Aula - 03 - Inst. Água Quente

Prévia do material em texto

Instalações de Água Quente 
Referências 
• ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS 
(1993). NBR 7198 – Projeto e execução de 
instalações prediais de água quente. Rio de Janeiro: 
ABNT, 1993. 
• MACINTYRE, A. (1996). Instalações Hidráulicas - 
Prediais e Industriais. 3. Ed. Rio de Janeiro: LTC, 
1996. 760p. 
• As instalações prediais de água quente apresentam uma peculiaridade 
importante, que normalmente passa despercebida pelo profissional desse 
campo de trabalho: elas são executadas à temperatura ambiente, mas 
destinam-se a trabalhar a temperaturas bem mais elevadas, que podem 
aproximar-se dos cem graus centígrados.Por este motivo, alguns detalhes 
passam a apresentar importância, tais como: 
– a dilatação sofrida pelas canalizações (ver, neste capítulo, Tabela 5.6, 
dedicada à construção de loops que absorvem dilatações); 
– os diâmetros e velocidades a serem observados nos projetos 
(diâmetros muito pequenos perdem muita carga; diâmetros muito 
grandes possibilitam a ocorrência de circulações internas, por 
convecção); 
– a perda de calor, vale dizer, perda de energia, cuja conservação vem 
motivando estudos cada vez mais cuidadosos em todos os campos do 
conhecimento humano. 
 
• As instalações prediais de água quente vêm sendo 
cada vez mais encaradas como sistema, englobando 
desde a geração de calor, a armazenagem de água 
quente até o sistema distribuidor. 
 
• A escolha da concepção a ser adotada, envolve a fonte 
de calor (elétrica, gás e solar são as mais comuns), os 
materiais dos aquecedores, reservatórios e rede 
distribuidora, os diâmetros, os volumes e a localização 
dos diversos componentes no prédio. 
 
• As instalações de água quente se classificam em: 
– Industriais: são instalações específicas e relacionadas com 
os equipamentos a que se destinam, por meio dos quais se 
estabelecem as características técnicas quanto ao 
consumo, pressão e temperatura. 
– Prediais: englobam a alimentação das peças de utilização e 
devem ser desenvolvidas com base nas prescrições 
constantes da NBR 7198:1993 - Instalações prediais de 
água quente. 
 
• O abastecimento de água se faz através de tubulações 
independentes das de água fria, e pode ser realizado 
pelos sistemas: 
– Aquecimento central coletivo: alimentando conjuntos de 
aparelhos de várias unidades, por exemplo, prédios, 
hospitais, hotéis, escolas, quartéis e outros; 
– Aquecimento central privado: alimentando vários aparelhos 
de uma só unidade, por exemplo, residências e 
apartamentos; 
– Aquecimento individual: alimentando um só aparelho, por 
exemplo, chuveiro elétrico. 
 
Dimensionamento dos 
Aquecedores 
• A Tabela 5.3 relaciona o consumo diário a 70ºC com a 
capacidade do aquecedor. 
 
• A estimativa de consumo de água quente depende do 
clima e também do tipo da edificação a que se 
destina. 
• Com base nas condições climáticas e nos padrões 
usuais de higiene do Brasil, tem sido usual prever, para 
o dimensionamento dos aquecedores, os consumos 
de água quente constantes da Tabela 5.2. 
• No entanto, para uso pessoal nas instalações prediais, 
a água não é utilizada a 70ºC, mas sim misturada com 
água fria. É para tal condição que o aquecedor deverá 
ser dimensionado. A Tabela 5.4 mostra um balanço da 
mistura para um prédio de apartamentos. 
Dimensionamento das 
canalizações 
Vazões das peças de utilização 
Para o dimensionamento das canalizações é necessário o conhecimento das 
vazões e pesos relativos de cada peça de utilização. 
Critério adotado pelo 
autor, tendo em vista 
que eventualmente o 
sistema de água quente 
poderá funcionar como 
sistema de água fria. A 
NBR 7198:1993 não 
estabelece pesos 
relativos para as peças 
de utilização. 
Segundo a NBR 7198:1993, excetuando-se os casos 
especiais, deve-se admitir para o dimensionamento das 
canalizações o funcionamento não simultâneo de todas 
as peças de utilização por elas alimentadas. Para a 
estimativa das vazões recomenda-se a aplicação da 
expressão: 
 
