RELATÓRIO - Perda de carga

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – UFAL
CENTRO DE TECNOLOGIA – CTEC
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
LARISSA SILVA COSTA
 
DETERMINAÇÃO DA PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÕES
MACEIÓ - AL
2022
LARISSA SILVA COSTA
DETERMINAÇÃO DA PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÕES
 
Relatório apresentado à disciplina de Laboratório de Engenharia Química 1, do Curso de Engenharia Química da Universidade Federal de Alagoas, como requisito parcial para obtenção de nota.
Prof. Dra Maritza Montoya Urbina
MACEIÓ - AL
2022
2
RESUMO
O presente relatório é referente a pratica de determinação da perda de carga em tubulações com a finalidade de proporcionar o aprendizado sobre a perda de carga numa tubulação contendo singularidades, utilizando medidas manométricas. Foi utilizado um módulo artesanal feito no Laboratório de Fenômenos de Transporte e Operações Unitárias com tubulações de PVC contendo singularidades, tais como reduções, joelhos, curvas longas e válvulas, além de instrumentos de medição como: manômetros, rotâmetros, bomba centrífuga e reservatório de água. Determinou-se por meio de experimentos práticos associados a teoria do estudo da perda de carga que quanto maior a vazão, com diâmetro constante, maior serão a velocidade de escoamento e a perda de carga, controlando assim a energia necessária para o transporte do fluido. 
Palavras-chave: Perda de carga, singularidades, tubulações, vazão.
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO	5
OBJETIVO	7
MATERIAIS E MÉTODOS	8
RESULTADOS E DISCUSSÕES	10
CONCLUSÃO	17
REFERÊNCIAS	18
2
INTRODUÇÃO
	O líquido ao se escoar através da tubulação sofre uma certa resistência ao seu movimento, em razão do efeito combinado da viscosidade e inércia. Essa resistência é vencida pelo líquido em movimento, mediante uma dissipação de parte de sua energia disponível, quando isso acontece em canalizações, é chamada “Perda de Carga”. 
	Segundo Streeter e Wylie,1984, citados por Melo (2000), o termo perda de carga é usado como sendo parte da energia potencial, de pressão e de velocidade que é transformada em outros tipos de energia, tal como o calor durante o processo de condução de água. A perda de energia ocorre 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. As canalizações não são constituídas exclusivamente por tubos retilíneos e de mesmos diâmetros. As perdas por resistência ao longo dos condutos são ocasionadas pelo movimento da água na própria tubulação. Azevedo Netto (1998) admite que essa perda seja uniforme em qualquer trecho de uma canalização de dimensões constantes, independentemente da posição da canalização, por isso são chamadas de perdas contínuas.
	Existem dois tipos mais abordados de perda de carga em tubulações, a primeira é a perda de carga distribuída, que se dá quando a parede dos dutos retilíneos causa uma perda de pressão distribuída ao longo do comprimento do tubo, fazendo com que a pressão total vá diminuindo gradativamente ao longo do comprimento. Já a segunda é a perda de carga localizada, esta perda de carga é causada pelos acessórios de canalização, isto é, as diversas peças necessárias para a montagem da tubulação e para o controle do fluxo do escoamento, que provocam variação brusca da velocidade, em módulo ou direção, intensificando a perda de energia nos pontos onde estão localizadas.
	Segundo Connor, 2019, uma variável muito importante para a determinação dessas perdas é o fator de atrito, que é uma quantidade adimensional usada na equação de Darcy-Weisbach , para a descrição de perdas por atrito em tubulação ou duto, bem como para fluxo em canal aberto. Isso também é chamado de fator de atrito de Darcy-Weisbach , coeficiente de resistência ou simplesmente fator de atrito .Determinou-se que o fator de atrito depende do número de Reynolds para o fluxo e do grau de rugosidade da superfície interna do tubo (especialmente para fluxo turbulento ). O fator de atrito do fluxo laminar é independente da rugosidade da superfície interna do tubo.
A seção transversal do tubo também é importante, pois os desvios da seção circular causarão fluxos secundários que aumentam essas perdas. 
