Hidráulica ESA024A Prof. Celso Parte 2.0

Prévia do material em texto

Hidráulica Geral - Prof. Celso Bandeira de 
Melo Ribeiro
3/21/2017
ESA-024A - Departamento de Engenharia 
Sanitária e Ambiental - UFJF 1
Hidráulica Geral (ESA024A)
Parte 2 – Escoamento Forçado Simples
Prof. Celso Bandeira de Melo Ribeiro
Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental
Capítulo 2 
Escoamento em Conduto Forçado Simples
Conceito
Condutos forçados são tubulações em que a pressão interna é
diferente da atmosférica.
P ≠ Patm
P < Patm Sucção
P > Patm Adução
Exemplos:
-Adutoras
-Interligações entre reservatórios
-Redes de distribuição de água
-Instalações prediais de água 
-Tubulações de sucção e recalque de bombas
-Condutos que alimentam as turbinas nas usinas hidrelétricas, 
dentre outros
Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA
Prof. Celso Bandeira de Melo Ribeiro
Velocidades recomendadas para 
Escoamentos Forçados
É importante, no pré-dimensionamento das canalizações,
verificar se a velocidade de escoamento está dentro da faixa
recomendada.
Velocidades Recomendadas
Para Sistemas de Abastecimento de Água: 
Para Instalações Hidráulicas Prediais (NBR 5626/98): Umáx ≤ 3,0 m/s
Umáx = 0,6 + 1,5.D ou U ≤ 3,5 m/s
Onde: D é o diâmetro interno da tubulação (m).
Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA
Prof. Celso Bandeira de Melo Ribeiro
Hidráulica Geral - Prof. Celso Bandeira de 
Melo Ribeiro
3/21/2017
ESA-024A - Departamento de Engenharia 
Sanitária e Ambiental - UFJF 2
Consequencias de Velocidades 
Baixas e Altas
Velocidades Baixas: (U < 0,6 m/s)
Consequencias:
Velocidades Altas: (U >>> 3,5 m/s)
Consequencias:
- Incrustações
- Retenção de ar na tubulação
- Baixa eficiência de escoamento 
para remoção de ar e outras 
partículas
Área
Vazão
Perda de Carga
- Podem provocar cavitação 
- Podem agravar o golpe de aríete
- Aumentam a perda de carga Bolhas formadas pelo próprio ar dissolvido no líquido que se desprende
quando a pressão é reduzida. Estas bolhas podem implodir pela ação
da pressão externa. Este colapso produz choque entre as partículas
fluidas e danifica a parede do conduto reduzindo assim a capacidade
de escoamento.
Venturi
Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA
Prof. Celso Bandeira de Melo Ribeiro
Fonte: Azevedo Netto – Manual de Hidráulica - 1998
Pré-dimensionamento
• Conforme apresentado, a velocidade de escoamento constitui um elemento importante para o pré-
dimensionamento das tubulações;
• O pré-dimensionamento realizado a partir do critério de vazão máxima permite a escolha do menor
diâmetro possível e, consequentemente, o mais econômico.
• Vale ressaltar que o dimensionamento só estará completo após a verificação das pressões
disponíveis.
DN DE (mm) DI (mm) Umáx (m/s) Qmáx (l/s)
50 60 54,6 0,68 1,6
75 85 77,2 0,72 3,4
100 110 100,0 0,75 5,9
150 170 156,4 0,83 16,0
200 222 204,2 0,91 29,7
250 274 252,0 0,98 48,8
300 326 299,8 1,05 74,1
400 429 394,6 1,19 145,8
500 532 489,4 1,33 251,0
Umáx = 0,6 + 1,5.D
D = diâmetro (m)
U = velocidade (m/s)Pode variar em função na natureza do conduto
Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA
Prof. Celso Bandeira de Melo Ribeiro
Traçado dos Condutos
Devido à topografia dos terrenos a tubulação pode estar
totalmente abaixo, coincidente ou acima, em alguns pontos, da
linha piezométrica.
Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA
Prof. Celso Bandeira de Melo Ribeiro
Hidráulica Geral - Prof. Celso Bandeira de 
Melo Ribeiro
3/21/2017
ESA-024A - Departamento de Engenharia 
Sanitária e Ambiental - UFJF 3
Traçado dos Condutos
Traçado 1 (Tubulação totalmente abaixo da Linha Piezométrica)
- Conduto forçado (P/δ > Patm) em todo o seu perfil;
- Cuidados especiais nos pontos altos  Instalação de ventosas para retirar o ar acumulado, proveniente, 
normalmente do ar dissolvido na água e do processo de enchimento da linha, que se não for retirado pode 
causar interrupção do fluxo;
- Cuidados especiais nos pontos baixos  Instalação de válvulas de descarga para promover a limpeza 
da tubulação.
Conduto forçado. Pode ser dimensionado com as 
equações de perda de carga apresentadas
OBS: Recomendado para 
instalação de adutoras por 
questões de segurança
Neste caso em qualquer ponto do
conduto a pressão será positiva e a
vazão de escoamento será igual a de
projeto.
Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA
Prof. Celso Bandeira de Melo Ribeiro
Traçado dos Condutos
Traçado 2 (Tubulação coincide com a Linha Piezométrica Efetiva)
- Tubulação funciona como conduto livre (P = Patm)  também, neste caso, a vazão será normal, ou seja, 
igual à calculada.
OBS: Um orifício na geratriz superior dos tubos não provocaria a saída da água.