onde: 
Q = Vazão [l/s] 
C = Coeficiente de descarga = 0,30 l/s 
P = soma dos pesos correspondentes de todas as 
peças, ligadas à canalização, suscetíveis de utilização 
simultânea. 
 
 PCQ
Pressões 
• No que diz respeito às pressões mínimas de serviço, recomenda-
se atender ao descrito para as instalações de água fria. 
Velocidade máxima 
• A velocidade nas canalizações não deve ultrapassar o limite 
superior de 3 m/s estabelecido pela NBR 7198:1993. 
Perda de carga 
• Conforme foi visto no Item 2.5.2 do Capítulo 2, existem várias 
fórmulas empíricas para se calcular a perda de carga. 
• Embora essa perda seja menor ao se escoar a água quente, 
alguns projetistas utilizam, para esse fim, as mesmas fórmulas 
destinadas à água fria. 
• Os resultados obtidos deixam o cálculo a favor da segurança. 
 
 
Tipos de tubulações 
Cobre 
• excelente resistência à corrosão interna e externa (*); 
• boas características de fluxo à água; 
• baixos custos de manutenção; 
• boa ductilidade e durabilidade; 
• facilidade de emendas e soldas; 
• baixo peso comparado com outros materiais. 
(*) Isto não significa que sejam imunes à corrosão; observe a qualidade da 
água a ser transportada em cada caso. 
 
Aço-carbono galvanizado 
• disponibilidade no mercado; 
• resistência à corrosão questionável em instalações de água 
quente; 
• fácil manejo. 
 
CPVC (*) 
• resistência à corrosão e à oxidação; 
• boas características de fluxo à água; 
• grande durabilidade e leveza; 
• dispensa o uso de isolamento térmico; 
• facilidade de instalação; 
• soldagem a frio; 
• baixos custos de aplicação. 
(*)Limites de aplicação, quanto à temperatura: 60 m H2O conduzindo água a 
80o C; 240 m H2O conduzindo água a 20
o C. Referência: linha Aquatherm 
Tigre 
 
• Outros materiais vêm surgindo no mercado brasileiro, mas sua utilização 
ainda não se generalizou, ficando restrita a empreendimentos especiais, 
tais como o polietileno de alta densidade (PAD), o polietileno reticulado 
(PEX), o polipropileno (PP) e sua variação, denominada PPR. O leitor deve 
se inteirar a respeito desses materiais. Do ponto de vista dos cálculos 
hidráulicos, o formulário e os procedimentos apresentados neste livro são 
suficientes para sua utilização. 
• PPR: Trata-se do denominado Polipropileno Copolímero Random Tipo 3, 
produzido por um fabricante nacional. Suas juntas são efetuadas por 
termofusão. 
 
• Os fatores que devem ser considerados no 
estudo econômico são: 
– Preço dos tubos 
– Preço de instalação e montagem 
– Continuidade do fornecimento na obra 
– Mão de obra disponível 
– Transporte 
– Perda de calor 
– Facilidade de execução de reparos. 
 
Dilatação 
 As instalações de água quente, em função das 
tensões internas, provocam empuxos nas 
tubulações que, mesmo para as variações usuais 
de temperatura, podem atingir valores 
consideráveis e causar danos às instalações. 
 
