Conceitos fundamentais

Força, Pressão e Perda de Carga

Quando uma força é aplicada sobre uma área, ocorre o que chamamos de pressão.

Imagine um reservatório com 10 metros de altura, completamente cheio de água. Qual é a força ou pressão, que teremos sobre o fundo deste reservatório?

Será de 10 metros de força em cada cm² do seu fundo, não importando qual seja seu diâmetro.

A água contida em um tubo tem um determinado peso, o qual exerce uma determinada pressão nas paredes desse tubo. Qual é essa pressão? Olhando para os dois copos A e B, em qual dos dois existe maior pressão sobre o fundo de cada um? O copo A ou o copo B? A primeira idéia que nos vem na cabeça é que existe maior pressão no fundo do copo A.

No entanto, se ligarmos os dois copos, como mostra a figura abaixo, observaremos que os níveis permanecem exatamente os mesmos. Isto significa que: Se as pressões dos copos fossem diferentes, a água contida no copo A empurraria a água do copo B, que transbordaria. As pressões portanto, são iguais em ambos os copos! É isto mesmo o que ocorre na prática. Esta experiência é chamada “Princípio dos Vasos Comunicantes”.

Agora, se adicionarmos água no copo A, inicialmente ocorre um pequeno aumento da altura “hA”. O nível do copo A, então, vai baixando aos poucos. Com a adição de água, houve um aumento de pressão no fundo do mesmo, a qual tenderá a se igualar a pressão exercida pela água do copo B.

Conclusão

A pressão que a água exerce sob uma superfície qualquer (no nosso caso, o fundo e as paredes do copo) só depende da altura do nível da água até essa superfície. É o mesmo que dizer: A pressão não depende do volume de água contido em um tubo, e sim da altura.

Níveis iguais, geram pressões iguais. A pressão não depende da forma no recipiente.

Dentro do sistema de abastecimento e da instalação predial a água exerce uma força sobre as paredes das tubulações. A esta força damos o nome de “pressão”. Nos prédios, o que ocorre com a pressão exercida pela água nos diversos pontos das tubulações, é o mesmo que no exemplo dos copos. Isto é: a pressão só depende da altura do nível da água, desde um ponto qualquer da tubulação até o nível da água do reservatório. Quanto maior for a altura, maior será a pressão. Se diminuirmos a altura, a pressão diminui. No esquema abaixo, vimos que a pressão no ponto C é maior que em A, pois ali a altura da coluna da água é maior que a coluna do ponto A.

Como podemos medir a pressão

Como vimos, pressão é uma força exercida sobre uma determinada área. Sendo assim, sua unidade de medida é quilograma força por centímetro quadrado – kgf/cm².

Existem outras formas de expressarmos as unidades de medida de pressão:

m.c.a: metros de coluna d’água

Pa: Pascal

Veja correspondência destas unidades: 1kgf/cm² é a pressão exercida por uma coluna com 10 metros de altura, ou seja, 10 metros de coluna d’água (m.c.a.), ou 100.000 Pa.

Se você mora em um edifício de 10 andares e alguém lhe pede para medir a pressão na torneira do seu lavatório, como você poderia fazer essa medição?

Bastaria substituir a torneira do lavatório por um manômetro* e efetuar a leitura. Você poderia saber qual é exatamente a diferença de altura existente entre o nível da torneira e o da caixa d’água?

Sim! Através do valor que o manômetro estaria marcando. Se este manômetro indicasse por exemplo, 2kgf/cm², isto significaria que esta altura é de 2kgf/cm² x 10 igual 20 metros de coluna d’água. Ou seja, 20 metros de desnível.

Pressão estática, dinâmica e de serviço

Nas instalações prediais, devemos considerar três tipos de pressão:

Pressão estática, pressão dinâmica e pressão de serviço

Pressão estática:

Pressão da água quando ela está parada dentro da tubulação. O seu valor é medido pela altura que existe entre, por exemplo, o chuveiro e o nível da água no reservatório superior. Se for instalado um manômetro no ponto do chuveiro e a altura até o nível da água no reservatório for de 4 metros, o manômetro marcará 4 m.c.a.

