Noções de hidráulica e mecânica dos fluídos

Este texto apresenta alguns conceitos básicos, envolvendo o campo da Física e da Mecânica dos Fluídos, com o propósito de auxiliar a correta seleção de bombas hidráulicas. Para facilitar sua leitura, optou-se por não utilizar simbologia nas fórmulas apresentadas.

É muito comum confundir pressão com força. A pressão, no entanto, leva em conta não só a força como também a área em que ela atua. Pressão é a força dividida pela área.

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Exemplo:

Tomemos um bloco medindo 10 cm x 10 cm x 50 cm que pesa 50 kgf. Qual a pressão que ele exerce sobre o solo? Isto depende da área de apoio do bloco sobre o solo. Veja as duas possibilidades abaixo.

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Veja os exemplos abaixo. Vamos calcular a pressão exercida pela água sobre o fundo dos reservatórios. Lembre-se de que o peso específico da água é de 1.000 kgf/m³.

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Comparando-se a altura dos reservatórios com a pressão, pode-se observar que a pressão não depende da área, mas somente da altura do reservatório, ou seja, a pressão é proporcional aos METROS DE COLUNA DE ÁGUA (mca). Nos exemplos anteriores temos:

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Uma vez que as pressões dependem somente da altura da coluna de líquido, pode-se concluir facilmente que as pressões em qualquer ponto no interior do líquido não dependem do formato ou do volume do reservatório. Por exemplo:

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Por isso, as unidades usuais de medida de pressão indicam ou FORÇA POR UNIDADE DE ÁREA ou ALTURA DE COLUNA DE LÍQUIDO:

• kgf/cm2 (quilogramas por centímetro quadrado)
• kgf/m2 (quilogramas por metro quadrado)
• lb/sq.in ou PSI ou lb/pol2 (libras por polegada quadrada)
• mca (metros de coluna de água)
• feet head of water (pés de coluna de água)
• mm Hg (milímetros de coluna de mercúrio)

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Vivemos em um oceano de ar. Como o ar tem peso, ele exerce uma pressão semelhante à exercida pela água. Entretanto, diferentemente da água, o ar torna-se cada vez menos denso quanto mais afastado se encontra da superfície da terra. Assim, a pressão por ele exercida não pode ser medida simplesmente em termos da altura da "coluna de ar" existente sobre um ponto. O valor dessa pressão, medida ao nível do mar, situa-se em torno de 1 kgf/cm². O valor de uma atmosfera física é de 1,0332 kgf/ cm² ou 10,332 mca ou 760 mmHg.

Cabe agora fazer uma distinção entre PRESSÃO ABSOLUTA e PRESSÃO EFETIVA no interior de um líquido.

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A PRESSÃO ABSOLUTA é a pressão total em um ponto qualquer no interior do líquido, sendo portanto, igual à pressão da altura da coluna de líquido somada à pressão atmosférica.

A PRESSÃO EFETIVA, MANOMÉTRICA ou RELATIVA é simplesmente o valor da pressão causada pela altura da coluna de líquido, sendo uma indicação de quanto a pressão no ponto é maior do que a pressão atmosférica. É também chamada manométrica, pois é a indicada pelos manômetros.

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A pressão atmosférica é muito importante para o funcionamento de uma bomba centrífuga, uma vez que ela é responsável pela "aspiração" 134 Aquecimento de Água por Energia Solar Impresso em novembro de 2005 de água de um reservatório, cujo nível esteja situado abaixo do nível da bomba. Vejamos como isso ocorre. Tomemos como exemplo o caso de um tubo U com um pouco de água. O nível nos dois braços será o mesmo e o ar estará exercendo a mesma pressão sobre as duas superfícies da água. Aspire um pouco de ar de um dos lados, de modo a diminuir a pressão nele. A pressão maior no outro lado forçará a água para baixo, fazendo-a subir no braço oposto até as pressões novamente se igualarem (Fig. 1). O mesmo ocorre quando você chupa o ar de um canudo de refresco, pois é a pressão atmosférica sobre a superfície do refresco que o força a subir pelo canudo (Fig.2).

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Abaixo ilustramos a relação entre as pressões atmosféricas (barométrica), absoluta, manométrica e de vácuo. Temos vácuo quando a pressão é inferior à atmosférica, ou seja, pressões efetivas negativas. Nos exemplos do tubo U, do canudo de refresco e da bomba centrífuga há formação de vácuo parcial onde há sucção.