Para quantificar a ordem das grandezas envolvidas, considere uma 
tubulação de 30 m de comprimento e D = 1 ½”, submetida a uma 
variação de temperatura de 55ºC. A dilatação resultante conforme 
seja o material empregado, por exemplo de cobre e de aço 
galvanizado, será respectivamente: 
 
Coeficiente de dilatação do cobre: 1,7 x 10-5/(m.ºC) 
Dilatação do cobre: 1,7 x 10-5 x 30 x 55 = 0,03 m 
 
Coeficiente de dilatação do aço 1,2 x 10-5/(m.ºC) 
Dilatação do aço 1,2 x 10-5 x 30 x 55 = 0,02 m 
 
Portanto, cuidados especiais devem ser observados para permitir 
que as dilatações ocorram livremente. 
 
Um desses recursos, denominado loop, consiste em 
introduzir na tubulação um tipo de traçado que absorvao 
seu efeito. A Tabela 5.6 mostra o arranjo e dimensão para 
a sua implantação. Ilustrando a especificação de um loop 
para as tubulações recém consideradas, teremos, ao 
admiti-las com o diâmetro externo de 1 5/8”: 
 
Dilatação com cobre 0,03 m = 1,5 polegada 
Loop com cobre pela Tabela 5.6 L = 33 in = 84 cm 
 
Dilatação com aço 0,02 m = 1 polegada 
Loop com aço pela Tabela 5.6 L = 18 in = 46 cm 
 
Dilatação com cobre 0,03 m = 1,5 polegada 
Loop com cobre pela Tabela 5.6 L = 33 in = 84 cm 
Dilatação com aço 0,02 m = 1 polegada 
Loop com aço pela Tabela 5.6 L = 18 in = 46 cm 
Isolamento Térmico 
• A utilização do isolamento se mostra importante porque propicia: 
– economia de energia: se as perdas térmicas são minimizadas, a 
necessidade de geração de calor é reduzida. 
– conforto: mantém a temperatura desejável desde o coletor solar até o 
ponto de uso da instalação. 
– estabilidade das estruturas: a redução do fluxo de calor para o reboco 
impede a ocorrência de trincas, descolamento de pastilhas e outros 
revestimentos. 
• Bons isolantes possuem: 
– Baixos valores de condutibilidade térmica 
– Baixa densidade 
– Higroscopia nula 
– Estabilidade química 
– Resistência mecânica compatível com a sua utilização 
– Imunidade a altas diferenças de temperatura 
– Além disto, devem ser inodoros, imputrescíveis e com alto ponto de 
fusão 
 
• As mais novas tecnologias em isolamento de 
tubulações em instalações prediais referemse ao uso 
de espumas flexíveis elastoméricas de células 
fechadas, especificamente desenvolvidas para 
instalações de aquecimento e sanitárias. 
• Para tubulações que ainda não foram instaladas, o 
isolamento pode ser feito através do uso de 
coquilhas que são embutidas previamente na 
tubulação, exigindo um rigoroso controle 
dimensional no processo de produção. 
• Representados pela fibra de vidro e pela lã de rocha, tem 
como características básicas a leveza e a resiliência, isto é, 
admitem compressão sem deformação permanente e não 
atacam as superfícies com as quais estão em contato. São 
incombustíveis e oferecem boa resistência a aplicações e ao 
manuseio. Para o uso em instalações prediais são 
conformados em tubos bi-partidos tipo calha. 
• A utilização de isolantes fibrosos requer proteção 
contra choques mecânicos e agentes externos. Os 
revestimentos mais utilizados são alumínio 
corrugado, chapa de alumínio liso, chapa de aço 
galvanizado ou galvanizado pré-pintado 
• Basicamente esses materiais são representados pela vermiculita 
expandida, que pode utilizada como flocos ou como concreto leve 
preparado na proporção de cinco partes vermiculita para uma parte de 
cimento. 
• A vermiculita, como concreto leve, destaca-se pela facilidade de aplicação 
no isolamento térmico de tubos embutidos em paredes, bastando apenas 
executar um rasgo para colocação do tubo, com uma folga perimetral de 
2cm, e preencher todo o vazio com vermiculita. Após esse procedimento, 
executa-se o acabamento convencional. 
Exercício Resolvido 01 
Dimensionar a instalação de água quente para um banheiro situado no último pavimento 
de um prédio de 10 andares, como mostrado na Figura 5.1. São dados: 
 
