Uso das Equações de Darcy-Weisbach e Colebrook-White em Condutos Forcados
HIDRÁULICA APLICADA A TUBULAÇÕES - CONDUTOS FORÇADOS
Análise de escoamento em condutos forçados. Uso das equações de Darcy-Weisbach e de Colebrook-White.
Eng. Luiz A. Camargo (*)
Neste texto, interessa-nos mostrar os aspectos práticos que envolvem a análise do escoamento de fluidos incompressíveis em condutos forçados, uniformes e de seção circular, em regime permanente. Esta reunião de condições representa a maioria das situações com as quais uma grande parte dos projetistas de hidráulica se defronta no seu dia-a-dia. Por esta razão é que este tema é aqui apresentado. Contudo, não tem o presente trabalho a intenção de esgotar o assunto, e nem de apresentar, questionar ou demonstrar teorias hidráulicas, pois isto já é amplamente tratado na literatura corrente sobre o assunto, mas sim mostrar tópicos práticos relevantes sobre o dimensionamento hidráulico de condutos forçados. Aqueles que desejarem se aprofundar mais no assunto, poderão consultar as referências indicadas no final do texto.
Entende-se por conduto forçado àquele no qual o fluido escoa à plena seção e sob pressão. Os condutos de seção circular são chamados de tubos ou tubulações. Um conduto é dito uniforme quando a sua seção transversal não varia com o seu comprimento. Se a velocidade do fluido em qualquer seção do conduto não variar com o tempo, o regime de escoamento é dito permanente.
A densidade dos líquidos, ao contrário do que se passa com os gases, varia muito pouco quando se varia a sua pressão ou temperatura. A título de exemplo, considerando que a água tem compressibilidade igual a 5.10-5 cm2/Kgf, isto significa que em condições normais seria necessário um incremento de pressão de 20 Kgf/cm2 para que um litro de água se reduza de 1 cm3, ou seja, para que sua densidade aumente um milésimo. Por isto, do ponto de vista prático, a densidade da água e de qualquer líquido é independente da temperatura e da pressão. Diante dessa reduzidíssima variação da densidade, nos escoamentos de líquidos em regime permanente considera-se que os mesmos se comportam como incompressíveis. Neste contexto se incluem querosene, gasolina, álcool, óleo diesel, água, vinho, vinhoto, leite, etc.
Como este trabalho tratará de um tema da engenharia relacionado especificamente à hidráulica de tubulações, e alguns de seus aspectos dimensionais, pode-se iniciá-lo apresentando a equação da continuidade em sua forma mais comum:
Q = vazão no tubo (m3/s)
A = π.D2/4 = área da seção transversal do tubo (m2)
O critério para determinar se o escoamento é turbulento ou laminar, é a utilização do número de Reynolds:
Substituindo a Eq. 1 na Eq. 2, o número de Reynolds assume a conveniente forma:
ν = viscosidade cinemática do líquido (m2/s)
Nas condições normais de escoamento o número de Reynolds é interpretado conforme segue:
Re > 4000, então o escoamento é turbulento.
Re < 2000, então o escoamento é laminar.
Entre estes dois valores há a zona de transição, onde não se pode determinar com precisão os elementos do dimensionamento.
As equações que aqui são utilizadas se aplicam ao chamado escoamento turbulento. Em geral, o regime de escoamento na condução de líquidos no interior de tubulações é turbulento, exceto em situações especiais, tais como escoamento a baixíssimas vazões, como ocorre em gotejadores de irrigação, onde o escoamento é laminar.
Sempre que um líquido escoa no interior de um tubo de um ponto para outro, haverá uma certa perda de energia, denominada perda de pressão ou perda de carga. Esta perda de energia é devido ao atrito com as paredes do tubo e devido à viscosidade do líquido em escoamento. Quanto maior for a rugosidade da parede da tubulação, isto é, a altura das asperezas, maior será a turbulência do escoamento e, logo, maior será a perda de carga.
