m
Calculando HPlinear:
Velocidade V = 4Q/ΠD2 (continuidade)
Reynolds Re = VD/υ
1/√f=2,0 log⁡(ε/3,706D+2,51/(Re√f)) (calcular de forma iterativa)
hplinear = f L/D V2/2g
Calculando HPsingular
Encontrar coeficiente Ks para cada singularidade;
hpsingular = Σ(Ks) V2/2g
Calculando HPtotal
hptotal = hplinear + hpsingular
Porcentagens:
Porcentagem de hplinear = hplinear/hptotal
Porcentagem de hpsingular = hplinear/hpsingular
Equação da Energia para Escoamento em Tubos: Cálculo de Perda de Carga
1. Água a 20 ºC escoa por um tubo inclinado de 8 cm de diâmetro. Nas seções A e B, são obtidos os seguintes dados: PA = 186 kPa, VA = 3,2 m/s, ZA = 24,5 m, PB = 260 kPa, QB = 0,016 m³/s e ZB = 9,1 m. Qual é o sentido do escoamento? Qual é a perda de carga em metros?
D. A para B, hp = 7,86m.
2. Considere as seguintes informações sobre um conduto de ferro fundido: o fluido que nele escoa está em regime turbulento rugoso, o conduto possui um raio de 0,25 metros e o fator f se alterou de 0,01665 para 0,02476 ao longo de 20 anos. Qual é coeficiente de envelhecimento desse conduto?
B. 0,000063 m/ano
3.Quanto ao fator de perda de carga f pode-se dizer que as afirmações a seguir:
I) O escoamento laminar tem o gradiente de pressão ao longo do comprimento do escoamento quando o Número de Reynolds é menor que 4100.
II) O escoamento turbulento liso, o escoamento é turbulento e o conduto é hidraulicamente liso e afeta diretamente o valor do fator f. Aonde:
III) O fator f por Colebrook-White, combinam duas equações abarcando o turbulento vindo do laminar e a transição entre turbulento liso e rugoso é representado por:
Pode-se dizer que:
C. Somente III está correta
4. Os condutos são projetados para durar, em média, 50 anos. A rugosidade de um conduto varia ao longo do tempo. Com o passar dos anos, diversos materiais se incrustam nos condutos, ou ocorre a corrosão de suas paredes, alterando o valor da sua rugosidade. Observando o material, pode-se colocar na ordem correta do que tem mais rugosidade e menos rugosidade​​​​​​​:
B. Madeira aduela; ferro galvanizado novo; aço chapa metálica nova; borracha alisada; aço inoxidável novo
5.A interação entre a rugosidade e a camada-limite é fundamental para a compreensão de como a perda de carga se dá em diferentes condutos. Segundo a figura, pode-se afirmar que: Distribuições típicas de velocidade e tensão cisalhante no escoamento turbulento próximo a uma parede
I. Regiões próximos a parede no escoamento turbulento são: subcamada viscosa, camada externa e camada intermediária ou de superposição.
II. A zona do perfil de velocidades governada pela lei logarítmica é denominada zona inercial.
III. Se a rugosidade for maior do que a subcamada viscosa, o escoamento é definido como hidraulicamente liso.
Pode-se dizer que:
E. I e II estão corretas
6.Um trabalho de consultoria é solicitado a você. Quem recorre à consultoria, nesse caso, é um agricultor, que indica o seguinte problema:
O que você diria ao agricultor? Estime valores, com justificativa, para parâmetros que não foram dados no problema.
Padrão de resposta esperado
Dados do problema:
Vazão no conduto (Q): 8640 m3/dia = 8640 m3 / 86400 s = 0,1 m3/s
Pressão disponível no ponto de entrega de água (P) = 10 mca
Comprimento do conduto (L) = km = 1,5 km = 1500 m
Interpretando o problema:
É necessário calcular a perda de carga (hp) entre o reservatório e o ponto de entrega de água, de forma a conseguir que, no ponto de entrega, haja 10 mca, e, ao fim do dia, tenham sido transportados 8640 m3 de água.
A energia disponível no reservatório é função exclusivamente de sua altura, pois a água está parada, logo V2/2g = 0 e a pressão nele é atmosférica. Logo, o reservatório deve ter uma altura H = hp + 10 mca.
Decisões a serem tomadas:
A escolha do diâmetro (D) e velocidade (V) do conduto é realizada por meio da equação da continuidade (Q = VA). Podemos arbitrar valores possíveis para V e D. Essa escolha deve levar em consideração dois pontos:
1) Quanto menor a velocidade e maior o diâmetro, menor será sua perda de carga.