• número de usuários em 
cada pavimento: 4 
 
• material das 
tubulações: Aço 
carbono galvanizado 
 
• altura do pé direito: 3 m 
Resolução: 
Aquecedor elétrico 
 Pela Tabela 5.4, o consumo diário por pessoa de água quente a 70ºC, necessária para 
ser obtida uma mistura na temperatura média de 43ºC, é de 29 litros. Logo, o 
consumo total de água quente para cada apartamento será: 
 
4 pessoas x 29 litros /(pessoa . dia) = = 116 litros/dia 
 
• Pela Tabela 5.3 o consumo diário acima mais próximo é o de 130 litros e 
corresponde a um aquecedor de 100 litros de capacidade. 
 
A título de exemplo, considere-se que dado fabricante de aquecedores elétricos de 
acumulação produza equipamentos desse tipo com os seguintes limites de aplicação, 
quanto às pressões que podem suportar: 
 
Aquecedor de baixa pressão: Pressão limite = 2 kgf/cm2, equivalente a 20 m H2O 
Aquecedor de alta pressão: Pressão limite = 4 kgf/cm2, equivalente a 40 m H2O 
 
Sendo 6 m o desnível entre a saída da caixa d’água e o 10º pavimento, o 
posicionamento do aquecedor acima do piso de aproximadamente 2,6 m e o pé 
direito de 3 m, a coluna estática corresponde ao 5º pavimento será: 
 
(6 m – 2,6 m) + (5 andares x 3 m) = 18,40 m 
 
Assim sendo, será possível utilizar aquecedores de baixa pressão desse pavimento 
para cima. Observe que no 4º pavimento a pressão estática já corresponderá a: 
 
18,40 m + 3 m = 21,40 m 
 
 
Serão utilizados, portanto: 
 
1º ao 4º pavimento: aquecedor de alta pressão 
 
5º ao 10º pavimento: aquecedor de baixa pressão 
 
Diâmetros das Canalizações 
 
Organizando os cálculos em forma de 
tabelas, teremos: 
 
Calculo das perdas de carga 
 Será utilizada a Fórmula Universal (Darcy-
Weisbach), em sua forma simplificada, ver 
Item 2.5.2 do Capítulo 2. As perdas de carga 
localizadas serão calculadas pelo método dos 
comprimentos virtuais, vide Item 2.5.3 do 
mesmo capítulo. Como toda a canalização e 
conexões são de aço carbono galvanizado, o 
coeficiente da fórmula, pela Tabela 2.1 no seu 
valor máximo, será: 
  = 0,0023 
 
Trecho 9-8 
Para o diâmetro (1 1/4" = 0,0315 m), o comprimento equivalente será: 
1 entrada de Borda 0,90 
1 registro de gaveta aberto 0,20 
2 cotovelos 90º 2,34 
1 tê saída lateral 1,71 
tubos = (36 – 33) + 10 + (33 – 32,33) 13,67 
 
L [m] 18,82 
 
Então, para a vazão (0,85 l/s = 0,00085 m3/s), o trecho apresentará a seguinte 
perda de carga: 
 
mhf 01,182,18
0315,0
00085,0
0023,0
5
2
8,9 
Calculo das perdas de carga 
 Será utilizada a Fórmula Universal (Darcy-
Weisbach), em sua forma simplificada, ver 
Item 2.5.2 do Capítulo 2. As perdas de carga 
localizadas serão calculadas pelo método dos 
comprimentos virtuais, vide Item 2.5.3 do 
mesmo capítulo. Como toda a canalização e 
conexões são de aço carbono galvanizado, o 
coeficiente da fórmula, pela Tabela 2.1 no seu 
valor máximo, será: 
  = 0,0023 
 
Trecho 8-7 
Para o diâmetro (3/4” = 0,0191 m): 
1 registro de gaveta aberto 0,10 
1 tê de passagem direta 0,12 
1 saída de canalização 0,50 
tubos conforme mostrado 0,60 
 