Com relação a pressão estática, a norma NBR5626 de instalações prediais de água fria, diz o seguinte:

Em uma instalação predial de água fria, em qualquer ponto, a pressão estática máxima não deve ultrapassar 40m.c.a.(metros de coluna d’água).

Isto significa que a diferença entre a altura do reservatório superior e o ponto mais baixo da instalação predial não deve ser maior que 40 metros. Como então fazer uma instalação de água fria em um edifício com mais de 40 metros de altura?

A solução mais utilizada, por ocupar menos espaço, é o uso de válvulas redutoras de pressão, normalmente instaladas no subsolo do prédio. Veja o esquema abaixo:

Pressão dinâmica:

É a pressão verificada quando a água está em movimento, que pode ser medida também através de um manômetro. Esta pressão depende do traçado da tubulação e os diâmetros adotados para os tubos. O seu valor é a pressão estática menos as perdas de carga distribuída e localizada.

Pressão de serviço:

Esta representa a pressão máxima que podemos aplicar a um tubo, conexão, válvula ou outro dispositivo, quando em uso norma. Neste caso, citamos o seguinte trecho da norma NBR5626: “O fechamento de qualquer peça de utilização não pode provocar sobre-pressão em qualquer ponto da instalação que seja maior que 20 m.c.a. acima da pressão estática nesse ponto”.

Isto quer dizer que a pressão de serviço não deve ultrapassar a 60 m.c.a. pois é o resultado da máxima pressão estática(40.m.c.a.) somada a máxima sobre-pressão(20m.c.a.).

É importante seguir estas recomendações para evitar danos as tubulações, como os casos de rompimento de conexões, estrangulamentos de tubos, etc., que trazem transtornos aos usuários.

Importante

Alguns profissionais que executam instalações em prédios com grandes alturas utilizam tubos metálicos, pensando que estes são mais fortes e que resistem a maiores pressões. Na realidade a norma não faz distinção sobre qual ou quais materiais devem ser as tubulações das instalações. Dessa forma, a pressão estática máxima de 40m.c.a. deve ser obedecida em qualquer caso, independente dos materiais dos tubos. Tanto faz se for PVC, cobre ou ferro.

Golpe de Aríete

Existe um fenômeno que ocorre nas tubulações dos sistemas hidráulicos conhecido por o Golpe de Aríete. Este nome se originou de uma antiga máquina de guerra utilizada para arrombar portas e muralhas. Era formada por um tronco que tinha numa das extremidades uma peça de bronze, semelhante a uma cabeça de carneiro. Nas instalações hidráulicas ocorre algo semelhante quando a água ao descer em velocidade elevada pela tubulação, é bruscamente interrompida. Isto provoca golpes de grande força(elevações de pressão) nos equipamentos da instalação.

Explicando melhor

Se um líquido estiver passando por uma calha e de repente interrompermos a sua passagem, seu nível subirá rapidamente, passando a transbordar pelos lados. Se isto ocorrer dentro de um tubo, o líquido não terá por onde escapar e provocará portanto um aumento de pressão contra as paredes do tubo, causando sérias conseqüências na instalação.

Situação 1 - Válvula fechada: Temos apenas a pressão estática da rede(pressão normal).

Situação 2 - Válvula aberta: A água começa a descer, aumentando gradativamente sua velocidade dentro do tubo. A pressão contra as paredes se reduz ao máximo.

Situação 3 - Fechamento rápido da válvula: Ocorre interrupção brusca da água, causando violento impacto sobre a válvula e demais equipamentos, além de vibrações e fortes pressões na tubulação. Alguns tipos de válvulas de descarga e registros de fechamento rápido provocam o efeito do Golpe de Aríete.

O que se deve fazer para evitar ou eliminar os Golpes de Aríete?

Utilizar válvulas de fechamento lento. Existem algumas marcas de válvulas de descarga que possuem dispositivos anti-golpe de aríate, que tornam o fechamento da válvula mais suave. Principalmente em prédios, é preferível utilizar caixas de descarga, pois além de consumirem menor quantidade de água, não provocam Golpe de Aríate.