Vazão é a quantidade de líquido que passa através de uma seção por unidade de tempo. A quantidade de líquido pode ser medida em unidades de massa, de peso ou de volume, sendo estas últimas as mais utilizadas. Por isso, as unidades mais usuais indicam VOLUME POR UNIDADE DE TEMPO

• m3/h (metros cúbicos por hora)
• l/h (litros por hora)
• l/min (litros por minuto)
• l/s (litros por segundo)
• gpm (galões por minuto)
• gph (galões por hora)

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O termo velocidade normalmente refere-se à velocidade média de escoamento através de uma seção. Ela pode ser determinada dividindo-se a vazão pela área da seção considerada.

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As unidades usuais de medida indicam DISTÂNCIA POR UNIDADE DE TEMPO:

• m/min (metros por minuto)
• m/s (metros por segundo)
• ft/s (pés por segundo)

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Por isso, deve-se sempre calcular a velocidade utilizando-se unidades coerentes para os valores da vazão e da área.

Exemplo: Vazão 200 l/min

Tubulação PVC marrom de 50 mm. Transformaremos a unidade de vazão para m³/s e calcularemos a velocidade em m/s.

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Obviamente, para calcular a vazão através de uma seção, com uma dada velocidade de escoamento, basta multiplicar a área da seção pela velocidade, desde que medidas em unidades coerentes:

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Exemplo: Tubulação galvanizada de 6" classe pesada

Velocidade: 2 m/s

Necessitamos introduzir o conceito físico da palavra TRABALHO para podermos depois caracterizar o que é POTÊNCIA e o que é ENERGIA.

Em física, há realização de um trabalho sempre que há aplicação de uma força a um corpo e este se desloca na direção dessa força. O trabalho é igual ao produto da força pela distância percorrida na direção da força.

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Entre as unidades usuais de medida, interessa-nos o que é unidade de medida do trabalho, quando a força é medida em kgf e a distância em m.

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Exemplos: Vamos calcular o trabalho realizado:

a) Para elevar um tijolo que pesa 1,5 kgf do chão até um andaime a 4 m de altura.

b) Para arrastar uma caixa que pesa 50 kgf, necessitando-se para isso, empurrá-la com uma força de 20 kgf para um local distante 15 m.

FORÇA: 20 kgf (força na direção do deslocamento)

DISTÂNCIA: 15 m

TRABALHO: 20 x 15 = 300 kgfm

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c) Para elevar um reservatório contendo 3 m³ de água a uma altura de 5 m, sendo o peso do reservatório 200 kgf.

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DISTÂNCIA: 5 m

TRABALHO: 3200 x 5 = 16000 kgfm

Note que o trabalho para elevar o reservatório é de 200 x 5 = 1000 kgfm e, para elevar a água de 3000 x 5 = 15000 kgfm.

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As unidades usuais de medida são:

cv (cavalo-vapor) - equivalente a 75 kgfm/s

W (Watt) - equivalente a 0,102 kgfm/s

Observe que a potência aumenta quando diminui o tempo para realização de um trabalho.

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Tomemos como exemplo as situações descritas no item TRABALHO:

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Da simples comparação dos valores obtidos, conclui-se que com qualquer potência podemos realizar um dado trabalho, mas quanto maior for a potência empregada, menor será o tempo gasto para a realização do trabalho.

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É extremamente difícil definir o que é energia. O conceito que nos parece mais válido para efeito destas Noções de Hidráulica é o seguinte: ENERGIA É A CAPACIDADE DE REALIZAR TRABALHO, isto porque, para realizar qualquer trabalho, necessitamos de energia.

A energia é encontrada sob várias formas. Vejamos alguns exemplos:

• energia química - nas baterias e combustíveis;
• energia atômica - nos elementos químico-radioativos;
• energia hidráulica - nos reservatórios de água elevados (represas);
• energia eólica - nos ventos;
• energia elétrica - nas redes de energia elétrica;
• energia solar - proveniente do sol;
• energia térmica - no vapor das caldeiras.

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Podemos transformar uma forma de energia em outra, por exemplo:

• a energia química de uma bateria transforma-se em energia elétrica, que ao acionar o motor de arranque de um veículo, transforma-se em energia mecânica.
• a energia atômica transforma-se em energia térmica ao gerar vapor de um reator atômico. Essa energia térmica transforma-se em energia mecânica ao acionar uma turbina. Essa energia mecânica transforma-se em elétrica, quando a turbina aciona um gerador. A energia elétrica transforma-se em energia mecânica, ao acionar o motor elétrico. Essa energia mecânica transforma-se em energia hidráulica, ao acionar uma bomba etc.

