Cálculo de vazão
Lucas Brandão Arquiteto e urbanista, responsável técnico do Flurxo
O cálculo de vazão é uma multiplicação: área da seção interna vezes velocidade da água. O que quase nunca aparece junto é a consequência dessa conta. Vazão alta em tubo fino vira velocidade alta, e velocidade alta vira ruído na parede, golpe de aríete no fechamento do registro e perda de carga que come toda a pressão antes de a água chegar no chuveiro. Esta página devolve as três coisas de uma vez.
Vazão, velocidade e perda de carga
Informe a vazão desejada e o diâmetro interno do tubo. O resultado traz velocidade, perda de carga do trecho, o diâmetro que devolveria 3 m/s e o tempo de enchimento do reservatório.
Como calcular vazão: a fórmula
Vazão é área vezes velocidade. Num tubo circular, a área é pi vezes o diâmetro interno ao quadrado dividido por quatro. Com o diâmetro em milímetros e a velocidade em metros por segundo, a vazão em litros por segundo é o quadrado do diâmetro vezes a velocidade dividido por 1.273,24.
Q (L/s) = π × D² × v ÷ 4.000
D em milímetros, v em metros por segundo. A conta inversa é a que mais interessa em obra: com a vazão conhecida, a velocidade é Q dividido pela área, e é ela que diz se o diâmetro escolhido aguenta o serviço. Um chuveiro comum pede algo em torno de 12 L por minuto. Em tubo soldável DN 25, com 21,6 mm internos, isso dá 0,55 m/s, tranquilo. Colocar a mesma vazão num tubo de 17 mm sobe para 0,88 m/s, ainda confortável. O problema aparece quando o mesmo ramal alimenta vários pontos ao mesmo tempo, porque as vazões somam e a velocidade sobe junto.
Diâmetro nominal não é diâmetro interno
O número que dá nome ao tubo é o diâmetro externo. O que manda na vazão é o interno, que é o externo menos duas paredes. No soldável DN 25, a parede tem 1,7 mm, então sobram 21,6 mm por dentro, e não 25.
| Tubo soldável | Parede | Diâmetro interno | Seção | Vazão a 3 m/s |
|---|---|---|---|---|
| DN 20 | 1,5 mm | 17,0 mm | 2,27 cm² | 40,9 L/min |
| DN 25 | 1,7 mm | 21,6 mm | 3,66 cm² | 66,0 L/min |
| DN 32 | 2,1 mm | 27,8 mm | 6,07 cm² | 109,3 L/min |
| DN 40 | 2,4 mm | 35,2 mm | 9,73 cm² | 175,2 L/min |
| DN 50 | 3,0 mm | 44,0 mm | 15,21 cm² | 273,7 L/min |
| DN 60 | 3,3 mm | 53,4 mm | 22,40 cm² | 403,1 L/min |
A última coluna é o teto prático de cada bitola se a velocidade de referência for respeitada. Ela explica por que subir um diâmetro resolve tanto: da DN 25 para a DN 32, a seção cresce 66 % e a perda de carga despenca, porque ela varia com o diâmetro elevado a quase cinco. O levantamento completo das bitolas, incluindo roscável e as diferenças entre fabricantes, está em diâmetro de tubo de água fria.
Os 3 m/s que quase todo mundo cita errado
A edição de 1998 da NBR 5626 fixava a velocidade máxima em 3 m/s. A de 2020 mudou a forma: o item 6.8.3 exige dimensionar para evitar golpe de aríete com intensidade prejudicial aos componentes, e a nota daquele item diz que assumir 3 m/s não evita o golpe, apenas limita a magnitude dos picos de sobrepressão.
A diferença não é acadêmica. Quem repete que a norma proíbe passar de 3 m/s está dando uma informação desatualizada, e quem conclui daí que ficar abaixo de 3 m/s resolve o golpe de aríete está errando de outro jeito, mais perigoso. O golpe continua existindo; o que a velocidade menor faz é diminuir o pico. Existem dois outros limites na mesma norma que amarram o assunto: as sobrepressões por transiente hidráulico não podem superar 200 kPa em relação à pressão de projeto, e a pressão estática nos pontos de utilização não pode passar de 400 kPa.
O segundo motivo para segurar a velocidade é o ruído. O item 6.8.1 manda dimensionar as tubulações de modo a limitar a velocidade a valores que evitem a geração e a propagação de ruídos acima do que a ABNT NBR 10152 admite. É esse item, e não o de 3 m/s, que explica o chiado na parede do quarto quando alguém abre a torneira da cozinha de madrugada. O assunto tem página própria em velocidade da água e ruído na tubulação.
Perda de carga: o trecho é mais comprido do que parece
Cada joelho, tê e registro atrapalha o escoamento como se fosse um pedaço de tubo reto. Essa equivalência é o comprimento equivalente, e ele se soma ao comprimento real antes de multiplicar pela perda unitária.