Na prática, deve-se procurar executar as canalizações segundo uma das duas posições
estudadas. Sempre que a canalização cortar a linha de carga efetiva, as condições de
funcionamento não serão satisfatórias. Por isso, nos casos em que for impraticável manter a
canalização sempre abaixo daquela linha, cuidados especiais deverão ser tomados.
Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA
Prof. Celso Bandeira de Melo Ribeiro
Traçado dos Condutos
Traçado 3 (Tubulação corta a LPE, mas fica abaixo do PCE – Plano
de Carga Estático)
OBS: Entre os pontos A e B  P/δ < Patm Difícil evitar as bolsas de ar
(Risco de contaminação  pelas juntas ou caso ocorra rompimento neste local)
Ventosas comuns seriam prejudiciais, porque, nesses pontos, a pressão é inferior à atmosférica.
É um caso de sifão verdadeiro que necessita de escorva (remoção do ar acumulado por dispositivos
mecânicos).
Alternativa recomendável é construir uma caixa de transição (Reservatório) no ponto mais alto da
tubulação de forma a alterar a posição da linha piezométrica, ficando toda a tubulação abaixo da Linha
Piezométrica, sujeita a pressões positivas somente, como no traçado 1.
OBS: O acúmulo de ar 
formando bolhas, reduz 
a vazão escoada, ou 
seja, o escoamento 
torna-se irregular.
Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA
Prof. Celso Bandeira de Melo Ribeiro
Hidráulica Geral - Prof. Celso Bandeira de 
Melo Ribeiro
3/21/2017
ESA-024A - Departamento de Engenharia 
Sanitária e Ambiental - UFJF 4
Traçado dos Condutos
Traçado 4 (Tubulação corta a LPE e o PCE – Plano de Carga
Estático)
- Trata-se de um sifão funcionando em condições precárias, exigindo escorva sempre que entrar ar na 
canalização.
-A água não atinge naturalmente, por gravidade, o trecho acima do nível da água no reservatório R1
-O escoamento só é possível após o enchimento da tubulação.
-O escoamento é precário neste caso.
Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA
Prof. Celso Bandeira de Melo Ribeiro
Traçado dos Condutos
Traçado 5 (Tubulação corta Linha Piezométrica Absoluta)
- Trata-se de um sifão funcionando nas piores condições possíveis. 
- Impossível o escoamento por gravidade.
- O fluxo só é possível se for instalada uma bomba para impulsionar o líquido até o ponto mais alto da 
tubulação.
Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamentode Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA
Prof. Celso Bandeira de Melo Ribeiro
Problema II.1
a) Determinar o diâmetro que a adutora representada acima deverá ter para
transportar a vazão de 10 l/s, sabendo-se que será construída em PVC.
Desprezar as perdas de carga localizadas.
b) Determinar a vazão e velocidades efetivas.
c) Qual deveria ser a perda de carga localizada (hfLoc) para que a vazão seja Q =
10 l/s?
Dado: PVC  C = 140
Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA
Prof. Celso Bandeira de Melo Ribeiro
Hidráulica Geral - Prof. Celso Bandeira de 
Melo Ribeiro
3/21/2017
ESA-024A - Departamento de Engenharia 
Sanitária e Ambiental - UFJF 5
Problema II.2
Verificar na adutora que interliga o reservatório R1 ao R2, cujo
perfil é mostrado na figura a seguir (sifão), se existe a
possibilidade de separação da coluna líquida, quando esta
transporta 280 l/s, conhecendo-se as seguintes características da
adutora:
. Comprimentos: LAC = 2000 m; LCD = 200 m; LDE = 200 m; LEB = 2500 m
. Diâmetro: D = 600 mm
. Coeficiente de atrito: f = 0,015
. Temperatura da água ≈ 20ºC 
Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA
Prof. Celso Bandeira de Melo Ribeiro
Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA
Prof. Celso Bandeira de Melo Ribeiro
Problema II.3
Uma tubulação de PVC de 1.100 m de comprimento e 100 mm de
diâmetro interliga os reservatórios R1 e R2. Os níveis de água dos
reservatórios R1 e R2 estão nas cotas 620 m e 600 m,
respectivamente. Considerando desprezível as perdas de carga
localizadas e a temperatura da água igual à 20oC, calcular a vazão
escoada utilizando a fórmula universal de perdas de carga.
Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA
Prof. Celso Bandeira de Melo Ribeiro
Hidráulica Geral - Prof. Celso Bandeira de 
Melo Ribeiro
3/21/2017
ESA-024A - Departamento de Engenharia 
Sanitária e Ambiental - UFJF 6
Problema Proposto 4
Dois reservatórios deverão ser interligados por uma tubulação de ferro fundido
(C = 130), com um ponto alto em “C”. Desprezando as perdas de carga
localizadas e a parcela de energia cinética, pede-se determinar:
a) O menor diâmetro comercial para a tubulação BD capaz de conduzir uma
vazão de 70 l/s, sob a condição de carga de pressão na tubulação igual ou
superior a 2,0 m.
b) A perda de carga adicional fornecida por uma válvula de controle de vazão,
a ser instalada próximo ao ponto D, para regular a vazão em 70 l/s,
exatamente.
Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA
Prof. Celso Bandeira de Melo Ribeiro
Problema Proposto 5
Na tubulação apresentada a seguir, de diâmetro 150 mm, a pressão no ponto
“A” vale 25 mca. Qual deve ser a vazão na tubulação para que a pressão no
ponto “B” seja de 17 mca? O material do tubo é aço novo (C = 130).
Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA
Prof. Celso Bandeira de Melo Ribeiro