Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI Instituto de Recursos Naturais - IRN Hidráulica HID 006 Prof. Benedito C. Silva Adaptado de Marllus Gustavo F. P. das Neves Perda de carga concentrada é função das mudanças de forma, de diâmetro, de direção do escoamento ou de combinações destas Mudanças alargamentos ou estreitamentos, curvas, bifurcações, equipamentos diversos na canalização (válvulas e outras estruturas). Na prática depende somente da geometria, a não ser nos casos de transições graduais. Para Re > 104, é possível ignorar o efeito da viscosidade são importantes em condutos curtos A perda de carga singular é avaliada comparando-se o antes e o depois da singularidade Sem o efeito da singularidade (regime estabelecido) Hipótese de escoamento unidimensional válida Zonas com características fortemente tridimensionais Aumento das tensões de cisalhamento Aceleração e aumento de intensidade de turbulência Redemoinhos às custas da energia O processo de perda é contínuo Mas tratamos de maneira discreta Coeficientes de perda de carga singular Em geral, a perda de carga singular é expressa da seguinte maneira K coeficiente adimensional, 2 U determinado experimentalmente Δh K 2g para Re > 105 e analiticamente para um pequeno número de casos U velocidade média de referência. Em geral, nas peças em que há mudanças de diâmetro, é tomada na seção de menor diâmetro (velocidade média maior) Mudanças de diâmetro Mudanças bruscas alargamento brusco, contração brusca, entradas e saídas de canalização Mudanças graduais estreitamentos graduais (convergentes) e alargamentos graduais (difusores ou divergentes); Para o alargamento brusco Ocorre a desaceleração do fluido no trecho curto Experimentos: pAB = p1 em média VAB ~ V1 AAB ~ A2 Aplicando a equação da QM entre as seções AB e 2, desprezando o atrito entre o fluido e a parede da tubulação p1A2 p2A2 ρQV2 V1 R ρQV2 V1 p1 p2 ρV2 V2 V1 Aplicando a equação de Bernoulli, levandose em conta somente a perda singular p1 V p2 V Δh12 γ 2g γ 2g 2 1 2 2 V22 - V12 p1 p2 γ γΔh12 2g Igualando Δh12 V1 - V2 2 2g A partir da equação da continuidade Δh12 D1/D2 = 0 equivale a uma saída livre em um reservatório 2 V1 2 A2 V1 1 K 2g A1 2g No caso de contração brusca Contração do jato Logo após expansão Dh no fluxo acelerado 1-0 << Dh no fluxo desacelerado 0-2 Despreza-se a perda de carga entre 1 e 0 Reduz-se ao anterior Entre as seções 0 e 2 Δh02 V0 - V2 2 2g V0 é a velocidade média do jato na seção contraída O valor de A0 não é conhecido a priori na maior parte dos casos, é obtido em estudos experimentais Definindo Cc como coeficiente de contração Δh02 2 V2 2 V2 1 1 K 2g Cc 2g A0 Cc A2 D2/D1 = 0 ou A2/A1 = 0 equivale a uma entrada de reservatório não reentrante e não ajustada Entradas de canalização Depende da forma geométrica e do ângulo de inclinação em relação à parede de entrada O mais comum é a aresta viva 90º lateral ou fundo dos reservatórios Entrada normal No caso de aresta viva K=0,5 Bordos Reentrantes Para Re > 104, K=F(d/D, b/D) Ajuste cônico de bordos K=F(a,l/D) l/D > 0,6 aumento de DH (distribuída) Bordos arredondados Dh é da mesma ordem do caso de bordos cônicos, com a vantagem de precisar de menor comprimento K menor Bordos arredondados r raio de curvatura da superfície de concordância Descarga ao ar livre K=1,0 Estreitamentos graduais Minimizar as perdas na transição ou simplesmente para manter o escoamento mais homogêneo Podem ser cônicas ou curvilíneas Dh = F(A2/A1 ou D22/D12 e L) Simplicidade de execução Melhor homogeneização Coeficientes para Estreitamentos Graduais Mudanças de direção Mudanças de direção Em ângulo Circular K 67,6.10-6.a 2,17 -3,5 a R K 0,13 0,16 180o D Equipamentos diversos Equipamentos diversos 1.Válvula de gaveta; 2.Válvula de pressão; 3.Válvula de retenção (posição horizontal); 4.Válvula de pé; 5.Crivo Válvula de gaveta Válvula em que o elemento vedante é constituído de um disco circular (ou retangular) que interrompe a passagem do escoamento, movimentando-se verticalmente X abertura do disco Dh = f(X, geometria interna) Válvula de pressão Fechar o fluxo por completo e frequentemente sistema fechado mais eficiente, mas com mais perda de carga Sistema de fechamento disco metálico com anel de material vedante ou não anel sob a ação de uma haste é pressionado sobre o corpo da válvula Empregadas geralmente na saída de condutos em