Já há cerca de dois séculos estudos e pesquisas vem sendo realizados, procurando estabelecer leis que possam reger as perdas de carga em condutos. Várias fórmulas empíricas foram estabelecidas no passado e algumas empregadas até com alguma confiança em diversas aplicações de engenharia, como as fórmulas de Hazen-Williams, de Manning e de Flamant. Mas, trabalhos de diversos investigadores tem mostrado que, em sua totalidade, são mais ou menos incorretas. A incorreção dessas fórmulas é tanto maior quanto mais amplo é o domínio de aplicação pretendido por seus autores.
que, após substituir valores e realizar operações, também assume uma conveniente forma:
f = fator de atrito (adimensional)
J = hf /L = perda de carga unitária (mca/m)
É o caso dos métodos iterativos, nos quais ordena-se adequadamente a equação, e arbitra-se um valor inicial qualquer para a variável procurada que está no seu segundo membro. Com o valor inicial já arbitrado, calcula-se um novo valor para esta mesma variável procurada, mas para a que está no primeiro membro. Se a diferença entre o valor inicial e o novo valor calculado estiver fora da precisão desejada, repete-se esta operação, porém colocando como valor inicial o novo valor calculado. Se a diferença aumentar diz-se que os valores estão divergindo, e se diminuir diz-se que os valores estão convergindo para a solução. O número de repetições, isto é, o número de iterações poderá ser pequeno ou não, dependendo do método a ser utilizado, e se sucederá até que a diferença seja suficientemente pequena ou compatível com a precisão desejada. É uma técnica manual, cuja solução se torna trabalhosa e enfadonha. Mas com o uso de programas para computadores, tal como o HidroTec Calculador, a resolução torna-se simples, automática e rápida. Num esquema básico de cálculo, passo-a-passo, seria algo do tipo:
1- Arbitra-se um valor inicial qualquer para a variável do segundo membro.
2- Calcula-se novo valor para a mesma variável que está no primeiro membro.
3- Compara-se a diferença entre o valor calculado e o valor inicial com a tolerância estabelecida.
4- Se maior, o novo valor passa a ser o valor inicial, e volta-se para o passso (2). Se menor passa-se para o passo (5).
5- O corrente valor da variável é o valor procurado.
Métodos iterativos como o de Newton são muito potentes e convergem muito rapidamente, podendo alcançar resultados altamente precisos com duas ou três iterações. Mas não serão aqui mostrados, pois requerem outros conhecimentos que nos tirariam do rumo aqui almejado. Neste texto se pretende mostrar em linguagem simples, como resolver a equação implícita de Colebrook em simultaneidade com a equação de Darcy, a equação da continuidade e o número de Reynolds, empregando um método iterativo simples, fácil e capaz de convergir com razoável rapidez quando aplicado a estas equações.
Na prática, em nosso dia-a-dia, em termos específicos, sempre nos deparamos com as três situações a seguir, que nos levam a calcular:
1) o diâmetro
2) a vazão (ou velocidade)
3) a perda de carga
Estas são em síntese, as três variáveis principais envolvidas no cálculo hidráulico, pois as demais (material do tubo, tipo de líquido, temperatura, etc), são básicas. Por qualquer método que viermos a empregar, para se determinar qualquer uma dessas três variáveis, as duas demais deverão ser conhecidas.
Então, substituindo-se as equações 3 e 5 na equação 6 e realizando operações, tem-se:
k = rugosidade equivalente da parede do tubo (m) - ver tabela adiante.
ν = viscosidade cinemática do líquido (m2/s) - ver tabela adiante.
Com isto passa-se a dispor do conjunto de equações que melhor se aplica a análise, ao cálculo e ao dimensionamento hidráulico de condutos forçados, uniformes, de seção circular, com qualquer diâmetro e comprimento, em regime permanente, para fluidos incompressíveis.
Ao invés de se calcular primeiramente o valor de f, estas equações possibilitam calcular logo diretamente os valores do diâmetro D, da vazão Q e da perda de carga unitária J, respectivamente. Note-se que a equação 8 é explícita. Já as equações 7 e 9 são implícitas e por isto, para facilitar a resolução, as variáveis recebem o índice "n", que indica um valor qualquer, ou inicial, e o índice "n+1", que indica o valor imediatamente subsequente. Em suma: atribui-se valor para a variável com índice "n" e calcula-se o valor da variável com índice "n+1", repetindo-se este procedimento até alcançar a precisão desejada. Os exemplos a seguir ilustram bem o uso desta técnica.
