O principal objetivo do dimensionamento hidráulico de uma tubagem é determinar o seu diâmetro. As condições básicas de design são o caudal necessário e a pressão exigida nos terminais da rede. Além disso, intervêm outros fatores como a velocidade do design ou as perdas de carga (contínuas e localizadas), e também as características próprias dos materiais da rede (rugosidade e custo, principalmente).
A perda de carga numa tubagem ou canalização é a perda de pressão que ocorre num fluido devido ao atrito das partículas do fluido entre si e contra as paredes da tubagem que as transporta. As perdas podem ser contínuas, ao longo das condutas regulares, ou acidentais ou localizadas, devido a circunstâncias particulares, como um estreitamento, uma mudança de direção, a presença de uma válvula, etc.
A determinação do diâmetro de uma conduta de PVC-O TOM® sob pressão é feita tendo em consideração:
- Os parâmetros hidráulicos (caudal, perdas de carga e velocidade), para uma conduta por gravidade.
- Os parâmetros hidráulicos e económicos ótimos (custo de bombeamento e amortização das instalações) para uma conduta por bombeamento.
- Dependendo das condições de serviço, deve-se medir os possíveis riscos de golpe de aríete, cavitação e abrasão, e instalar as proteções adequadas.
1- Uma conduta por gravidade ocorre quando a elevação da água na fonte de abastecimento é superior à altura piezométrica exigida ou existente no ponto de entrega da água.
Neste caso, o transporte do fluido é feito pela diferença de energias disponível, ou seja, aproveita-se a topografia existente para que o transporte seja realizado sem a necessidade de bombeamento, atingindo assim um nível de pressão aceitável.
A fórmula que relaciona o caudal com a velocidade do fluido é a seguinte:
- Q: caudal em função das necessidades, em l/s.
- v: velocidade da água na conduta, em m/s.
- DI: diâmetro interno da conduta, em m.
Para calcular as perdas de carga contínuas recomenda-se utilizar a expressão universal de Darcy-Weisbach:
- J: perda de carga contínua, por unidade de longitude, em m/m
- v: velocidade de circulação da água, em m/s
- ΔHc: perda de carga contínua, em m
- L: longitude da secção, em m
- DI: diâmetro interior do tubo, em m
- g: aceleração da gravidade, em m/s²
- f: coeficiente de perda de carga por unidade de longitude (ou coeficiente de fricção), adimensional
Uma vez que as tubagens de PVC-O são completamente lisas, o cálculo do coeficiente de perdas de carga ou de energia por unidade de longitude (f) que aparece na fórmula de Darcy-Weisbach pode ser realizado usando as seguintes expressões empíricas:
- Prandtl-Colebrook-White:
- Blasius:
- v: velocidade de circulação da água, em m/s
- c: coeficiente de rugosidade de Hazen-Williams (para o caso das tubagens de PVC-O TOM®, C = 150 para conduta nova e C = 140 para conduta em serviço)
- DI: diâmetro interior do tubo, em m
- J: perda de carga contínua, por unidade de longitude, em m/m
- Ka: rugosidade absoluta em m (para as tubagens de PVC-O TOM® ka = 0,003∙10-3 m para conduta em nova e ka = 0,007∙10-3 m para conduta em serviço)
- n: coeficiente de rugosidade de Manning. Para o caso das tubagens de PVC-O TOM®, n = 0,007 para conduta nova e n = 0,009 para conduta em serviço
- f: coeficiente de perda de carga por unidade de longitude (ou coeficiente de fricção), adimensional
- Re: número de Reynolds, adimensional
- vc: viscosidade cinemática, em m2/s (1,01 x10-6, para a água a 20 °C)
Adicionalmente às perdas de carga contínuas devidas ao atrito, devem ser calculadas as perdas de carga localizadas (ΔHl) dos acessórios; estas serão significativas se os acessórios forem numerosos ou se a tubagem for relativamente curta. Estas perdas podem ser avaliadas como uma fração kl do termo V2/2g ou como um comprimento equivalente. O coeficiente K é adimensional e depende da singularidade e da velocidade média no interior da tubagem.
Portanto, a expressão para calcular a perda de carga total seria a seguinte:
2- Por outro lado, a conduta por bombeamento é necessária quando é necessário adicionar energia para obter o gasto de design. Este tipo de conduta é usada, geralmente, quando a elevação da água na fonte de abastecimento é menor que a altura piezométrica necessária no ponto de entrega. Neste caso, o equipamento de bombeamento proporciona a energia necessária para conseguir o transporte da água.
A informação principal que deve ser conhecida é o caudal de água que queremos transportar e, em função desse valor, será determinada a solução económica ideal para o projeto. O resto dos fatores que entram em jogo são: o diâmetro da tubagem (DI), a velocidade da conduta, a perda de carga produzida por essa velocidade, a pressão no ponto de fornecimento e a potência necessária do grupo motobomba.
Os conceitos de caudal (Q), coeficiente de perda de carga (J), perda de carga contínua (ΔHc) assim como perdas de carga localizada (ΔHTL), são igualmente aplicáveis no caso de uma conduta por bombeamento.
A superfície interior extremamente lisa das tubagens plásticas (menor rugosidade interna) e a ausência de incrustações nestes materiais, permitem uma redução das perdas de carga e, portanto, a igualdade do diâmetro interior, um maior caudal transportável com a mesma energia. Deve-se notar também que, devido à sua menor aderência, permitem que a secção hidráulica útil do tubo se mantenha constante ao longo de toda a sua vida útil.
A lisura interna das tubagens plásticas tem sido destacada como uma das principais vantagens na sua utilização. O seu baixo coeficiente de rugosidade absoluta produz perdas de carga unitária dos fluidos que circulam por elas muito inferiores às produzidas noutros materiais tradicionais de maior rugosidade.