Ju (kPa/m) = 8,69 × 10⁶ × Q1,75 × D-4,75
Q em litros por segundo e D em milímetros. É a equação de Fair-Whipple-Hsiao para tubos lisos, que é como se classificam plástico, cobre e ligas de cobre, e a NBR 5626 de 1998 a publicava nessa forma. A edição de 2020 não prescreve mais fórmula: o item 6.14.4 diz que a equação universal de perda de carga é a mais indicada e que, ao usar equações empíricas, convém adotar a mais adequada ao material e ao diâmetro do trecho. Para tubo liso predial entre 12,5 e 100 mm, Fair-Whipple-Hsiao é essa equação.
Cálculo de vazão: exemplo resolvido
Um ramal de chuveiro com 12 L por minuto, tubo soldável DN 25 com 21,6 mm internos, 10 m de tubo e 6 m equivalentes de conexão, alimentando uma caixa de mil litros. É a configuração que a ferramenta abre preenchida.
| Saída | Valor | De onde vem |
|---|---|---|
| Vazão | 0,200 L/s | 12 L/min divididos por 60 |
| Velocidade da água | 0,55 m/s | 0,2 L/s sobre a seção de 3,66 cm² |
| Perda de carga unitária | 0,2383 kPa/m | Fair-Whipple-Hsiao com 0,2 L/s em 21,6 mm |
| Perda de carga do trecho | 3,81 kPa | 16 m de cálculo, entre tubo e conexões |
| Vazão do tubo a 3 m/s | 66,0 L/min | o teto prático desta bitola |
| Tempo de enchimento | 83,3 min | 1.000 L a 12 L/min |
Esse resultado é confortável em tudo, e é assim que um ramal isolado se comporta. O aperto aparece quando vários pontos abrem juntos: a vazão do trecho comum soma, a velocidade sobe na mesma proporção, e a perda de carga sobe elevada a 1,75. Dobrar a vazão de um trecho não dobra a perda, multiplica por 3,4.
Tempo de enchimento e o prazo que a norma dá
O tempo de enchimento é a conta mais simples da página, volume dividido por vazão, e mesmo assim tem um critério de norma amarrado nela. O item 6.7.2 exige que a vazão de abastecimento reponha o volume destinado ao consumo diário em até 6 horas, e em até 3 horas no caso de residência unifamiliar. Um alimentador predial que demora mais que isso deixa a reserva descoberta no pico seguinte de consumo, e o morador atribui o problema à caixa pequena demais quando o problema é a entrada estrangulada. O volume de reserva por morador sai da calculadora de caixa d água.
O que esta conta não resolve
- A vazão de cada aparelho. A edição de 2020 da norma deixou de trazer tabela de vazão por peça de utilização. Ela exige que o projeto declare as vazões consideradas e justifique o método usado para chegar nelas, o que pode ser probabilístico, somatório de pesos ou vazão máxima possível.
- A pressão disponível. Perda de carga só significa alguma coisa contra a pressão que existe no início do trecho, e ela vem da altura da caixa ou do sistema de pressurização. A conversão de altura em pressão está em pressão do chuveiro e altura da caixa.
- A rede inteira. Projeto de instalação predial encadeia trechos, e a pressão que sobra de um é a que entra no seguinte. Uma conta isolada não substitui esse encadeamento.
- Esgoto e água pluvial. São outras normas e outro método de dimensionamento. Para a calha e o condutor da chuva, veja calha e condutor de água de chuva.
Onde esta conta para
Esta página calcula um trecho com a vazão que você informou. Projeto de sistema predial de água fria e quente é documento técnico, com método de dimensionamento declarado, verificação de pressão em cada ponto e responsável técnico. Instalação que já existe e apresenta ruído, golpe ou pressão insuficiente precisa de diagnóstico no local, porque a causa pode estar em tubulação incrustada, registro parcialmente fechado ou trecho reduzido dentro da parede, e nenhuma dessas coisas aparece numa fórmula.
Para decidir o que a conta não decide
- Velocidade da água e ruído na tubulação Os 3 m/s que quase todo mundo cita errado, o golpe de aríete e a cavitação.
- Diâmetro de tubo de água fria O DN 25 não tem 25 mm por dentro, e a diferença muda toda a conta de vazão.
- Perda de carga e comprimento equivalente Cada joelho vale metros de tubo reto, e em ramal curto as conexões pesam mais que o tubo.
Perguntas frequentes
- Como calcular vazão de água em um tubo?
- Vazão é a área interna do tubo vezes a velocidade da água. Em tubo de 21,6 mm de diâmetro interno, que é o soldável DN 25, a seção tem 3,66 cm²; com água a 1 m/s a vazão é de 0,37 L/s, ou 22 L por minuto. Sem medidor, dá para medir pelo balde: litros recolhidos divididos pelos segundos cronometrados.