L [m] 1,32 
 
Então, para a vazão (0,27 l/s = 0,00027 m3/s) o trecho apresentará a 
seguinte perda de carga: 
 
mhf 09,032,1
0191,0
00027,0
0023,0
5
2
7,8 
Calculo das perdas de carga 
 Será utilizada a Fórmula Universal (Darcy-
Weisbach), em sua forma simplificada, ver 
Item 2.5.2 do Capítulo 2. As perdas de carga 
localizadas serão calculadas pelo método dos 
comprimentos virtuais, vide Item 2.5.3 do 
mesmo capítulo. Como toda a canalização e 
conexões são de aço carbono galvanizado, o 
coeficiente da fórmula, pela Tabela 2.1 no seu 
valor máximo, será: 
  = 0,0023 
 
Ramal 6-5 
Para o diâmetro (3/4” = 0,0191 m): 
1 entrada normal 0,20 
1 tê passagem direta 0,12 
2 cotovelos 90º 1,40 
tubos = 0,60 + (32,60 – 30,60) + 0,60 3,20 
 
L [m] 4,92 
 
Então, para a vazão (0,27 l/s = 0,00027 m3/s), o trecho apresentará a 
seguinte perda de carga: 
 
mhf 32,092,4
0191,0
00027,0
0023,0
5
2
5,6 
Calculo das perdas de carga 
 Será utilizada a Fórmula Universal (Darcy-
Weisbach), em sua forma simplificada, ver 
Item 2.5.2 do Capítulo 2. As perdas de carga 
localizadas serão calculadas pelo método dos 
comprimentos virtuais, vide Item 2.5.3 do 
mesmo capítulo. Como toda a canalização e 
conexões são de aço carbono galvanizado, o 
coeficiente da fórmula, pela Tabela 2.1 no seuvalor máximo, será: 
  = 0,0023 
 
Ramal 5-3 
 
Para o diâmetro (3/4” = 0,0191 m): 
1 tê passagem direta 0,12 
tubos conforme mostrado 0,70 
 
L [m] 0,82 
 
Então, para a vazão (0,21 l/s = 0,00021 m3/s), o trecho apresentará a seguinte perda de 
carga: 
 
mhf 03,082,0
0191,0
00021,0
0023,0
5
2
3,5 
Calculo das perdas de carga 
 Será utilizada a Fórmula Universal (Darcy-
Weisbach), em sua forma simplificada, ver 
Item 2.5.2 do Capítulo 2. As perdas de carga 
localizadas serão calculadas pelo método dos 
comprimentos virtuais, vide Item 2.5.3 do 
mesmo capítulo. Como toda a canalização e 
conexões são de aço carbono galvanizado, o 
coeficiente da fórmula, pela Tabela 2.1 no seu 
valor máximo, será: 
  = 0,0023 
 
Ramal 3-1 
 
Para o diâmetro (1/2” = 0,0127 m): 
1 tê passagem direta 0,08 
2 cotovelos 90º 0,94 
1 registro globo aberto 4,90 
tubos = 1,00 + (32,10 – 30,60) 2,50 
 
L [m] 8,42 
 
Então, para a vazão (0,19 l/s = 0,00019 m3/s), o trecho apresentará a seguinte 
perda de carga: 
 
mhf 12,242,8
0127,0
00019,0
0023,0
5
2
1,3 
Perda de Carga Total: 
 
Ramal 9-8 ( 1 1/4”) 1,01 
Ramal 8-7 ( 3/4”) 0,09 
Ramal 6-5 ( 3/4”) 0,32 
Ramal 5-3 ( 3/4”) 0,03 
Ramal 3-1 ( 1/2”) 2,12 
 
hf [m] 3,57 
Verificação das Pressões Disponíveis 
 
Será feita para o chuveiro e, evidentemente, o ponto mais 
desfavorável. Conforme vimos (vide item 3.8.2 do Capítulo 3): 
 
Em qualquer caso, a pressão não deve ser inferior a 10 kPa, com 
exceção do ponto da caixa de descarga onde a pressão pode ser 
menor que esse valor, até um mínimo de 5 kPa, e do ponto da 
válvula de descarga para bacia sanitária onde a pressão não 
deve ser inferior a 15 kPa. 
 
