Perda de Carga

Perda de Carga
Na publicação deste mês vamos detalhar o dimensionamento das instalações hidráulica prediais em relação à perda de carga.

No dimensionamento das instalações hidráulicas é importante conhecer todos os aspectos físicos que podem afetar na utilização dos pontos de consumo de água para evitar desconfortos aos usuários.

Por exemplo, uma instalação em que ao acionar a válvula de descarga corte ou diminua o fluxo de água para outro ponto de utilização, que não deve acontecer.

A norma regulamentadora para instalações hidráulica prediais é a NBR5626/ABNT e ela indica que a vazão nos aparelhos sanitários devem ser com vazão e pressão suficientes para que não cause desconforto aos usuários.

NBR5626 SET 1998 – Instalação predial de água fria.

Item 5.1.2.1 As instalações prediais de água fria devem ser projetadas de modo que, durante a vida útil do edifício que as contém, atendam aos seguintes requisitos:

a) preservara potabilidade da água;

b) garantir o fornecimento de água de forma contínua, em quantidade e com pressões e velocidades compatíveis com o perfeito funcionamento dos aparelhos sanitários, peças de utilização e de mais componentes;

e) evitar níveis de ruído inadequados à ocupação do ambiente;...

Anexo A.2 Cálculo da Perda de carga

A.2.1 Tubos

A perda de carga ao longo de um tubo depende do seu comprimento e diâmetro interno, da rugosidade da sua superfície interna e da vazão. Para calcular o valor da perda de carga nos tubos recomenda-se utilizar a equação universal, obtendo-se os valores das rugosidades junto ao fabricante dos tubos. Na falta dessa informação, podem ser utilizadas as expressões de Fair-Whipple-Hsiao indicadas a seguir...

A NBR(norma regulamentadora brasileira)5626 indica que a velocidade máxima da água na tubulação não deve superar 3 m/s, assim como a pressão nos pontos de consumo não deve superar 40 mca(metros de coluna de água).

Todas as condições de vazão e pressão devem ser previstas no projeto das instalações de acordo com as NBRs vigentes.

Vamos entender a perda de carga. A perda de carga é causada pelo atrito e esforço encontrado pelo fluído dentro da tubulação para se deslocar e pode ser localizada ou distribuída.

A perda de carga localizada é aquela que acontece nas conexões, válvulas e curvas das tubulações e a perda de carga distribuída é a gerada pelo atrito em tubulação linear.

A perda de carga localizada é determinada em testes de laboratório para cada conexão e ou válvula, então estes valores são indicados pelos fabricantes e podem ser apresentados como um coeficiente que aplicado à formula universal de perda de cargas calculamos as perdas em metros. Ou o fabricante já entrega os dados com a perda de carga máxima, com relação a velocidade máxima que a água atingirá.

Para determinar a perda de carga distribuída precisamos conhecer alguns aspectos físicos para determinarmos este fator.

Regime de escoamento.

A água na tubulação se desloca em regime laminar ou turbulento. Imagine que dentro da tubulação a água é um conjunto de lâminas que se deslocam uma em contato com a outra
e nas extremidades em contato com o tubo.

Ilustração 1: Escoamento laminar.

Observe na ilustração 1, imagine que cada sequencia de setas é uma lâmina que está se deslocando ordenadamente da esquerda para a direita e observe na extremidade direita do deslocamento que forma uma ponta arredondada como se a lâmina mais ao centro do tubo se deslocasse mais rápida que as demais. É exatamente isso que acontece no escoamento laminar.

Ilustração 2: Escoamento turbulento.

 

Já no escoamento turbulento o deslocamento não é ordenado, veja na ilustração 2 que as setas que indicam o sentido das lâminas vão para vários lados, mesmo que diferente do sentido de fluxo.

O regime de escoamento pode ser estudado e visualizado através do experimento de Reynolds. Nesse experimento é liberado um corante dentro da tubulação com fluxo constante e verificando o comportamento do filamento do corante podemos determinar se o escoamento é laminar ou turbulento, veja o modelo na ilustração 3.