2) Quanto maior o diâmetro, mais caro é o conduto. A rugosidade (ε) do conduto pode ser encontrada em valores tabelados. Quanto menor seu valor, menor a perda de carga no conduto.
Roteiro de cálculo:
Calcular o número de Reynolds para classificar o escoamento:
Re = VD/v; a viscosidade cinemática da água possui o valor de 1,003*10-6 m2/s, e V e D são definidos pelo engenheiro. A classificação do escoamento será turbulenta. A velocidade deveria ser extremamente baixa para alcançar a condição laminar com essa vazão, situação impraticável na vida real.
Calcular o fator f de forma iterativa:
1/√f = 2,0 log⁡(ε/3,706 D + 2,51/(Re√f)); o fator f para escoamento turbulento é a função da rugosidade e o diâmetro, que são escolhidos pelo engenheiro e pelo número de Reynolds (Re) que pode ser calculado.
Calcular a perda de carga:
hp = f L V2 / D2g; a perda de carga é a função do comprimento L, que é dado no problema, os valores de V e D, que são arbitrados pelo engenheiro, e do fator f.
Calcular a altura do reservatório:
H = hp + 10 mca; para saber a altura do reservatório, precisamos descobrir a perda de c
Máquinas Hidráulicas e Instalações de Bombeamento
1. Quando a carga hidráulica que entra em uma máquina hidráulica é maior se comparada com a carga que sai, estamos tratando de qual equipamento? Justifique.
C. Trata-se de uma turbina, pois a turbina converte uma parteda carga hidráulica que entra em energia mecânica, logo o escoamento fica defasado dessa energia que foi convertida, portanto a carga que sai é menor do que a que entra.
2. Qual é o conceito de curva de estrangulação?
B. A curva de estrangulação aponta a variação da energia cedida ao sistema pela bomba, vinculando uma altura de carga hidráulica fornecida em função da vazão que passa pela bomba, sendo que a carga hidráulica decresce com o aumento da vazão.
3. Uma moto-bomba centrífuga, com sucção não afogada, apresenta cavitação. Consultado, o fabricante garantiu que o NPSH requerido para as condições da instalação em questão não ultrapassa 4,2 m. As condições são as seguintes:
• A pressão atmosférica local é 103 325 Pa
• A pressão de vapor da água é de 0,25 mca
• As perdas de carga na aspiração, para a vazão de operação, totalizam 2,5 m
• As perdas de carga no recalque, para a vazão de operação, totalizam 3,7 m
• O peso específico da água é de 9.806 N/m²
Para eliminar a cavitação, com uma folga de segurança de 25% no NPSH, a altura de sucção deve ser:
D. 2,54 m.
4. Qual é o conceito de curva de canalização?
E. A curva da canalização aponta a variação da energia necessária ao sistema, vinculando uma altura de carga hidráulica requerida em função da vazão que passa pela canalização do sistema.
5. Qual é o conceito de ponto de funcionamento de um sistema?
A. O ponto de funcionamento é quando a energia fornecida é igual a energia necessária para que dada vazão seja bombeada.
6. Você foi contratado para fazer a especificação da bomba para a aplicação no sistema de canalização do reservatório da empresa Mistério. Outra equipe verificou a curva característica da instalação. Sabe-se que 80 m3/h é a demanda média, podendo chegar a 120 m3/h. Veja na imagem a seguir a curva de instalação da bomba e duas opções de bombas que foram ofertadas pelo fabricante.
Foi ofertada a escolha, pelo fabricante, de uma das duas opções de bombas. Busque, a partir desses dados, determinar qual é a melhor:
a) Escolha a bomba, entre as duas opções, e justifique.
b) Quais são os possíveis pontos de funcionamento desse sistema representado no gráfico da bomba?
Padrão de resposta esperado
Dimensionamento de Redes de Distribuição de Água
1. O primeiro passo para você entender uma rede de distribuição de água (RDA) é conhecer as duas formas nas quais diferentes condutos podem se associar: em série ou em paralelo. Quanto aos condutos em série e paralelo pode-se dizer que as afirmações a seguir:
I) Para manter a vazão constante, a velocidade do escoamento se altera, sendo inversamente proporcional à área. Assim, se a área da seção transversal aumenta, a velocidade diminui, e vice-versa.
II) O que você precisa saber em uma associação de condutos em paralelo é que existe uma perda de carga entre A e B, ou seja, o início e final de um segmento. Essa perda de carga é constante, independentemente do trecho pelo qual o escoamento flui.