 Portanto: 
 
pressão mínima no chuveiro 10 kPa = 1,0 mH2O 
 
pressão mínima no chuveiro: 10 kPa = 1,0 mH2O 
 
O seu desnível geométrico até a saída da caixa 
d’água totaliza: 36,00 – 32,10 = 3,90 m 
 
Para ser disponível a pressão mínima requisitada, as 
perdas não deverão ultrapassar: 
 
total admissível de perda: 3,90 – 1,00 = 2,90 m 
 
Como a perda de carga existente é maior que a 
admissível, ou seja: 
 
3,57 m > 2,90 m 
 
não haverá pressão para o seu funcionamento. A 
solução será revisar o diâmetro de algum(ns) sub 
ramal(is). Iniciando essa revisão pelo ponto 
conectado diretamente ao crivo do chuveiro, vem: 
 
Revisão ramal 3-1 
 
Aumentando o seu diâmetro para (3/4” = 0,019 
m), o comprimento equivalente será: 
1 tê passagem direta 0,12 
2 cotovelos 90º 1,40 
1 registro globo aberto 6,70 
tubos (sem alteração) 2,50 
 
L [m] 10,72 
 
Então, para a vazão (0,20 l/s = 0,00019 m3/s), o 
trecho apresentará, agora, a seguinte perda de 
carga: 
 
mhf 35,072,10
0191,0
00019,0
0023,0
5
2
8,9 
Revisão da Perda de Carga Total 
 
3,57 – 2,12 + 0,35 = 1,72 m 
 
Essa perda de carga é inferior à máxima a admissível (2,90 m). Portanto, os diâmetros 
anteriores serão os adotados no projeto. Ao ser desenvolvido o restante do cálculo, se no 9º 
pavimento os diâmetros inicialmente calculados se mostrarem adequados para os ramais 
revisados, também o serão para os demais andares 
Termosifão 
A Figura 5.2 mostra um 
sistema supridor de água 
quente, que utiliza uma 
fonte de calor ligada a um 
reservatório de água quente, 
através de tubulação 
adequada. A fonte de calor 
pode ser, por exemplo, um 
coletor solar ou uma 
serpentina de fogão a lenha, 
ou um aquecedor a óleo ou 
a gás. O reservatório de água 
quente é pressurizado, 
sendo abastecido a partir de 
um reservatório de água fria, 
não pressurizado. Observe a 
existência do suspiro na 
saída de água quente, que 
evita o acúmulo de vapores 
no reservatório de água 
quente. 
 
Sempre que possível, especialmente em sistemas de aquecimento solar 
destinados a residências, projetamos as instalações de modo a propiciar a 
ocorrência do termossifão. Entretanto, muitas vezes isto não é possível, devido 
às vazões e distâncias a serem vencidas. Em tais casos, a movimentação da água 
deve ser forçada, utilizando bombas de recirculação, ver Figura 5.3. 
Aquecimento Solar 
•O desnível mínimo entre o fundo do reservatório de água quente e o topo dos coletores (A) deve 
ser de 30 centímetros. 
•O desnível entre o topo do reservatório de água fria e o fundo do reservatório de água quente (B) 
não poderá ultrapassar a pressão máxima admissível do equipamento. Verifique este valor com o 
fabricante do equipamento. 
•A distância horizontal entre o reservatório de água quente e os coletores solares (C) deverá ser no 
máximo 5 metros (caso contrário, o termossifão ficará prejudicado e poderá ser necessário utilizar a 
recirculação através de bombeamento). 
•O suspiro (D) deverá ser ultrapassar o nível d’água máximo no interior do reservatório de água fria 
em 1 metro. 
Aquecedor a gás, do tipo de passagem 
Aquecedor a gás, do tipo de acumulação