DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO DE ADUTORA

[JOSÉ LUIZ VIANA DO COUTO]

Adutora de Água Tratada é o canal, galeria ou encanamento destinado a conduzir a água da estação de tratamento aos reservatórios de distribuição, ou entre eles, seja por bombeamento ou pela força da gravidade. Na Figura abaixo, uma motobomba recalca a água para um reservatório situado em cota superior, mas poderia seguir o caminho inverso, se a motobomba fosse substituída por outro reservatório. Dentre os acessórios das adutoras, destacam-se as ventosas (para a expulsão do ar que se acumula) e as descargas de fundo (para esvaziá-la para reparos).

O dimensionamento hidráulico da adutora consiste em selecionar o tubo adequado (em se tratando de encanamento) para conduzir o volume de água (vazão) necessário (a), na velocidade adequada, evitando-se o acúmulo de ar em pontos estratégicos e dotando-se os pontos mais baixos de descargas de fundo.

Golpe de aríete

Assim se chama o choque violento que se produz sobre as paredes internas de um conduto forçado, quando o movimento da água é modificado ou interrompido (por falta de energia elétrica, por exemplo) bruscamente. Essa sobrepressão pode romper a canalização e deve ser evitada. Na Figura abaixo, no estágio 1, a válvula (ou registro) está fechada e a água encontra-se parada; em 2, o registro é aberto e a água se move; e em 3, o registro é fechado rapidamente, ocorrendo ondas de choque, pela inércia, provocando o rompimento do cano.

Tanto o golpe de aríete como a elevada pressão (hidrostática ou hidrodinâmica) são os principais motivos para os fabricantes de tubulações adotarem diversas espessuras das suas paredes. Para isso foi criado o índice SDR (Standard Dimension Ratio ou Razão de Dimensão Padrão) que indica quantas vezes o diâmetro (externo) d é maior que a espessura s da parede. A Figura abaixo mostra parte do SDR dos tubos de PVC, que apresentam SDR = 13,5 para DN = ½” (meia polegada) e SRD = 21 para DN = ¾” a 8”. Os tubos de aço têm SDR = 11, 13.5 e 17.

A planilha abaixo apresenta o dimensionamento hidráulico de adutora de PVC, cujos cálculos constam do trabalho “O golpe de aríete em tubulações de recalque. Análise simplificada”, do Eng^o. Luiz A. Camargo, apresentado no XV Encontro de Engenheiros de Assistência Técnica TUBOS E CONEXÕES TIGRE S.A., realizado em Joinville – SC, de 23 a 27 de Outubro de 1989, estudo de caso, página 9/33. O enunciado é o seguinte:

Em uma estação de tratamento de água, uma instalação elevatória de PVC com diâmetro nominal de 12” e comprimento de 600 metros, tem o conjunto eletrobomba situado a 55 metros abaixo da superfície livre do reservatório alimentado pela tubulação. A partir da bomba, a tubulação sobe de forma regular até o reservatório, transportando 60 l/s. Determinar a classe de pressão da tubulação, tendo em vista suportar o golpe de aríete decorrente do corte súbito da energia elétrica do motor.

Legenda: D = diâmetro, Q = vazão, L = comprimento, H = Hm = altura do nível de água, A = área da seção, V = velocidade média da água (o ideal é 2 a 2,5 m/s), e = espessura da parede do tubo, T = fase, t = tempo de fechamento do registro, hf = perda de carga linear, C = celeridade, coef. de Hazen-Williams ou parâmetro da fórmula da sobrepressão máxima, k = coef. da celeridade e da sobrepressão máxima, g = aceleração da gravidade.

A Figura abaixo mostra o esquema hidráulico da instalação e a tabela para tubos de PVC no diâmetro requerido.

[JOSÉ LUIZ VIANA DO COUTO]

CÁLCULO DE DESCARGA DE FUNDO DE ADUTORAS

A Figura abaixo apresenta uma solução com tempo de esvaziamento de cada trecho da adutora em meia hora, executada numa planilha Excel e com o software R.

Na planilha abaixo, refazemos os cálculos para atender a determinação do esvaziamento em duas horas, mas agora considerando a velocidade de saída.