Um conduto cilíndrico, de ferro fundido com cimento centrifugado, comprimento 360 m, rugosidade equivalente de 10-4 m, conduz água à temperatura de 20 oC (ν = 10-6 m2/s), com vazão de 12 m3/s e sob a diferença de carga piezométrica nas seções extremas de 3,9 m. Pede-se o diâmetro.
ν = 0,000001 m2/s
k = 0,0001 m
Q = 12 m3/s
hf = 3,9 mca
L = 360 m
J = hf /L = 0,0108333 mca/m
Para determinar o diâmetro utiliza-se a equação 7:
Dn+1 = 3,074284.[-log10(0,000027.Dn-1 + 0,000005444.Dn-1,5)]-0,4
Será usada neste exemplo a precisão de 4 casas decimais, ou seja, o valor encontrado será dado como aceito quando o erro for na ordem de 10-4, isto é, 10 milésimos, ou 0,01%. Como valor inicial será adotado D = 1.
Como valor inicial tem-se Do = 1,0000
Iteração 1: com Do = 1,0000 tem-se D1 = 1,6861 (isto é, Dn = 1,0000 resulta em Dn+1 = 1,6861)
Iteração 2: com D1 = 1,6861 tem-se D2 = 1,6508
Iteração 3: com D2 = 1,6508 tem-se D3 = 1,6521
Iteração 4: com D3 = 1,6521 tem-se D4 = 1,6521
Neste ponto o cálculo pode ser interrompido já que D4 é igual a D3 . Isto significa que para esta tolerância o valor procurado já convergiu na terceira iteração. Logo, como resposta tem-se D = 1,6521 m.
Cálculo com o HidroTec Calculador:
- Seleciona-se o material da tubulação: ferro fundido com cimento centrifugado
- Seleciona-se o líquido: água
- Seleciona-se a temperatura: 20 oC
- Seleciona-se "Diâmetro interno" para calcular
- Entra-se com a vazão = 12 m3/s
- Entra-se com a perda unitária = 0.01083333 mca/m
- Saída: diâmetro interno D = 1,6526 m; e mais: f = 0,0112, Re = 8784901 e V = 5,592 m/s.
Num conduto cilíndrico de fibrocimento de comprimento igual a 100 m, de diâmetro igual a 0,20 m e de rugosidade equivalente uniforme de 10-4 m, está escoando água à temperatura de 20 oC (ν = 10-6 m2/s) com a vazão de 62,8 litros/s. Pede-se a perda de carga.
Q = 0,0628 m3/s
Para determinar a perda de carga, utiliza-se a equação 9:
Jn+1 = 0,25453.[-log10(0,000135 + 0,000006335.Jn-0,5)]-2
Neste exemplo também será usada a precisão de 4 casas decimais, ou seja, o valor encontrado será considerado como aceito quando o erro for na ordem de 10-4, isto é, 10 milésimos, ou 0,01%. Como valor inicial será adotado J = 1.
Como valor inicial tem-se Jo = 1,0000
Iteração 1: com Jo = 1,0000 tem-se J1 = 0,0185
Iteração 2: com J1 = 0,0185 tem-se J2 = 0,0182
Iteração 3: com J2 = 0,0182 tem-se J3 = 0,0182
Aqui interrompe-se o cálculo, uma vez que J3 é igual a J2 , o que significa que para esta tolerância o valor procurado convergiu com duas iterações. Logo, como resposta tem-se J = 0,0182 mca/m.
- Seleciona-se o material da tubulação: fibrocimento
- Seleciona-se "Perda unitária" para calcular
- Entra-se com a vazão = 0.0628 m3/s
- Entra-se com o diâmetro interno = 0.20 m
- Saída: perda unitária J = 0,01826 mca/m; e mais: f = 0,0179, Re = 379906 e V = 0,1998 m/s.