III) Quando em paralelo, a vazão que parte do nó A se divide em função das características da tubulação e do escoamento, como diâmetro, rugosidade e velocidade, quando chega em B, houve alteração nesta vazão a variação da velocidade diferenciada em cada um dos caminhos ao qual fora dividida.
Pode-se dizer que:
D. I e II estão corretas
2. A pergunta essencial que você tem de responder para dimensionar uma rede de abastecimento é: quantos litros de água você precisa distribuir para essa população? Quanto às redes de abastecimento podemos afirmar que​​​​​​​:
B. Pode-se obter o diâmetro mínimo da tubulação, dos condutos, ajudando a dimensionar as redes de distribuição em função das velocidades máximas e vazões máximas conforme normas técnicas
3.Qual a vazão em marcha e específica para uma cidade com 250.000 habitantes, área de 1.250 ha e consumo per capta de 275 L/hab.dia? Considere que existem 12 km de rede instalados.
E. qm = 0,12 L/s.m e qd = 1,15 L/s.ha.
4.Qual a vazão necessária na tubulação que sai do reservatório em uma rede ramificada para um loteamento com a seguinte configuração, considerando que cada habitante consome 400 L/dia?
A. 8,67 L/s.
5. Qual o número de habitantes se deve atingir para que um bloco populacional que hoje é atendido pela tubulação de 150 mm de diâmetro, e cada habitante consome em média 300 L/dia, tendo uma vazão no sistema de 6,5 L/s, ao qual ainda consegue atender bem atualmente? Busque consultar a tabela da norma ABNT que indica a vazão máxima para cada diâmetro de tubulação.
E. 2256 habitantes
6.Ao se deparar com sistemas existentes de abastecimento de água ou concepções de projeto, o mais importante é saber a vazão e a perda de carga em cada trecho. Este Desafio apresenta uma situação hipotética e complexa em que o objetivo é saber a vazão e a perda de carga em todos os trechos de uma grande associação de condutos. Esta é uma situação pertinente e também é o primeiro estudo a se fazer em qualquer rede de abastecimento de água que necessite de alguma melhoria ou análise. Então, sabendo que a vazão que entra no sistema a seguir é de 0,015 m3/s, calcule a vazão e a perda de carga em todos os demais trechos. Desconsidere a perda de carga localizada.
	
Padrão de resposta esperado
O importante nesse sistema de associação de escoamento é identificar quando a vazão é constante e quando ela é o somatório das demais vazões, quando a perda de carga é constante e quando ela é o somatório das demais perdas de carga. Mas o sistema se resolve do seguinte modo:
Q1 = Q2 = Q6 + Q5 + Q3
Q6 = Q7 + Q8 = Q9
Q3 = Q4
Q9 + Q5 + Q4 = Q10
hp7 = hp8
hp5 = (hp6 + hp7 + hp9) = (hp3 + hp4)
Respeitando essas equações, é possível resolver o sistema utilizando as fórmulas da continuidade Q = AV e de perda de carga hp = fLV2/D2g
Introdução à Hidrologia
1. A hidrologia é a ciência que trata da água na Terra, sua ocorrência, circulação e distribuição, suas propriedades, assim como sua reação com o meio ambiente. É considerada uma disciplina ampla, abrangendo grande parte do conhecimento humano, sendo assim, algumas áreas da hidrologia foram subdivididas. Assinale a alternativa que apresenta uma das áreas da hidrologia com sua respectiva caracterização.
A. Hidrometeorologia: é a parte da ciência que trata da água na atmosfera.
2. A hidrologia aplicada estuda os diferentes fatores relevantes ao provimento de água para a saúde e para a produção de comida no mundo. Marque a alternativa que relaciona corretamente a área e seu objeto de estudo.
D. Irrigação: área do desenvolvimento da hidrologia aplicada à produção agrícola.
3. Para o desenvolvimento da vida no nosso planeta, a água é um dos elementos fundamentais que o constitui. A partir da compreensão sobre essa relação, assinale a alternativa correta.
A. Os desequilíbrios ambientais resultantes do uso indevido do solo e dos desmatamentos estão comprometendo a água do planeta, além da poluição doméstica, industrial e agrícola.
4. Com base em seus conhecimentos sobre a distribuição e utilização da água no mundo, compreenda-se:
D. A água deve continuar sendo importante elemento geopolítico no século XXI, por isso ela vem provocando algumas guerras.