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ENERGIA POTENCIAL E ENERGIA CINÉTICA: esta é outra distinção interessante entre as formas de apresentação da energia.

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A energia potencial é a que existe em estado latente, em condição de ser liberada como a contida nos reservatórios de água elevados e na mola comprimida de um relógio.

A energia cinética é a energia que um corpo possui em virtude de seu movimento, como a contida numa enxurrada ou num martelo ao atingir um prego.

Apesar de podermos transformar uma forma de energia em outra, nunca podemos criar ou destruir energia. Esta é a lei da CONSERVAÇÃO DE ENERGIA. A quantidade de energia contida no universo é constante e eterna.

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As unidades de medida são as mesmas de medida do trabalho, ou seja, kgfm. São também usuais as unidades que medem o trabalho realizado (ou energia consumida) a partir da potência empregada, multiplicada pelo tempo de sua aplicação.

Ou seja, do item TRABALHO temos: ENERGIA = TRABALHO = POTÊNCIA x TEMPO, resultando na unidade de medida:

Wh (Watt-hora) equivalente a 367 kgfm

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Exemplo: Qual o consumo de energia de uma lâmpada de 100 W de potência, acesa durante 2 horas?

ENERGIA CONSUMIDA: 100 W x 2 h = 200 Wh = 0,2 kWh

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Indica a eficiência da conversão de energia. É a relação entre a energia útil obtida (trabalho útil) e a energia total consumida.

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Se considerarmos a energia ou o trabalho por unidade de tempo, temos:

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Sendo a energia consumida para arrastar a caixa de 1 wh, qual o rendimento obtido?

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A diferença entre a energia consumida e a energia útil é perdida por atrito, choques, calor etc... São as chamadas PERDAS.

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Consideremos uma tubulação qualquer onde esteja ocorrendo escoamento de água de 1 para 2:

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A energia total da água em qualquer seção da tubulação é composta por:

• energia potencial da posição (altura geométrica)
• energia potencial da pressão interna
• energia cinética da velocidade de escoamento

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Se não houvesse perdas, aplicando-se a lei da conservação da energia, concluir-se-ia que o valor da energia total é o mesmo em todas as seções da tubulação.

Mas existem perdas, causadas basicamente pelo atrito da água contra a tubulação e pelos choques que ocorrem em função da turbulência e das mudanças bruscas de direção do escoamento. A energia assim dissipada é chamada de PERDA DE CARGA.

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Assim, observando-se a figura anterior, o que se pode afirmar é que:

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Bernoulli demonstrou que a energia total específica (por unidade de peso) em qualquer seção pode ser expressa em termos de alturas de coluna de água, ou seja:

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Podendo-se adotar para valor de aceleração da gravidade: 9,81 m/s²

A energia total específica, que é a soma das três parcelas, é chamada de ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL.

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Veja como podemos representar essas energias e a perda de carga na tubulação do item 11.

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Para fixar o conceito de altura manométrica total (ou energia total específica) observe atentamente os seguintes exemplos:

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a) Tubulação com vazão de 360 m³/h, sendo a pressão no ponto considerado de 5 kgf/cm² e a seção de 0,20 m². Qual a altura manométrica total nesse ponto?

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Escolhendo como referência um plano que passa pelo centro da tubulação temos:

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b) Se essa tubulação for horizontal, qual será a pressão a 300 m de distância, sendo a perda de carga de 2 mca?

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A altura manométrica total em 2 será igual à altura manométrica total em 1 diminuída da perda de carga.

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c) Se a mesma tubulação for inclinada, elevando-se a uma altura de 15 m, qual será a pressão em 2?

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A altura manométrica total em 2 será sempre igual à altura manométrica total em 1 diminuída da perda de carga. Portanto:

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d) Se o diâmetro da tubulação, nesta última condição, for de 0,01 m² na seção 2 e, devido a isso, a perda de carga for de 8 mca, qual será a pressão em 2?

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Observe o exemplo "c" e note que parte da ALTURA PIEZOMÉTRICA em 1 transformou-se em ALTURA GEOMÉTRICA em 2. No exemplo "d" a ALTURA PIEZOMÉTRICA em 1 transformou-se parcialmente em ALTURA GEOMÉTRICA e ALTURA DINÂMICA em 2. São simplesmente conversões de forma de energia.

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A água sempre fluirá naturalmente de uma condição de energia maior para outra de energia menor. Por exemplo: de um reservatório elevado (altura geométrica maior) ou do tanque de um sistema hidropneumático de pressão (altura piezométrica maior).

