Aula 3 - Escoamento em Condutos Forçados Simples 2

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TIM III - Ibrahim Abdallah Daura Neto
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Hidráulica Geral – 4º Período
Ibrahim A. Daura Neto
Centro Universitário do Cerrado – UNICERP Escola de Engenharia Curso de Engenharia Civil
ESCOAMENTO EM CONDUTOS 
FORÇADOS SIMPLES
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TIM III - Ibrahim Abdallah Daura Neto
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Os fabricantes disponibilizam tubos de PVC ou ferro fundido, com diâmetros diferenciados. Os diâmetros são designados pelo diâmetro nominal DN, mas as velocidades e vazões são calculadas pelos diâmetros internos;
Para cada diâmetro temos uma velocidade máxima, pois sabemos que UMÁX = 0,6 + 1,5D;
De posse da área do tubo, e da velocidade máxima da água neste tubo, obtemos a vazão máxima do tubo.
Pré-dimensionamento de canalizações
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Pré-dimensionamento de canalizações
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Devido principalmente à topografia dos terrenos, os condutos podem estar totalmente abaixo, coincidentes ou acima, em alguns pontos, da linha piezométrica;
Por uma questão de segurança, nos projetos de adutoras, normalmente adota-se um traçado de tubulação totalmente abaixo da linha piezométrica, ou coincidente com esta.
Traçado de Condutos
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Traçado de Condutos
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Tubulação totalmente abaixo da linha piezométrica:
A pressão na tubulação é maior que a pressão atmosférica em todo o seu perfil (conduto forçado);
Dimensionamento pelas fórmulas vistas anteriormente;
Situação garante o escoamento contínuo;
Pontos altos da tubulação: tendência de acumulação de ar proveniente do ar dissolvido na água. Caso não seja retirado, o ar pode causar interrupção do fluxo. Nestes pontos altos, devem ser instalados equipamentos para remoção de ar (ventosas).
Traçado de Condutos
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Tubulação totalmente abaixo da linha piezométrica:
Ventosas: aparelhos dotados de flutuadores que acompanham o nível d’água. Quando o nível da água desce, o niple de descarga se abre permitindo a passagem de ar. Se o nível sobe, o flutuador também sobe, vedando o niple de descarga;
As tubulações devem ser assentadas com inclinações diferentes de zero, para que o ar se concentre nos pontos altos e possa ser retirado pelas ventosas;
Nos pontos baixos da tubulação, devem ser instaladas descargas, destinadas ao esvaziamento da tubulação para manutenção.
Traçado de Condutos
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Traçado de Condutos
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Tubulação coincidente com a linha piezométrica:
Conduto tem escoamento livre e é denominado de conduto livre ou canal;
Dimensionamento será visto posteriormente.
Traçado de Condutos
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Traçado de Condutos
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Tubulação corta a linha piezométrica:
O trecho da tubulação situado acima da linha piezométrica fica sujeito a pressões negativas. Isto pode ocasionar a contaminação da água no caso de rompimento neste local;
Nesta situação, a melhor solução é a construção de uma caixa de transição no ponto mais alto da tubulação, de maneira a alterar a posição da linha piezométrica, ficando a tubulação totalmente abaixo dela.
Traçado de Condutos
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Traçado de Condutos
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Tubulação corta a linha piezométrica e o plano de carga estático:
Neste caso, a água não atinge naturalmente o trecho situado acima do nível d’água (NA) do reservatório;
O escoamento só é possível após o enchimento da tubulação (funcionamento de sifão).
Traçado de Condutos
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Traçado de Condutos
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Tubulação corta a linha piezométrica absoluta:
O escoamento por gravidade é impossível;
O fluxo só é possível se no início da tubulação for instalada uma bomba para impulsionar o líquido até o ponto mais alto da tubulação.
Traçado de Condutos
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Definição: obstrução do escoamento causado por bolhas de ar. Estas bolhas são formadas pelo próprio ar dissolvido na água que se desprende do líquido, quando a pressão é reduzida à pressão de vapor;
As bolhas tendem a aumentar de tamanho com o crescimento da liberação de ar, tornando a vazão intermitente, podendo até mesmo interrompê-la se a bolha ocupar toda a seção do tubo;
Deve ser dada especial atenção aos tubos ascendentes de mesmo diâmetro. Pela equação de Bernoulli podemos calcular a pressão na seção 2 e compará-la com a pressão de vapor. Assim, saberemos se haverá ou não separação da coluna líquida.
Separação da Coluna Líquida
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Separação da Coluna Líquida
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Definição: fenômeno de vaporização de um líquido pela redução da pressão durante seu movimento, e posterior colapso das bolhas pelo aumento da pressão;
As bolhas de pressão que se formam no escoamento devido à região de baixa pressão, serão carregadas e podem chegar a uma região em que a pressão cresça novamente a um valor superior à pressão de vapor. Então ocorrerá o colapso das bolhas, que produz choque entre as partículas fluidas e danifica a parede do conduto, reduzindo a capacidade do escoamento;
Tubo Venturi: aparato para medir a velocidade do escoamento através da variação da pressão.
Cavitação
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Cavitação
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A cavitação pode ocorrer em regiões sujeitas a turbulências que geram alta velocidade de rotação e conseqüente queda de pressão, como nos vertedores de barragens. As válvulas estão também muito sujeitas a este tipo de problema, pois normalmente são usadas para causar queda de pressão;
Os efeitos da cavitação podem ser percebidos através do barulho provocado pelas implosões das bolhas (pode chegar a 100 db em válvulas de grande porte);
Podem ocorrer problemas nos acoplamentos e nas ancoragens, bem como fadiga e falha estrutural.
Deve-se especificar material para o aparelho mais resistente à erosão causada pela cavitação.
Cavitação
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Transiente hidráulico: o escoamento varia com o tempo;
Quando ocorre uma mudança rápida na velocidade do escoamento, uma onda de pressão é criada e percorre a tubulação à velocidade do som. O choque violento das ondas de pressão sobre as paredes do conduto e o som deste, semelhante ao vaivém de um aríete, fez com que o transiente hidráulico fosse também conhecido como golpe de aríete;
Soluções possíveis: aumento do tempo de abertura e/ou fechamento das válvulas, aumento da espessura da tubulação, redução da velocidade da onda pela mudança do tipo de tubo ou injeção de ar.
Transiente Hidráulico - Golpe de Aríete
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Referências Biliográficas
BAPTISTA, M. B.; LARA, M. Fundamentos de Engenharia Hidráulica. Belo Horizonte, Editora UFMG e Escola de Engenharia da UFMG, 2a Edição Revisada, 2003, 440p.