Hidráulica Geral (ESA024A)

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1 Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental Hidráulica Geral (ESA024A) 1º semestre 2013 Terças de 10 às 12 h Sextas de 13 às 15h

2 Conceito Capítulo 2 Escoamento em Conduto Forçado Simples Condutos forçados são tubulações em que a pressão interna é diferente da atmosférica. P P atm P < P atm Sucção P > P atm 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

3 Velocidades recomendadas: Escoamentos Forçados Pré-dimensionamento das canalizações: Velocidade de escoamento: faixa recomendada. Velocidades Recomendadas Para Sistemas de Abastecimento de Água: U máx = 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

4 Velocidades Baixas: (U < 0,6 m/s) Consequências: Velocidades Baixas e Altas - Incrustações - Retenção de ar na tubulação - Baixa eficiência de escoamento para remoção de ar e outras partículas Área Vazão Perda de Carga Velocidades Altas: (U >>> 0,6 m/s) 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.

5 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 U máx = 0,6 + 1,5.D D = diâmetro (m) U = velocidade (m/s) DN DE (mm) DI (mm) U máx (m/s) Q máx (l/s) ,6 0,68 1, ,2 0,72 3, ,0 0,75 5, ,4 0,83 16, ,2 0,91 29, ,0 0,98 48, ,8 1,05 74, ,6 1,19 145, ,4 1,33 251,0

6 Traçado das Canalizações Devido à topografia dos terrenos a tubulação pode estar totalmente abaixo, coincidente ou acima, em alguns pontos, da linha piezométrica.

7 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/γ > Patm) em todo o seu perfil; Conduto forçado. 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.

8 Traçado das Canalizações (cont) Traçado 2: Tubulação coincide com a Linha Piezométrica Efetiva - Tubulação funciona como conduto livre (P = Patm Equação de Manning) 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.

9 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 NÃO FUNCIONAM, pois 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.

10 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 R1 - O escoamento só é possível após o enchimento da tubulação.

11 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.

12 Problema II.1 (p. CII5) 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?

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

14 Problema II.2 (p. CII9) 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: L AC = 2000 m; L CD = 200 m; L DE = 200 m; L EB = 2500 m. Diâmetro: D = 600 mm. Coeficiente de atrito: f = 0,015. Temperatura da água 20ºC

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16 Problema II.4 (p. CII11) 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.

17 Problema II.4 (p. CII11) 2 mca

18 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. Z R1 =212 m; Z R2 = 190 m; L AC =2440 m; D AC =600 mm; β AC = 0,00212; C AC =140 L CB =1200 m; D CB = 400mm; β CB = 0,00152; ZC= 120 m 212 m 190 m A C B

19 Problema II.3 (p CII10) Uma tubulação de PVC, L = 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, calcular a vazão escoada utilizando a fórmula universal com T = 20 o C.

20 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; Q M = Vazão de montante; Q J = Vazão de jusante; q = vazão de distribuição em marcha: q = (Q M -Q J )/L ; Q M =Q J +ql hf = perda de carga contínua. Num element dx, distante x da extremidade do tubo, a vazão Q, será: Q = Q J + qx

21 Perda de Carga: distribuição ao Longo do Percurso Sabe-se que: hf Q. D n m. L A perda de carga no ELEMENTO dx será: hf Em toda a tubulação, a perda de carga será: ' Q. D n m. dx hf L 0 Q. D n m. dx hf. L ( n 1) D m n QM Q 1 M Q Q n1 J J Análise: Se toda vazão é consumida em L (Q J = 0), então:. L Q hf ( 1) m n D Q J. L Então : hf n 1 n1 M M mas : J Q. D Fator de redução da perda de carga contínua n m

22 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: QM Q QF 2 n QF hf.. L m D J hf QF = vazão fictícia.. L ( n 1) D m n QM Q 1 M Q Q n1 J J

23 Problema II.5 (p. CII17) 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.

24 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).