[JOSÉ LUIZ VIANA DO COUTO]

SELEÇÃO DE VENTOSAS

Conforme NBR 12215 (ABNT, 1991), deverão ser previstos dispositivos de admissão e descarga de ar (ventosas) em trechos das adutoras suscetíveis de acumulação de ar e em trechos altos, imediatamente antes e logo após as descargas de água da adutora. ⁽¹⁾

Como critério de escolha expedita para válvulas de admissão de ar, Azevedo Netto (2013) recomenda adotar 12,5% da seção do tubo, ou seja, o diâmetro da ventosa deverá ser 1/8 (um oitavo) do diâmetro do conduto onde a válvula será instalada. Para válvulas de expulsão de ar, o mesmo autor cita que alguns critérios práticos recomendam fixar o diâmetro da ventosa em 1/12 (um doze avos) do diâmetro da tubulação.

O dimensionamento da ventosa deve considerar a velocidade de esvaziamento e de enchimento das tubulações. A velocidade admitida para o enchimento da tubulação deve ser da ordem de 0,3 m/s.

Para  a  finalidade  de  expulsão  de  ar  as  ventosas  são  dimensionadas  em função  da  vazão  de  ar  a  ser  expulso,  vazão  esta  que  no  caso  mais  desfavorável dependa das condições de enchimento da tubulação, pressão interna no ponto alto e tamanhos comerciais das ventosas.

As  características  das  ventosas  fabricadas  no  Brasil  pela  Cia.  Barbará,  por exemplo, são as seguintes, em termos de capacidade de descarga a 7,5 kg/cm² de pressão de serviço:

Ventosas simples......................................................................13 litros/s de ar

Ventosas automáticas com pino..............................................80 litros/s de ar

Ventosas automáticas de função tríplice, de 100 mm............50 litros/s de ar

Ventosas automáticas de função tríplice, de 200 mm..........300 litros/s de ar

Verifica-se  pois,  que  as  ventosas  mais  simples  somente  são  aplicáveis  às linhas de pequena vazão. No caso de linhas grandes e importantes, poderá haver a necessidade de instalar duas ou mais ventosas em um mesmo ponto crítico.

Seleção

O seu calculo deve ser feito tendo em atenção a vazão máxima de ar que têm de evacuar e o fato de este ter de escoar pelo orifício da ventosa com uma velocidade máxima da ordem dos 7 m/s.

REF.:

[1] TRANSIENTES HIDRÁULICOS EM SISTEMAS DE BOMBEAMENTO: INFLUÊNCIA DO MATERIAL DO CONDUTO E DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO, UFRGS, Porto Alegre, 2017.

https://lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/158935/001022394.pdf?s...

[JOSÉ LUIZ VIANA DO COUTO]

CÁLCULO DE VENTOSAS

A presença de ar nos sistemas adutores, seja na forma de pequenas bolhas ou constituindo bolsas de diferentes formas e dimensões, pode ser fonte de inúmeros problemas no respectivo funcionamento que poderão traduzir-se num acréscimo da perda de carga, num consumo excessivo de energia por parte das bombas ou mesmo no aparecimento de elevadas sobrepressões que coloquem em causa a correspondente segurança e fiabilidade.⁽¹⁾

A Figura abaixo mostra a localização preferencial dessas bolhas de ar comumente encontradas nos sistemas adutores de água.

Outros locais onde são necessárias as ventosas (para a expulsão e/ou entrada de ar) são mostrados na Figura abaixo.

As formas mais comuns de ventosas produzidas (em várias partes do mundo) são mostradas na Figura abaixo.

A planilha abaixo mostra o dimensionamento hidráulico de ventosa numa adutora de água, esclarecendo que velocidade crítica é aquela necessária e suficiente para empurrar as bolhas de ar que se formam na canalização da adutora.

REF.:

[1] Análise de critérios de dimensionamento de ventosas em sistemas adutores, João Rafael Amador Santos, Universidade de Coimbra, Portugal, 2014, pág. 3/93.

https://eg.uc.pt/bitstream/10316/38452/1/Analise_de_criterios_de_di...