- Qual a fórmula do cálculo de vazão?
- Q é igual a A vezes v, com a área em metros quadrados e a velocidade em metros por segundo, o que devolve a vazão em metros cúbicos por segundo. Multiplicando por mil chega-se a litros por segundo, e por sessenta mil, a litros por minuto. A área de um tubo circular é pi vezes o diâmetro interno ao quadrado dividido por quatro.
- Qual a velocidade máxima da água na tubulação?
- Três metros por segundo é o valor de referência, mas a edição de 2020 da NBR 5626 não o apresenta como um teto. O item 6.8.3 manda dimensionar para evitar golpe de aríete com intensidade prejudicial, e a nota registra que assumir 3 m/s não evita o golpe, apenas limita a magnitude dos picos de sobrepressão. O item 6.8.1 exige limitar a velocidade para que o ruído fique dentro da NBR 10152.
- Qual o diâmetro interno do tubo de PVC soldável?
- O tubo soldável DN 20 tem parede de 1,5 mm e 17,0 mm internos; o DN 25 tem 1,7 mm e 21,6 mm; o DN 32 tem 2,1 mm e 27,8 mm; o DN 40 tem 2,4 mm e 35,2 mm; o DN 50 tem 3,0 mm e 44,0 mm. O número do nome é o diâmetro externo, e é o interno que manda na vazão.
- Como calcular a perda de carga da tubulação?
- Pela perda unitária multiplicada pelo comprimento total, que é o tubo reto mais o comprimento equivalente das conexões. Para tubo liso, a equação de Fair-Whipple-Hsiao dá a perda unitária em kPa por metro a partir da vazão em litros por segundo e do diâmetro interno em milímetros.
- Quanto tempo demora para encher uma caixa d água?
- O volume dividido pela vazão de entrada. Uma caixa de mil litros alimentada a 20 L por minuto enche em 50 minutos. A norma pede que a vazão de abastecimento reponha o volume do consumo diário em até 6 horas, e em até 3 horas quando se trata de residência unifamiliar.
- Por que o chuveiro enfraquece quando abrem a torneira?
- Porque a pressão que importa é a dinâmica, medida com água correndo, e ela cai quando a vazão do trecho comum aumenta. A norma limita isso: com a ducha operando na vazão de projeto, abrir outro ponto não pode reduzir a pressão dinâmica dela em mais de 10 %.
Fontes
- ABNT NBR 5626:2020, itens 6.7.2, 6.8.1 a 6.8.5, 6.9.1 a 6.9.5, 6.14.2 a 6.14.5 e 6.16.1 Cópia da norma de sistemas prediais de água fria e água quente. O item 6.7.2 fixa a reposição do reservatório em até 6 h, e em até 3 h em residência unifamiliar. O 6.8.1 manda limitar a velocidade para atender aos níveis de ruído da ABNT NBR 10152, e a nota do 6.8.3 registra que o limite de 3 m/s não evita o golpe de aríete, apenas limita a magnitude dos picos de sobrepressão. O 6.9.2 exige pressão dinâmica de no mínimo 10 kPa no ponto de utilização, o 6.9.3 exige 5 kPa em qualquer ponto da rede e o 6.9.5 limita a pressão estática a 400 kPa. O 6.14.5 impede que a abertura de outro ponto derrube em mais de 10 % a pressão dinâmica da ducha.
- Viptec, módulo de dimensionamento de água fria, Eng. Moacir de Oliveira Junior Apresenta a equação de Fair-Whipple-Hsiao da ABNT NBR 5626:1998 na forma usada nesta página, com perda unitária em kPa por metro, vazão em litros por segundo e diâmetro interno em milímetros, e traz o exemplo resolvido que serve de aferição: 1,95 L/s em tubo de 44,0 mm devolvem 0,436697 kPa/m, e um trecho de 15 m com quatro cotovelos de 3,2 m equivalentes perde 12,14 kPa.
- Tigre, catálogo técnico de água fria, itens da linha soldável Tabela de dimensões do tubo soldável com o diâmetro externo e a espessura de parede de cada bitola: 20 mm com 1,5 mm de parede, 25 com 1,7, 32 com 2,1, 40 com 2,4, 50 com 3,0, 60 com 3,3, 75 com 4,2, 85 com 4,7 e 110 com 6,1 mm. Os diâmetros internos usados aqui são o externo menos duas espessuras.
- ABRASIP e Secovi-SP, Recomendação Técnica RT-HID-009 rev 0, de 15/12/2020, sobre o atendimento à ABNT NBR 5626:2020 Documento da Associação Brasileira de Engenharia de Sistemas Prediais com o Secovi-SP, que comenta item a item a norma de 2020. Registra que a escolha do método de dimensionamento fica a critério do projetista, desde que informada em projeto, e discute o item 6.7.2 da vazão de abastecimento do reservatório.