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Aula 08 – Adução
8 – Adução
8.1 Introdução
Adutoras são canalizações dos sistemas de abastecimento e destinam-se a conduzir água entre unidades que precedem a rede distribuidora. Não possuem derivações para alimentar distribuidores de rua ou ramais prediais. Há, entretanto casos em que da adutora principal partem ramificações (subadutoras) para levar água a outros pontos fixos do sistema.
As adutoras interligam tomadas, estações de tratamento e reservatórios, geralmente na seqüência indicada.
São canalizações de importância vital para o abastecimento de cidades, mormente quando constituídas de uma só linha, como acontece na maioria dos casos. Qualquer interrupção que venham a sofrer afetará o abastecimento à população, com conseqüências significativas.
Aos engenheiros e responsáveis pelos serviços de água, como aos mestres e operários, os acidentes em adutoras causam os maiores aborrecimentos porque exigem um trabalho fora do comum para restabelecer em prazo curto a normalização do suprimento. Aos administradores públicos, as bruscas paralisações de fornecimento provocam acentuados impactos negativos e até implicações de caráter político.
8.2- Classificação das adutoras
Quanto à natureza da água transportada:
- Adutoras de água bruta;- Adutoras de água tratada.
Quanto à energia para a movimentação da água:
a) Adutoras por gravidade
Adutora em conduto livre: é um caso particular de escoamento por gravidade, quando a linha piezométrica coincide com o nível da água no conduto, Figura 8.2(a).
Os condutos livres, em sistemas avantajados, possuem grande seção, podendo ser galerias, túneis ou canais. Em sistemas menores, constituem-se de tubulações ou canais de pequena seção.
Figura 8.2 (a) – Adutora em conduto livre.
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Adutora por gravidade em conduto forçado: nela a água fica sob pressão superior à atmosfera, processando-se o escoamento por gravidade, a linha piezométrica acima da linha d`água, Figura 8.2(b).
Os condutos desse tipo de adutora têm seção circular, pois é a forma que melhor resiste às pressões internas da água. Comumente são denominadas tubulações ou canalizações.
Figura 8.2 (b) – Adutora por gravidade em conduto forçado
Adutora de condutos forçado e livre: constituída com trechos em conduto livre (aqueduto) e trechos em conduto forçado (sifões invertidos).
b) Adutoras por recalque
É a que conduz água sob pressão superior à atmosfera de um ponto para outro, este geralmente mais elevado, mercê de uma ou mais estação elevatórias, Figura 8.2(c). A pressão é inferior à atmosfera apenas na tubulação de alimentação das bombas quando há sucção, tubulação essa de inexpressivo comprimento.
Figura 8.2 (c) – Adutora por recalque
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Os tipos de adutoras por recalque são: adutoras mistas, adutoras em série e em paralelo.
A adutora mista é constituída de um trecho com escoamento por gravidade seguido de outro com escoamento por recalque e vice-versa.
Adutora em série é composta de um conduto seguido de outro com seção de escoamento diferente, de modo geral duas tubulações de diâmetros desiguais.
Essa modalidade tem lugar quando no dimensionamento de uma adutora em conduto forçado por gravidade encontra-se um diâmetro D que não seja convencional.
O emprego do diâmetro comercial D1 imediatamente inferior a D implicaria na obtenção de uma vazão Q1 inferior à desejada Q. Por outro lado, a adoção do diâmetro comercial D2 imediatamente superior a D tornaria a adutora capaz da vazão Q2, superior a Q. Sendo este o valor desejado e como na prática somente se usam os diâmetros comerciais, o problema será resolvido com o emprego de uma adutora com trechos de diâmetros desiguais, cuja extensão total L fique subdividida nos trechos L1 e L2 de diâmetros respectivos D1 e D2.
Adutora em paralelo é integrada por condutos situados um ao lado do outro, geralmente duas ou mais tubulações.