Em locais com válvulas já instaladas, procure antes verificar se é possível regula-las para que fechem lentamente. Caso não seja possível, opte pela troca desta válvula.

Perda de carga

Inicialmente afirmamos que só podemos aumentar a pressão se também aumentarmos a altura.

Como explicar o fato de que podemos aumentar a pressão em um chuveiro se fizermos o traçado da tubulação mais reto ou aumentarmos o seu diâmetro? Em laboratórios, pode se verificar que o escoamento da água nos tubos pode ser turbulento(desorganizado). Com o aumento da velocidade da água na tubulação, a turbulência faz com que as partículas se agitem cada vez mais e acabem colidindo entre si. Além disso, o escoamento causa atrito entre as partículas e as paredes do tubo.

Assim, as colisões entre as partículas com as paredes dos tubos, dificultam o escoamento da água, o que gera a perda de energia. Podemos dizer então que “o líquido perde pressão” ou seja: “houve perda de carga”.

Tubos com paredes lisas permitem um escoamento da água com menos turbulência, o que reduz o atrito. Ou seja, assim teremos menos choques entre as partículas da água e, portanto, menor perda de carga.

Tubos com paredes rugosas aumentam a turbulência da água, pois geram maior atrito. Assim, teremos mais choques entre as partículas da água e, portanto, maior perda de carga.

É importante lembrar que na prática não há escoamento em tubulações sem perda de carga. O que deve ser feito é reduzi-la aos níveis aceitáveis. Os tubos de PVC, por terem paredes mais lisas, oferecem menores perda de carga.

Classificação das perdas de carga

Distribuída:

É aquela que ocorre ao longo da tubulação, pelo atrito da água com as paredes do tubo. Quanto maior o comprimento do tubo, maior será a perda de carga. Quanto menor o diâmetro, maior também será a perda de carga.

Localizada

Nos casos em que a água sofre mudanças de direção como por exemplo no joelhos, reduções, tês, ocorre ali uma perda de carga chamada de “localizada”. Isto é fácil de entender se pensarmos que nestes locais, há uma grande turbulência concentrada, a qual aumenta os choques entre as partículas da água.

É por isto que quanto maior for o número de conexões em um trecho de tubulação, maior será a perda de pressão neste trecho ou perda de carga, diminuindo a pressão ao longo da rede.

1- Supondo que o registro esteja fechado, em qual nível estará a água no tubo 1?

A ( ) B ( ) C ( )

Resposta: Pelo princípio dos vasos comunicantes, o nível da água no tubo 1, estando o registro fechado, estará no mesmo nível da água do reservatório, ou seja, na letra B.

2- Abrindo-se o registro, o nível da água irá para:

A ( ) B ( ) C ( )

Resposta: Se o registro for aberto, ocorrerá um movimento da água pelo tubo e, consequentemente, haverá choques e atritos entre as partículas entre si, e com as paredes da tubulação.

De E até D, o escoamento sofrerá perda de carga distribuída, devido ao comprimento da tubulação. A perda de carga localizada se dará nos joelhos 45° existentes no trecho E e D.

Em outras palavras, haverá uma perda de carga na rede. Isto ocorrendo a pressão tenderá diminuir no ponto D, reduzindo-se então o nível da água do ponto B para o ponto C. Ou seja, o nível da água baixará para o ponto C.

Diferenças entre as siglas DN e DE

Muitas vezes vemos em catálogos ou em apostilas técnicas as siglas DN ou DE. Mas o que elas significam?

A sigla DN significa Diâmetro Nominal, ou seja, é apenas um diâmetro de referência dos tubos e conexões. Ele não representa o diâmetro exato da peça.

Já o DE, Diâmetro Externo representa exatamente o diâmetro externo de determinada peça, como mostra a figura abaixo.

Observação:Nas conexões, o diâmetro externo é medido pelo lado interno das bolsas, pois é ali que se encaixa o diâmetro externo dos tubos.