Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitria e

Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental Hidráulica Geral (ESA 024 A) Prof. Homero Soares 2º semestre 2012 Terças de 10 às 12 h Quintas de 08 às 10 h

Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Faculdade de Engenharia Prof. Homero Soares 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 usinas hidrelétricas, dentre outros

Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Faculdade de Engenharia Prof. Homero Soares Velocidades recomendadas: Escoamentos Forçados Pré-dimensionamento das canalizações: Velocidade de escoamento: faixa recomendada. Velocidades Recomendadas Para Sistemas de Abastecimento de Água: Umáx = 0, 6 + 1, 5. D ou U ≤ 3, 5 m/s Onde: D é o diâmetro interno da tubulação (m). Para Instalações Hidráulicas Prediais (NBR 5626/98): Umáx ≤ 3, 0 m/s

Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Prof. Homero Soares Velocidades Baixas e Altas Velocidades Baixas: (U < 0, 6 m/s) Consequências: - Incrustações - Retenção de ar na tubulação - Baixa eficiência de escoamento para remoção de ar e outras partículas Velocidades Altas: (U >>> 0, 6 m/s) Área Vazão Perda de Carga Venturi Consequências - Podem provocar: cavitação - Golpe de aríete mais intenso - Aumentam a perda de carga Bolhas formadas pelo próprio ar dissolvido no líquido que se desprendem quando a pressão é reduzida. As bolhas podem implodir pela ação da pressão externa. O colapso produz choque entre as partículas fluidas e danifica a parede do conduto reduzindo assim a capacidade de escoamento.

Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Faculdade de Engenharia Prof. Homero Soares Pré-dimensionamento de Canalizações • Velocidade: principal VARIÁVEL. • Realizado a partir do critério de VAZÃO MÁXIMA / menor diâmetro possível: MAIOR ECONOMIA. • O dimensionamento só estará completo após a verificação das pressões disponíveis. VARIA em função na natureza do conduto Umáx = 0, 6 + 1, 5. D 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 D = diâmetro (m) U = velocidade (m/s)

Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Faculdade de Engenharia Prof. Homero Soares Traçado das Canalizações 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 Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Faculdade de Engenharia Prof. Homero Soares Traçado das Canalizações Traçado 1 (Tubulação totalmente abaixo da Linha Piezométrica) 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. - Conduto forçado (P/δ > Patm) em todo o seu perfil; Conduto forçado. Pode ser dimensionado com as equações de perda de carga apresentadas - Cuidados especiais nos pontos altos Instalação de ventosas retirar o ar acumulado proveniente, DE GASES dissolvidos na água e do processo de enchimento da linha. REDUZ performance do escoamento; - Cuidados especiais nos pontos baixos Instalação de válvulas de descarga para promover a limpeza da tubulação.

Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Faculdade de Engenharia Prof. Homero Soares Traçado das Canalizações (cont) Traçado 2 (Tubulação coincide com a Linha Piezométrica Efetiva) - Tubulação funciona como conduto livre (P = Patm) Nesse caso, a vazão do escoamento coincide com a calculada. OBS: Um orifício na geratriz superior dos tubos não provocaria a saída da água. Na prática, o projeto de canalizações deve seguir as posições estudadas. Caso contrário, reduz-se o desempenho dos escoamentos.

Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Faculdade de Engenharia Prof. Homero Soares Traçado das Canalizações (cont. ) Traçado 3 (Tubulação corta a LPE, mas fica abaixo do PCE – Plano de Carga Estático) OBS: O acúmulo de ar formando bolhas, reduz a vazão escoada. Escoamento torna-se irregular. 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. Alternativa recomendável: construir caixa de transição (Reservatório) no ponto mais alto altera a posição da Linha Piezométrica, Toda a tubulação localiza-se abaixo da LP, sujeita a pressões positivas como no Traçado 1.

Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Faculdade de Engenharia Prof. Homero Soares Traçado das Canalizações (cont. ) Traçado 4 (Tubulação corta a LPE e o PCE – Plano de Carga Estático) - Trata-se de um sifão que funciona em condições precárias, exigindo escorva quando entra ar na canalização. - A água não atinge por gravidade o trecho acima do NA no reservatório R 1 - O escoamento só é possível após o enchimento da tubulação.

Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Faculdade de Engenharia Prof. Homero Soares Traçado das Canalizações (cont. ) 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 Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Faculdade de Engenharia Prof. Homero Soares Problema II. 1 p. CII 5) 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. Dado: PVC C = 140 b) Determinar a vazão e velocidade efetivas. c) Qual deve ser a perda de carga localizada (hf. Loc) para que a vazão transitante seja precisamente seja Q = 10 l/s?

Separação da coluna d´água - CAVITAÇÃO CAVA = BOLHA Pressão na adutora < pressão do vapor (pv) Pvágua ~ 240 kgf/m 3

Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Faculdade de Engenharia Prof. Homero Soares Problema II. 2 (p. CII 9) Verificar a possibilidade de separação da coluna líquida na adutora que interliga o reservatório R 1 ao R 2, cujo perfil mostrado abaixo (sifão), quando transporta 280 l/s, conhecendo-se suas características. . 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

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Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Faculdade de Engenharia Prof. Homero Soares Problema II. 3 (p CII 10) Uma tubulação de PVC, L = 1. 100 m e D = 100 mm interliga os reservatórios R 1 e R 2. Os níveis d´água de R 1 e R 2 estão respectivamente nas cotas 620 m e 600 m, . Considerando desprezível as perdas de carga localizadas, localizadas calcular a vazão escoada utilizando a fórmula universal com T = 20 o. C.

Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Faculdade de Engenharia Prof. Homero Soares Problema II. 4 (p. CII 11) Dois reservatórios deverão ser interligados por uma tubulação de ferro fundido (C = 130) com um ponto alto em “C”. Desprezando as perdas localizadas e a parcela de energia cinética, pede-se determinar: a) O menor diâmetro comercial para a tubulação BD capaz de conduzir a 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 exatos 70 l/s.

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Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Faculdade de Engenharia Prof. Homero Soares Problema Proposto (p CII-14 Verso) 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 utilizado é aço novo (C = 130).

Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Faculdade de Engenharia Prof. Homero Soares Problema proposto II (p. CII-15) Para os valores de NA indicados na figura abaixo, pede-se: a) O valor de Q quando o registro C está FECHADO. b) Qual a máxima vazão transitante na adutora. ZR 1=212 m; ZR 2= 190 m; LAC=2440 m; DAC=600 mm; βAC= 0, 00212; CAC=140 LCB=1200 m; DCB= 400 mm; βCB= 0, 00152; ZC= 120 m 212 m 190 m A B C

Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Faculdade de Engenharia Prof. Homero Soares Perda de Carga com distribuição ao Longo do Percurso Nas redes de abastecimento de água e sistemas de irrigação, há normalmente várias derivações de água do tronco principal. Nesses casos a vazão é dita uniformemente distribuída ao longo do conduto, denominada vazão de distribuição em marcha (q). Considere a tubulação abaixo para o cálculo da perda de carga contínua. Onde: dx = Trecho elementar da tubulação; QM = Vazão de montante; QJ = Vazão de jusante; q = vazão de distribuição em marcha: q = (QM-QJ)/L ; QM=QJ+q. L hf = perda de carga contínua. Num trecho elementar dx, distante “x” da extremidade do tubo, a vazão “Q”, Q = QJ + qx será:

Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Faculdade de Engenharia Prof. Homero Soares Perda de Carga: distribuição ao Longo do Percurso Sabe-se que: A perda de carga no trecho “dx” será: Em toda a tubulação, a perda de carga será: Análise: Se toda vazão é consumida em “L” (QJ = 0), então: Fator de redução da perda de carga contínua

Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Faculdade de Engenharia Prof. Homero Soares Perda de Carga com distribuição ao Longo do Percurso Vazão Fictícia Em sistemas públicos de abastecimento de água calcula-se a perda de carga de maneira aproximada, como mostrado abaixo: QF = vazão fictícia. ≈

Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Faculdade de Engenharia Prof. Homero Soares Problema II. 5 A tubulação AD, com D = 300 mm e C = 110 é destinada a conduzir água do reservatório R 1 para o reservatório R 2, e atender aos moradores localizados ao longo do trecho BC que consomem 0, 05 l/s. m. Sabendo-se que no ponto B a cota do terreno é 108, 0 e a pressão 1, 3 kgf/cm 2, pede-se calcular as vazões nos trechos AB e CD e a cota piezométrica em D, considerando as perdas de carga localizadas desprezíveis.