Quando a cidade ainda não dispõe de sistema de abastecimento de água, as adutoras projetadas poderão possuir, ao invés de um, dois condutos paralelos, dos quais apenas um para ser instalado na primeira etapa do projeto.
Os dois condutos são dimensionados para dar em conjunto a vazão final Q, geralmente cada um a vazão Q/2.
8.4. Hidráulica das canalizações
O escoamento da água em canalizações de abastecimento de água é sempre considerado para efeito de cálculo, em regime permanente.
Duas equações da hidráulica são necessárias para a solução dos diversos problemas:- a equação de continuidade;- o teorema de Bernoulli.
A equação da continuidade diz-nos que:
Onde:
Q = vazão em metros cúbicos por segundoA = a seção transversal da canalização em metros quadradosV = velocidade média do escoamento
O teorema de Bernoulli aplicado às seções 1 e 2 de um de um conduto, para o líquido real (água) em escoamento:
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Figura 8.4.1 (a) – Representação gráfica da perda de carga
Onde:
V1 e V2 = velocidade médias em metros por segundo g = aceleração da gravidade em metros por segundo ao quadrado P1 e P2 = pressões em quilogramas força por metro quadrados w = peso específico da água em quilogramas por metro cúbico Z1 e Z2 = cota da canalização, relativamente a um plano horizontal de referência, em metros h = perda de carga por atrito no escoamento entre as seções 1 e 2, em metros.
= perdas de carga localizadas devidas às mudanças de direção, ou de seção, ou a órgãos no trajeto da água, em metros.
As perdas de carga por atrito podem ser calculadas por uma fórmula prática, ou pela fórmula universal de perda de carga.
Para condutos forçados é muito utilizado, a fórmula de Hazen-Williamns:
Ou
Onde:
J = perda de carga unitária
C = coeficiente dependente da rugosidade da parede interna da canalização que são tabelados.
A fórmula universal de perda de carga:
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Número de Reynolds
Raio hidráulico
Diâmetro hidráulico
No caso de condutor circular, o diâmetro hidráulico coincide com o diâmetro do próprio condutor.
Onde:
L = comprimento da canalizaçãoD = diâmetro hidráulicoK = rugosidade equivalente (rugosidade relativa ou grau de rugosidade K = k/D) f = coeficiente universal de perda de cargahf = perda de carga total
ν = viscosidade cinemática em (ν = 10-6 )
Obs. Diagrama de Moody e Diagrama de Rouse, fornecem (f) em função de R e k/D ou D/k (rugosidade relativa).
Exemplo 1:
Uma adutora em fofo, com 3 270 m de comprimento, interliga uma captação à uma E.T A, sabendo-se que o desnível é de 60,82 m e que a vazão média é de 62,8 L/s, pede-se o diâmetro da adutora.
Rugosidade para fofo revestida cimento k = 10-4 m.
Adotando-se um diâmetro D = 0,20 m.
Solução:
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Aula 08 – AduçãoTem-se:
Q = A V V = Q/A
= = 2 m/s
Verificando a perda de carga para esse diâmetro:
Pelo diagrama de Moody
f (R, ) f (4x105; 5x10-4)...................f = 0,0179
Perda de carga total para a vazão dada, no diâmetro escolhido, com o comprimento verificado; a velocidade é obtida pelo arbitramento do diâmetro.
8.5- Dimensionamento hidráulico das adutoras por gravidade
8.5.1- Valores intervenientes
Para o dimensionamento de uma adutora há necessidade do conhecimento prévio dos seguintes elementos:
a) Vazão de adução (Q);b) Comprimento (L);c) material do conduto, que determina a rugosidade (por exemplo: coeficiente C da
fórmula de Hazen & Williams, da fórmula de Basin, n da fórmula de Ganguillet & Kutter e também de Manning).
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Aula 08 – AduçãoA vazão de adução, Q, é estabelecida em função da população a ser abastecida, da
quota per capta, do coeficiente relativo ao dia de maior consumo e do número de horas de funcionamento.