Nota: o cálculo aqui feito foi da perda unitária. Para encontrar a perda total basta multiplicar a perda unitária pelo comprimento, isto é, Nota: o cálculo aqui feito foi da perda unitária. Para encontrar a perda total basta multiplicar a perda unitária pelo comprimento, isto é, hf = J.L = 0,01826 x 100 = 1,826 mca.
Num conduto cilíndrico longo de concreto alisado centrifugado de diâmetro igual a 0,10 m e rugosidade equivalente de 3,0.10-4 m, está escoando água à temperatura de 37 oC (ν = 7,0.10-7 m2/s) com perda de carga unitária de J = hf /L = 0,0115 mca/m. Pede-se a vazão.
ν = 7.10-7 m2/s
k = 0,0003 m
J = hf /L = 0,0115 mca/m
Para determinar a vazão utiliza-se a equação 8:
Como a equação é explícita, o cálculo aqui é imediato: Q = 0,007155 m3/s.
Cálculo com o HidroTec Calculador
- Seleciona-se o material da tubulação: concreto alisado centrifugado.
- Seleciona-se a temperatura: 37 oC
- Seleciona-se "Vazão" para calcular
- Entra-se com a perda unitária: J = hf /L = 0.0115 mca/m
- Entra-se com o diâmetro interno = 0.10 m
- Saída: vazão Q = 0,007152 m3/s; e mais: f = 0,0271, Re = 128530 e V = 0,91 m/s.
Cabe ressaltar que, em que pese a técnica iterativa dar um pouco de velocidade ao cálculo, contudo permanece o mesmo sendo realizado manualmente, o que não deixa de ser cansativo, enfadonho e sujeito a erros. Com o uso de programas para computadores, tal como o HidroTec Calculador, a resolução torna-se simples, fácil, automática, rápida e sem erros.
O HidroTec possui um banco de dados que contém uma vasta biblioteca com dados, para diferentes temperaturas, dos líquidos mais frequentemente utilizados na prática do dia-a-dia (cerca de 20 tipos), e dos materiais mais usualmente empregados na fabricação de tubos (cerca de 24), tudo já embutido no programa, e com uma interface facílima, bastante amigável e interativa, além de auto-explicativa, de modo a automatizar e agilizar os cálculos, tornando as operações mais simples e sem necessidade de consultas a outras fontes externas como tabelas e diagramas.
Quanto a precisão dos cálculos, utiliza as melhores ferramentas da hidráulica e mecânica dos fluidos para este fim: as equações de Darcy-Weisbach e de Colebrook-White. Além do cálculo do diâmetro, vazão e perda de carga, utilizando a mesma técnica aqui apresentada, o HidroTec calcula também os valores do fator de atrito, do número de Reynolds e da velocidade de escoamento, a fim de que o usuário possa fazer sua análise também através destes parâmetros.
Uma demonstração real do programa pode ser vista na HidroTec Home Page, em http://hidrotec.calculador.vilabol.uol.com.br, onde também a versão demo do HidroTec Calculador poderá ser obtida gratuitamente
Valores da rugosidade equivalente dos materiais e da viscosidade cinemática dos líquidos utilizados no HidroTec, retirados de manuais de hidráulica, são mostrados nas tabelas a seguir:
- Assy, T.M.; "O emprego da fórmula universal de perda de carga e as limitações das fórmulas empíricas". Cetesb, São Paulo, 1977.
- Hwang, N.H.C.; "Fundamentos de sistemas de engenharia hidráulica". Prentice-Hall, Rio de Janeiro, 1984.
- Quintela, A.C.; "Hidráulica". Calouste Gulbenkian, Lisboa, 1981.
- Simon, A.L.; "Hydraulics". John Wiley & Sons, New York, 1986.
- Tullis, J.P.; "Hydraulics of pipelines". John Wiley & Sons, New York, 1989.
Vitória, maio/2001
(*) O autor é ex-Engenheiro Ass. Técnico da Tubos e Conexões Tigre S/A e atualmente é Chefe da Manutenção do SESC/ES.