instalações domiciliares para o controle de vazão do sistema Válvula de retenção Evitar o retorno do fluxo quando a bomba pára o seu movimento a do tipo portinhola é a mais usada para diâmetros médios (50mm<D<300mm) Válvula de pé Base de tubulações de recalque, quando a bomba não estiver afogada, para que a canalização não se esvazie quando a bomba está parada Crivo Proteger contra entrada de em estações de recalque, antes da válvula de pé geralmente metálico, composto por um de cesto com furos Influência das Perdas de Carga Localizadas Em geral, em sistemas hidráulicos nos quais as perdas localizadas não somam mais que 5% das perdas distribuídas, pode-se desprezá-las Regra Básica: se uma linha de tubulação possuir um comprimento retilíneo, entre os acessórios, maior ou igual 1000 vezes o diâmetro (L/D≥1000), pode-se desprezar as perdas concentradas Tabela geral Diante de tantas fórmulas e tabelas costumam-se utilizar tabelas mais abrangentes Comprimento equivalente de uma singularidade A perda de carga localizada pode ser calculada pelo método dos comprimentos equivalentes ou comprimentos virtuais Le comprimento de um tubo de diâmetro e rugosidade tal que proporciona a mesma perda de carga da singularidade considerada O comprimento obtido pela soma do comprimento do conduto L com os comprimentos equivalentes Le a cada singularidade é chamado comprimento virtual Lv Valores de Le adaptados da NBR 5626/82 são mostrados a seguir Aço galvanizado ou ferro fundido (m) PVC rígido ou cobre (m) Comprimento Equivalente (Le) Le em n0 de diâmetro de canalização (metálicas, ferro galvanizado e ferro fundido) Acessório Equação CE (Le/D) (n0 de diâmetros) Cotovelo 900 raio longo Le=0,068+20,96D 22 Cotovelo 900 raio médio Le=0,114+26,56D 28,5 Cotovelo 900 raio curto Le=0,189+30,53D 34 Cotovelo 450 Le=0,013+15,14D 15,4 Curva 900 R/D=1,5 Le=0,036+12,15D 12,8 Velocidades recomendadas para sistemas de tubulações Velocidades mínimas: entre 0,6 e 0,9 m/s. Velocidades menores podem provocar acumulo de sedimentos ou retenção de ar Velocidades máximas: 3,5 m/s para sistemas de abastecimento 3,0 para instalações prediais Velocidades maiores provocam perdas excessivas, cavitação, ruídos, vibração e golpe de aríete Z1 Exemplo 3.1 (Porto) 10 Ke(entrada tubulação) =0,50 Kcotovelo=0,80 Ks(entrada reservatório)=1,0 L=410m D=0,15m e=0,10mm Z2 L V2 DZ (f j K j ) D 2g 410 V2 10 (f 0,5 2 0,80 1,0) 0,15 2g 10 (139,46f 0,158)V2 Exemplo 3.1 (Porto) DZ (139,46f 0,158)V2 DZ 2,98m 10m 1) Seja V=1,0m/s Tabela A1 2) Seja f=0,0202 10 (139,46 0,0202 0,158)V2 f=0,0202 10 (139,46 0,0193 0,158)V2 V=1,873m/s Q=0,033m3/s Tabela A1 f=0,0193 f=0,0193 V=1,833m/s Tabela A1 3,5m 1,2m Na figura a seguir a tubulação é P.V.C rígido, soldável, com 1” de diâmetro, e é percorrida por uma vazão de 0,20l/s de água. Os joelhos são de 900 e os registros de gaveta, abertos. No ponto A 2,10m abaixo do chuveiro, a carga de pressão é igual a 3,3mca. Determine a carga de pressão disponível imediatamente antes do chuveiro. Os tês estão fechados em uma das saídas. 0,9m Exemplo 3.3 (Porto) 0,2 l/s A p(3,3mca) 3,0m Exemplo 3.3 (Porto) Acessório 3 Joelho 900 2 Registro gaveta aberto Comprimento Equiv. (m) 3*1,5=4,5 2*0,3=0,6 Tê passagem direta Tê lateral Comprimento real da linha 0,9 3,1 8,6 Comprimento total 17,7 C.Pch C.PA DHt 3,3 Q1,75Lt C.Pch C.Pch 3,3 0,1202 0,21,75 17,7 3,17m Eq.2.48 e Tab. 2.5 p ch 3,17 2,10 1,07m.c.a Exemplo 3.4 (Porto) Na instalação hidráulica predial mostrada na figura a seguir, as tubulações são de aço galvanizado novo, os registro de gaveta são abertos e os cotovelos têm raio curto. A vazão que chega ao reservatório D é 38% maior que a que escoa contra a atmosfera no ponto C. Determine a vazão que sai do reservatório A, desprezando as cargas cinéticas. 5,0 3,0 A 0,3m 11/2” 1,0m D 1,0m 11/2” 6,0m B 1” C 6,0m Exemplo 3.4 (Porto) DH BD X 3,0 DH BC X 1,0 DHBC DHBD 2,0 J BC LBC J BD LBD 2,0 Exemplo 3.4 (Porto) Trecho BD Acessório Trecho BC Acessório Comp. Equi (m) Comp. Equi (m) Tê Lateral (1 ½”) 2,587 Tê lateral (11/2”) 2,587 2 cotovelos 900 2,550 Reg. Gaveta 0,175 Reg. Gaveta 0,263 Saída canalização Comp. Real 0,775 1,133 6,00 Saída canalização Comp. Real Comp. Total 9,54 Comp. Total 13,83 7,30 Exemplo 3.4 (Porto) QBD 1,38QBC 3,044101 Q1BC,88 .9.54 3,945102 1,38QBC 1,88 13,83 2,0 2,904QBC 0,9996QBC 2,0 QBC 1,03 / s 1,88 1,88 QBD 1,42 / s QBC QBD 2,45 / s