O comprimento do trecho e a diferença entre os níveis de água são quase sempre dados físicos previamente fixados. No entanto, por razões técnicas ou econômicas, pode haver conveniência em se alterar esses elementos, particularmente o desnível entre as extremidades na tubulação.
Os coeficientes que estabelecem relação com a rugosidade do material são estudados e tabelados nos compêndios de hidráulica.
Utiliza-se, geralmente a fórmula de Hazen & Williams para o cálculo de condutos forçados. Por meio de ábaco que permite aplicar a fórmula para usos gerais e uma relação de valores de coeficientes C em função dos vários materiais de fabricação dos condutos.
Para o caso de condutos livres, têm sido comumente aplicadas às fórmulas de Bazin, Ganguillet & Kutter ou ainda a chamada fórmula de Kutter simplificada.
Entre os problemas hidráulicos, há ainda aqueles que dizem respeito a verificação das condições de operação de uma adutora existente, para conhecimento da vazão aduzida, ou para estudar a substituição ou duplicações de trechos de canalização, visando aumentar o escoamento.
Exemplo 2.
Uma adutora interligando 2 reservatórios, distanciados entre si de 4 820 m, deverá veicular uma vazão média de 150 L/s. Os níveis médios de água nesses reservatórios correspondem às cotas altimétricas de 237, 45 m e 215,73 m, respectivamente. Determinar:
a) o diâmetro dessa adutora admitindo ser a mesma de cimento-amianto; b) a vazão efetiva que poderá aduzir e a velocidade correspondente.
Solução:
Desnível médio entre os reservatórios (carga disponível)
= 237,45 – 215,73 = 21,72 m.
Para se obter menor diâmetro, todo o desnível deverá ser aproveitado para vencer as forças de atrito. Isto significa atribuir máxima perda de carga no escoamento. Assim sendo:
- Gradiente hidráulico (corresponde à perda de carga unitária):
(Q; J)....................................................Ábaco(150 L/s; 4,5 m/km) .............................Ábaco para C = 140........................D = 400mm
Para utilizar o ábaco entra-se com os valores correspondentes à vazão e a perda de carga unitária. Utilizando um ábaco traçado para os tubos com C = 140 (Ver catálogo sobre tubos de pressão, da Brasilit ou da Eternit), chega-se a um diâmetro superior a 350 mm. Adota-se o de 400 mm.
Q = A x VQ = 3,14 x 0,42/4x 1,5
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Aula 08 – AduçãoA vazão efetiva que a adutora poderá veicular para esse diâmetro será então de 190
L/s, sendo de 1,5 m/s a velocidade correspondente.
Para utilizar o ábaco abaixo, traçado para C = 100, é necessário previamente ajustar a perda de carga para o caso de C = 140, dividindo o valor calculado de J por 0,536.
Figura 8.5 (a) – Nomograma da fórmula de Hazen-Williams C = 100
Tem-se, então,
Entrando no ábaco com Q = 150 L/s e J=8,4 m/Km, obtém-se um diâmetro ligeiramente superior a 350 mm, como no outro caso. E a velocidade 1,5 m/s.
Q = A x V
Q =
Q =
Q = 0,144 m3/s = 144,2 L/s
8.6- Dimensionamento hidráulico das adutoras por recalque
8.6.1- Valores intervenientes
São elementos inicialmente conhecidos:
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Aula 08 – Aduçãoa) A vazão de adução, Q;b) O comprimento da adutora, L;c) O desnível a ser vencido, Hg;d) O material de fabricação do conduto, que determina a rugosidade das paredes.
Procuram-se, nos problemas de adução por recalque, determinar o diâmetro D da linha e a potência P da bomba que vai gerar a pressão necessária para vencer o desnível indicado, à vazão desejada.
A função da bomba em gerar pressão, permite admitir que a água tenha alcançado um cota equivalente ao ponto A`, da Figura 8.6 (a), ao entrar na adutora.