5. O ponto de partida para a mais adequada gestão da água no Brasil foi a promulgação da Lei n.º 9.433 de 1997, que institui a Política Nacional de Recursos Hídricos e cria o Sistema Nacional de Gerenciamento dos Recursos Hídricos.
B. Dois dos fundamentos da Política Nacional de Recursos Hídricos citam que a água é um bem de domínio público e é um recurso natural limitado, dotado de valor econômico.
6. Você é um gestor ambiental e precisa elaborar um panfleto sobre a importância da água, no qual o foco deve ser: "Ações voltadas para a redução do desperdício e para o controle da poluição da água". Esse panfleto será distribuído para todo o seu município, assim todos terão mais informações sobre a importância desse elemento para a vida. Você precisa fazer uma pesquisa para elaborar esse documento.
Padrão de resposta esperado
No panfleto, deve constar uma mensagem sobre a importância da água (acrescenteimagens ao longo do panfleto).
Por exemplo:
"A água é um recurso natural essencial para a sobrevivência de todas as espécies que habitam a Terra."
Na sequência, apresente ações para a redução do desperdício desse recurso, assim como ações para o controle da poluição da água.
Por exemplo:
Para reduzir o desperdício de água:
- diminuir o desperdício de água na produção agrícola e industrial, a partir do controle dos volumes de água utilizados nos processos industriais.
- reduzir o consumo doméstico de água a partir da incorporação do conceito de consumo sustentável de água no nosso dia a dia.
Para controle da poluição da água:
- apoiar iniciativas que visem à implantação de sistemas de tratamento de esgotos.
- exigir que o município faça o tratamento adequado dos resíduos.
Componentes do Ciclo Hidrológico
1. O que é evaporação?
D. O processo pelo qual a água, decorrente do solo úmido sem vegetação, dos oceanos, lagos, rios e de outras superfícies hídricas naturais, se transforma em vapor e retorna à atmosfera
2. Qual é a importância das informações quantitativas dos processos de evapotranspiração/evaporação?
C. São informações utilizadas na solução de numerosos problemas que envolvem o manejo de águas, especialmente na agricultura, na previsão de cheias e na construção e operação de reservatórios.
3. Como são denominadas as fases da infiltração?
 E. Intercâmbio, descida e circulação.
 4. Como são classificadas as chuvas?
 D. Orográfica, convectiva e frontal.
5. Assinale a alternativa que contém um tipo de chuva que ocorre no momento em que as massas de ar úmidas são impedidas de seguir seu trajeto pelos elementos do relevo, como uma montanha, então as nuvens ganham altitude e se agrupam provocando a precipitação.
B. Orográfica.
6.Você acaba de assumir a responsabilidade de implantar um pequeno lago artificial. O lago não pode ter mais do que 2 metros de profundidade, você sabe que o lençol freático está a muitos metros de profundidade, precisa então que a água do lago infiltre o mais devagar possível, pois está localizado em uma região árida com chuvas escassas. Você não pode impermeabilizar o fundo do lago com lona ou concreto, pois isso prejudicaria o surgimento da biota aquática. Você tem a seguinte missão: descobrir qual é o melhor tipo de solo para aplicar no fundo do lago. Uma forma dinâmica de se trabalhar é por meio de uma atividade que simula a infiltração da água no solo.
Padrão de resposta esperado
Para resolver essa missão, seria aplicado um tipo de sedimento de menor granulometria, um solo argiloso, menos impermeável, quando comparado com sedimentos de granulometria mais grossas, como areias, por exemplo, que facilitam a infiltração. Nesse sentido, o fundo do lago permitiria a implantação da biota aquática e dificultaria a perda de água por infiltração ao mesmo tempo.
​​​​​​​Obtenção e análise de registros Hidrológicos - Hidrogramas
1. Sobre os aspectos físicos da água:
B. A temperatura pode influenciar na solubilidade de substâncias e gases.
2. Sobre os aspectos químicos da água:
A. O pH da água pode ser alcalino (maior que 7) ou ácido (menor que 7).
3. Sobre os aspectos biológicos da água:
C. As algas podem provocar corrosão quando se proliferam em excesso.
4. A hidrologia é uma ciência aplicada que estuda a dinâmica da água na natureza, abrangendo os seus aspectos e as interações que interferem na sua ocorrência e distribuição na atmosfera, na superfície terrestre e no subsolo. Marque a alternativa referente a seus aspectos:
C. A infiltração é um processo que afeta diretamente o escoamento superficial, que é responsável pelos processos de erosão.
