Hidráulica Geral (ESA024A) Prof. Homero Soares 2º semestre 2012 Terças de 10 às 12 h

1. Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental Hidráulica Geral (ESA024A) Prof. Homero Soares 2º semestre 2012 Terças de 10 às 12 h Quintas de 08 às 10h

2. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Prof. Homero Soares Capítulo 2 Escoamento em Conduto Forçado Simples P < Patm Sucção P > Patm  Adução P ≠ Patm Conceito Condutos forçados são tubulações em que a pressão interna é diferente da atmosférica. • 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. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Prof. Homero Soares Velocidades recomendadas: Escoamentos Forçados Pré-dimensionamento das canalizações: Velocidade de escoamento: faixa recomendada. Velocidades Recomendadas Umáx = 0,6 + 1,5.D ou U ≤ 3,5 m/s Onde: D é o diâmetro interno da tubulação (m). Para Sistemas de Abastecimento de Água: Para Instalações Hidráulicas Prediais (NBR 5626/98): Umáx ≤ 3,0 m/s

4. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia • Incrustações • Retenção de ar na tubulação • - Baixa eficiência de escoamento para remoção de ar e outras partículas Área Vazão Perda de Carga Venturi • Podem provocar: cavitação • Golpe de aríete mais intenso • Aumentam a perda de carga Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Prof. Homero Soares Velocidades Baixas e Altas Velocidades Baixas: (U < 0,6 m/s) Consequências: Velocidades Altas: (U >>> 0,6 m/s) Consequências 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. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Prof. Homero Soares D = diâmetro (m) U = velocidade (m/s) VARIA em função na natureza do conduto Umáx= 0,6 + 1,5.D • Velocidade: principal VARIÁVEL. • Realizado a partir do critério de VAZÃO MÁXIMA / menor diâmetropossível: MAIOR ECONOMIA. • O dimensionamento só estará completo após a verificação das pressões disponíveis. Pré-dimensionamento de Canalizações

6. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA 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.

7. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Prof. Homero Soares Traçado das Canalizações 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. Traçado 1 (Tubulação totalmente abaixo da Linha Piezométrica) Conduto forçado. Pode ser dimensionado com as equações de perda de carga apresentadas • Conduto forçado (P/δ > Patm) em todo o seu perfil; • 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. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Prof. Homero Soares • Tubulação funciona como conduto livre (P = Patm) Nesse caso, a vazão do escoamento coincide com a calculada. Traçado das Canalizações (cont) Traçado 2 (Tubulação coincide com a Linha Piezométrica Efetiva) 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. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Prof. Homero Soares Traçado das Canalizações (cont.) OBS: O acúmulo de ar formando bolhas, reduz a vazão escoada.  Escoamento torna-se irregular. 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. 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. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA 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 R1 • O escoamento só é possível após o enchimento da tubulação.

11. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA 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.

12. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Prof. Homero Soares Problema II.1 p. CII5) 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. Determinar a vazão e velocidade efetivas. Qual deve ser a perda de carga localizada (hfLoc) para que a vazão transitante seja precisamente seja Q = 10 l/s? Dado: PVC  C = 140

13. Separação da coluna d´água - CAVITAÇÃO CAVA = BOLHA Pressão na adutora < pressão do vapor (pv) Pvágua ~ 240 kgf/m3

14. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Prof. Homero Soares Problema II.2 (p. CII9) . 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 Verificar a possibilidade de separação da coluna líquida na adutora que interliga o reservatório R1 ao R2, cujo perfil mostrado abaixo (sifão), quando transporta 280 l/s,conhecendo-se suas características.

15. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Prof. Homero Soares

16. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Prof. Homero Soares Problema II.3 (p CII10) Uma tubulação de PVC, L = 1.100 m e D = 100 mm interliga os reservatórios R1 e R2. Os níveis d´água de R1 e R2 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 = 20oC.

17. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Prof. Homero Soares 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: 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. 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.

18. Problema II.4 (p. CII11) Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Prof. Homero Soares 2 mca

19. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA 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).

20. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Prof. Homero Soares 212 m 190 m A B C 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. ZR1=212 m; ZR2= 190 m; LAC=2440 m; DAC=600 mm; βAC= 0,00212; CAC=140 LCB=1200 m; DCB= 400mm; βCB= 0,00152; ZC= 120 m

21. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Prof. Homero Soares Perda de Carga com distribuição ao Longo do Percurso 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+qL hf = perda de carga contínua. 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. Num trecho elementar dx, distante “x” da extremidade do tubo, a vazão “Q”, será: Q = QJ + qx

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

23. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Prof. Homero Soares QF = vazão fictícia. 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: ≈

24. Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ESA Prof. Homero Soares Problema II.5 A tubulação AD, com D = 300 mm e C = 110 é destinada a conduzir água do reservatório R1 para o reservatório R2, 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/cm2, pede-se calcular as vazões nos trechos AB e CD e a cota piezométrica em D, considerando as perdas de carga localizadas desprezíveis.