 

 Ilustração 3: Experimento de Reynolds.

Observando a ilustração 3 é fácil entender a diferença entre os regimes de escoamento.

Fórmula Universal

Para determinação de perda de carga distribuída será utilizada a fórmula universal, conforme recomendação das normas NBR12215 e NBR12218 da ABNT.

NBR12215(NB-591) – DEZ 1991 – Projeto de adutora de água para abastecimento público.

Item 5.4.6 O cálculo da perda de carga distribuída deve ser feito de preferência pela fórmula universal.

NBR 12218 – JUL 1994 – Projeto de rede de distribuição de água para abastecimento público.

Item 5.7.3 O cálculo da perda de carga distribuída deve ser feito preferencialmente pela fórmula universal, considerando, também, o efeito de envelhecimento do material das tubulações da rede.

A perda de carga distribuída apresenta a seguinte expressão:

h = f.L/D. V²/2g

Onde:

h = perda de carga distribuída;

f = fator da fórmula universal, adimensional;

L = comprimento do trecho, em metros;

D = diâmetro interno do tubo, em metros;

v = velocidade média, em m/s(metros por segundo);

g = aceleração da gravidade = 10 m/s².

O fator “f” da fórmula universal pode ser determinado através de três expressões diferentes para tubos lisos, rugosos ou transição ou pelo diagrama de Moody, que representa estas expressões graficamente utilizando o número de Reynolds, que faz relação entre força de inercia e viscosidade do fluído, e a rugosidade relativa do tubo, que é a viscosidade absoluta dividida pelo diâmetro interno da tubulação.

Número de Reynolds: Re = v.D/visc,

onde: v = velocidade(m/s);

D = Diâmetro interno da tubulação(m);

visc = viscosidade cinemática, da água é igual 10^-6.

Verifique na fórmula universal que sempre que aumentamos a velocidade a perda de carga vai aumentar, então é importante sabermos calcular este fator.

Q = v.A

Onde: v = velocidade;

A = área interna do tubo(π.d²/4);

Q = Vazão.

Assim a velocidade é obtida pelo produto da vazão com a área interna do tubo, v = Q.A.

Vamos exemplificar:

Para determinar a perda de carga distribuída com os seguintes dados:

- Material do tubo: aço soldado

- e = 0,0001 m

- D = 0,5 m

- L = 100 m

- Q = 0,2 m³/s

1) Determinar a área de escoamento:

A = π.d²/4 = π.(0,5)²/4 = 0,20m²

2) Determinar a velocidade média:

v = Q/A = 0,20/0,20 = 1,00m/s

3) Determinar o número de Reynolds:

Re = v.D/visc = 1,00.0,5/10^-6 = 0,5.10⁶ = 5,0.10⁵ (500.000)

4) determinar a rugosidade relativa:

e/D = 0,0001/0,5 = 0,0002

5) Diagrama de Moody:

Ilustração 4: Diagrama de Moody

f = 0,0155

6) Determinação da perda de carga distribuída (hf):

hf = f.L/D.v²/2g = 0,0155.100/0,5.(1,00)²/2.10 = 0,155 mca

O valor de perda de carga distribuída deve ser somado ao da perda de carga localizada, que é a perda de carga nas conexões e válvulas, para obter o valor total das perdas de cargas.

Observe no diagrama de Moody(ilustração 4) que há uma divisão que indica o regime de escoamento, onde o número de Reynolds até 2000 indica que o regime é laminar e utilizamos o fator de atrito na fórmula universal como 64/Re.

Com o número de reynolds entre 2000 e 3000 o regime é de transição e acima de 3000 teremos regime turbulento.

Este é um modelo de como calcular as perdas de carga para o dimensionamento de instalações. Lembrando que o projeto e dimensionamento deve ser executado por profissional habilitado, assim com indica a NBR5626:

Item 5.1.1.1 O projeto das instalações prediais de água fria deve ser feito por projetista com formação profissional de nível superior, legalmente habilitado e qualificado.

Por Flávio Soares