Figura 8.6 (a) – Adutora por recalque
Quanto mais elevado estiver A`, ou seja, quanto maior a altura manométrica gerada pela bomba, maior será a declividade da linha piezométrica e menor poderá ser o diâmetro exigido para conduzir a vazão considerada. Por outro lado, a pressão produzida pela bomba está diretamente relacionada com a potência do equipamento.
Existe nesses problemas uma indeterminação a ser levantada, pois há uma infinidade de pares de valores de D e de P que permitem solucionar a questão, para a mesma vazão de bombeamento.
8.6.2- Soluções de casos práticos
Essa indeterminação é levantada, na prática, introduzindo-se a condição de mínimo custo da tubulação de diâmetro D e da bomba de potência P necessárias.
Sob a condição acima e mais uma série de hipóteses simplificadoras, deduz-se matematicamente a seguinte expressão conhecida como Fórmula de Bresse, aplicável com vantagem no pré-dimensionamento das tubulações de recalque:
Onde:
D = diâmetro da adutora;Q = vazão da adutora em m3/s;k = coeficiente que depende do peso específico da água, do regime de trabalho e rendimento das bombas, da natureza do material da tubulação, e dos preços unitários dos componentes. Normalmente adota-se k = 1,3.
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Aula 08 – AduçãoCom o valor do diâmetro assim obtido, pode-se pesquisar por tentativas uma dimensão
prática no entorno do valor obtido que mais se aproxime da solução de máxima economia global, levando em conta o custo de instalação e os gastos anuais de amortização e de operação.
Exemplo 3
Determinar o diâmetro de uma adutora de recalque com uma extensão de 2 200 m destinada a conduzir a vazão de 45 L/s, vencendo desnível geométrico de 51 m.
Adotar: tubulação de ferro fundido, e a fórmula de Hazen-Williams, com coeficiente C = 100. A adutora irá funcionar 24h/dia.
Solução
1) A fórmula de Bresse fornece o seguinte diâmetro aproximado:
= 0,250 m
Faz-se uma análise em torno do diâmetro comercial mais próximo.
D1 = 0,200 m;D2 = 0,250 m;D3 = 0,300 m.
8.6 – Estações de recalque
Uma estação de recalque, normalmente é composta dos seguintes elementos:
1) Sala das bombas;2) Poço de sucção;3) Tubulações de sucção e recalque, com os respectivos acessórios e dispositivos
complementares;4) Equipamento elétrico;5) Dispositivos auxiliares.
8.6.1- Sala de bombas
Abriga os conjuntos elevatórios, equipamentos elétricos de proteção, controle e comando, e dispositivos de leituras. Suas dimensões devem permitir facilidade de locomoção, manutenção, montagem, desmontagem, movimentação de equipamentos e facilidade de serviços de manobras. Deve contar também com dependências para uso do operador, tais como sala e sanitário.
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8.6.2 – Poço de sucção
Compartimento destinado a receber a tubulação de sucção da bomba. Conforme a posição da bomba em relação ao nível de água, o funcionamento é
afogado ou não.
Figura 8.6 (a) – Tipos de instalações de poços de sucção
Figura 8.6 (b) - Dimensões recomendadas para o poço de sucção
8.6.3 – Tubulações de sucção e recalque, acessórios e dispositivos complementares
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Figura 8.6 (c) – Principais componentes das tubulações de sucção e de recalque
São as tubulações de entrada e saída da água na bomba, geralmente em fofo, com flanges; também se apresentam em ferro galvanizado ou tubos de aço.
8.6.4- Equipamento elétrico
Dispositivos de comando e proteção dos motores, tais como quadro de comando e proteção, chave compensadora, transformadores.
8.6.5- Dispositivos auxiliares
São os medidores de vazão, de nível de água, dispositivos de escorva e dispositivos de movimentação de equipamentos tais como: talhas, vigas e sarilho, ou ponte rolante.
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