Como é possível fazer a água fluir para uma condição de energia maior, como por exemplo de um poço para uma caixa d'água elevada?

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Obviamente fornecendo energia à água. É isso que uma bomba hidráulica faz: converte a energia mecânica que recebe do motor de acionamento em energia hidráulica.

Quanta energia deve a bomba fornecer?

Deve fornecer uma quantidade de energia total específica (por unidade de peso), ou seja, uma ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL, igual à variação de ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL da água (entre as condições inicial e final) somada às PERDAS DE CARGA na tubulação.

Exemplo: Propositalmente daremos um exemplo utilizando a situação mais complexa possível.

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Consideremos, hipoteticamente, que possam ser mantidas constantes as condições de vazão e de pressão antes da bomba.

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ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL EM 1

ALTURA GEOMÉTRICA EM 1 = 0

ALTURA PIEZOMÉTRICA EM 1

1 kgf/cm² = 10000 kgf/m² = 10 mca

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ALTURA DINÂMICA EM 1

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ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL EM 1 = 0 + 10 + 0,051 = 10,051 mca

ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL EM 2

ALTURA GEOMÉTRICA EM 2 = 10 mca

ALTURA PIEZOMÉTRICA EM 2

20 kgf/cm² = 200000 kgf/m² = 200 mca

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ALTURA DINÂMICA EM 2

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ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL EM 2

10 + 200 + 20,387= 230,387 mca

ALTURA MANOMÉTRICA DA BOMBA

Alt. Man. Bomba = Alt. man. 2 - Alt man. 1 + Perdas de carga
Alt. Man. Bomba = 230,387 - 10,051 +5 = 225,336 mca

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A energia total fornecida à água pode ser calculada multiplicando-se a energia total específica (ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL) pelo peso da água bombeada (VOLUME X PESO ESPECÍFICO). Se dividirmos pelo tempo gasto, teremos a potência utilizada, que chamamos de POTÊNCIA HIDRÁULICA ÚTIL.

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A título de curiosidade, note que uma ALTURA multiplicada por um PESO é uma realização de TRABALHO, que dividido pelo TEMPO resulta na POTÊNCIA empregada.

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Para a ÁGUA, introduzindo-se na fórmula o peso específico de 1000 kgf/m³, a vazão em m³/h e a altura manométrica em mca, resulta para a potência hidráulica útil em cv.

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Exemplo: Calcular a potência hidráulica útil fornecida pela bomba do exemplo do item 13.

ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL = 225,336 mca

VAZÃO = 72 m³/h

POTÊNCIA HIDRÁULICA ÚTIL = 225,336 X 72 / 270 = 60,1 cv

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A potência consumida pela bomba depende do seu rendimento ou eficiência.

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Exemplo:

Qual a potência que deve fornecer um motor elétrico para acionar a bomba dos exemplos anteriores, supondo que seu rendimento é de 70%?

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O rendimento das bombas centrífugas varia, normalmente, de 0,45 a 0,75. Bombas de grandes dimensões podem atingir rendimento de 0,85.

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A perda de carga (perda de energia) da água fluindo por um circuito hidráulico depende:

• do diâmetro da tubulação
• da vazão, ou mais especificamente, da velocidade de escoamento.
• da rugosidade interna do tubo e, portanto, do material de fabricação do tubo (aço, PVC etc).
• do comprimento da tubulação
• das singularidades existentes no circuito

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São chamadas de singularidades as peças, dispositivos ou conexões (curvas, válvulas, registros, válvulas de retenção, luvas de redução etc.) nos quais ocorrem perdas de carga localizadas.

A perda de carga em função da vazão, para os vários diâmetros e tipos de tubos, é normalmente apresentada em tabelas ou ábacos, usualmente para cada m ou 100 m de tubulação.

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A perda de carga das singularidades está geralmente indicada em termos do comprimento de tubo que produz a mesma perda de carga. É o chamado COMPRIMENTO EQUIVALENTE.

Consulte a tabela anexa para determinar perda de carga em tubulações de PVC.

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Determine a vazão e a altura manométrica total requerida.

Procure a bomba de menor potência que satisfaça esses valores, ou seja, a bomba mais eficiente, de melhor rendimento

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Para determinar a potência aproximada da bomba, calcule-a utilizando um rendimento de 0,50, pois só coincidentemente você encontrará uma bomba comercial exatamente adequada às suas necessidades.

Exemplo:

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