5. Marque a alternativa correta relativa à vazão e à distribuição estatística:
D. A aleatoriedade dos processos hidrológicos impossibilita o cálculo estatístico.
6. Uma cidade pequena do interior quer ter sua própria estação meteorológica e seu acompanhamento hidrológico. Você é especialista no assunto e foi convidado para ajudar essa cidade montando a estação, assim como treinar os funcionários para operar e monitorar os equipamentos.
Padrão de resposta esperado
A estação será composta de aparelhos como:
- Pluviômetro e pluviógrafo, que indicam a precipitação ocorrida nas últimas 24 horas. Sendo que o pluviógrafo mede e registra automaticamente a precipitação de tempos em tempos.
- Tanques evaporímetros, que são tanques com água exposta e que medem a evaporação.
- Atmômetros, que são evaporímetros nos quais a evaporação d’água ocorre através de uma superfície porosa.
- Lisímetros, que são tanques enterrados no solo dentro dos quais se mede a evapotranspiração.
- Infiltrômetro, que mede a taxa de infiltração através de um anel que consiste em dois cilindros concêntricos e um dispositivo de medir volumes da água aduzida ao cilindro interno e simuladores de chuva.
- Infiltrômetro de aspersão, que também mede a infiltração no qual a água é aplicada por aspersão, com intensidade de precipitação superior à capacidade de infiltração do solo.
- Postos fluviométricos e réguas linimétricas fazem a medição do nível de água e escoamento superficial.
Águas Pluviais: Vazão de projeto
1. A altura pluviométrica é:
C.Volume de água precipitada por unidade de área (mm).
2. Número médio de anos em que, para a mesma duração de precipitação, uma determinada intensidade é igualada ou ultrapassada uma vez (anos). Este é o conceito de:
C. Período de retorno (ou de recorrência).
3. Na fórmula da vazão de projeto (Q=(I*A)/60), I representa:
B. Intensidade pluviométrica.
4. Sobre a área de contribuição de um telhado, assinale a alternativa CORRETA:
C. O projetista deve comparar a tipologia do telhado com as figuras na norma, buscando adequar o projeto às fórmulas apresentadas para auxiliar no cálculo.
5. A norma NBR 10.844: instalações prediais de águas pluviais aborda:
E. Exigências e critérios necessários aos projetos de instalações de drenagem de águas pluviais, visando a garantir níveis aceitáveis de funcionalidade, segurança, higiene, conforto, durabilidade e economia.
6. Você, em seu primeiro trabalho como engenheiro projetista, recebeu a demanda de ajudar no dimensionamento de um sistema de instalações de águas pluviais. O arquiteto ainda está elaborando os projetos da sua área, então enviou apenas um croqui com as dimensões do telhado e a localização dos condutores verticais, que não podem ser alterados, tendo em vista a não interferir nas portas e janelas. A você cabe a missão de calcular a área de contribuição e a vazão do projeto desta cobertura para que os demais especialistas da empresa dimensionem os próximos componentes.
- Dimensões do telhado: 20 m (largura) x 25 m (comprimento), 2 m de altura.
- Cidade: Florianópolis/SC.
- Período de retorno: 5 anos.
- Distância entre o condutor C1 e C2: 10 m.
- Distância entre o condutor C2 e C3: 15 m.
Padrão de resposta esperado
O primeiro passo, nessa situação em que os condutores não são distribuídos de forma proporcional na área do telhado, é dividir a área que contribuirá para cada condutor. Assim, teremos as áreas de influência para cada condutor:
C1=A1
C2=A2+A3
C3=A4
Cada área será calculado por A=(a+h/2)b, em que a=10, para todos os trechos, h=2 e b varia em cada trecho, sendo:
b1=b2=5m
b3=b4=7,5m
Logo, as áreas serão:
A1=A2=(10+2/2)5=55m
A3=A4=82.5m
Buscando na norma, obtemos a Intensidade Pluviométrica (para 5 anos, na cidade informada) = 120mm/h
A vazão de projeto em cada condutor será:
Q1=IA/60=120(55)/60=110L/min
Q2=IA/60=120(55+82.5)/60=275L/min
Q3=IA/60=120(82.5)/60=165L/min
Analisando os dados, é possível constatar que Q2 é significativamente maior que Q1 e Q3, uma vez que este condutor, por estar localizado no meio do telhado e não nas pontas, receberá um volume maior de água.
Estudo dos Escoamentos de Fluidos em Condutos Forçados e Livres
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