	A determinação da perda de carga em tubulações, como dizia Frizzone, 2008, é um fator importante para os projetos de engenharia de irrigação, pois afeta o custo total e o balanço hidráulico do sistema. O diâmetro dos tubos da rede de distribuição de água depende da magnitude da perda de carga admissível no sistema pelo projetista. O custo operacional é afetado inversamente pelo diâmetro dos tubos. Aumentando-se o diâmetro, para uma dada vazão, a perda de carga por unidade de comprimento diminui, reduzindo a energia de bombeamento necessária.
	Para a obtenção da perda de carga em uma linha contendo singularidades, faz-se necessário realizar os cálculos utilizando a Fórmula Universal da Perda de Carga (1), para a perda de carga contínua ao longo da tubulação, juntamente com a equação da perda de carga localizada (2), pois há perdas causadas por componentes adicionais no trecho reto (válvulas, joelhos e outros).
 (1) (2)
	Onde, f é o fator de atrito, v é a velocidade média de escoamento do fluido, L é o comprimento reto da tubulação, g é a aceleração da gravidade, D é o diâmetro do tubo e ks é o coeficiente de perda de carga singular. 
Logo, para o cálculo da perda de carga total juntou-se ambas as fórmulas para os cálculos feitos nesse experimento, resultando na Equação 3.
 (3)
Onde, ∑L = L + ∑Leq, sendo L o comprimento da seção reta e ∑Leq o somatório de todos os acessórios presentes na tubulação.
OBJETIVO
	O experimento tem como objetivo estudar a perda de carga em uma tubulação contendo singularidades, em um sistema móvel montado no Laboratório de Fenômenos de Transporte e Operações Unitárias, a partir de medidas manométricas.
MATERIAIS E MÉTODOS
	Para a realização deste experimento foi utilizado um módulo experimental feito de PVC, com tubulações contendo singularidades como joelhos, reduções, curvas longas e válvulas, além de instrumentos de medição como manômetros, rotâmetro, bomba centrífuga e reservatório de água. Na figura 1 é mostrado o módulo para a experimentação.
Figura1: Módulo experimental para o cálculo da perda de carga.
Fonte: Manual de Laboratório de Fenômenos de Transporte e Operações Unitárias, 2019.
	Inicialmente, todas as válvulas do sistema foram abertas (V1, V2, V3 e V4). Após isso, a bomba foi ligada e a válvula V4 foi fechada parcialmente, para chegar na estabilidade do sistema. 
	Quando o sistema foi estabilizado, realizou-se as medições simultâneas nos manômetros M1 e M2, no manômetro de tubo em U e no rotâmetro RT1. Em seguida, a válvula V4 foi totalmente fechada e realizou-se novamente essas medições anteriores.
	Ainda, durante o experimento a temperatura da água foi medida no reservatório e por fim, a bomba B1 foi desligada e todas as válvulas foram fechadas. Este procedimento foi realizado mais 4 vezes.
	Todo o projeto foi feito seguindo as indicações na tabela a seguir:
Tabela 1: Dados do projeto.
Fonte: Autor, 2022.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
	A partir da experimentação realizada, foram coletados os dados de vazão e pressão em cada manômetro do módulo para a verificação nos cálculos da perda de carga. Seguem abaixo os dados obtidos:
	Dados obtidos experimentalmente
	Medida
	Vazão rtm (L/h)
	Pressão U (cmHg)
	M1(mca)
	M2(mca)
	ΔM (mca)
	1
	545
	19,5
	3,5
	0,3
	3,2
	2
	420
	12,5
	4,1
	1,9
	2,2
	3
	350
	9,0
	4,5
	2,7
	1,8
	4
	230
	5,0
	5,1
	3,9
	1,2
	5
	160
	3,5
	5,5
	4,4
	1,1
Fonte: Autor, 2022.
	Para descobrir a perda de carga total do sistema, primeiramente foram realizados os cálculos para quantificar a velocidade do fluido em cada trecho da tubulação. Como sabemos que foram utilizados tubos circulares e Q = v*A, então V = . Os cálculosforam feitos como mostrados a seguir:
· Vazão 1 – 545 L/h = 1,514*10-4 m3s
Tubo 1: V = = 1,195 m/s
Tubo 2: V = = 0,528 m/s
Tubo 3: V = = 0,299 m/s
· Vazão 2 – 420 L/h = 1,166*10-4 m3s
Tubo 1: V = = 1,310 m/s
Tubo 2: V = = 0,579 m/s
Tubo 3: V = = 0,327 m/s
· Vazão 3 – 350 L/h = 9,722*10-5 m3s
Tubo 1: V = = 0,767 m/s
Tubo 2: V = = 0,339 m/s
Tubo 3: V = = 0,192 m/s
· Vazão 4 – 230 L/h = 6,388*10-5 m3s
Tubo 1: V = = 0,504 m/s
Tubo 2: V = = 0,223 m/s
Tubo 3: V = = 0,126 m/s
· Vazão 5 – 160 L/h = 4,444*10-5 m3s
Tubo 1: V = = 0,351 m/s
Tubo 2: V = = 0,155 m/s
Tubo 3: V = = 0,087 m/s
	Foi notado que quando o diâmetro do tubo diminuiu, a velocidade de escoamento do fluido no interior do tubo aumentou. Sabendo essas velocidades, foi calculado o número de Reynolds para cada trecho da tubulação, como mostrado a seguir:
Re = 
· Medida 1
Tubo 1: Re = = 17001,94
Tubo 2: Re = = 11297,81
Tubo 3: Re = = 8508,08
· Medida 2
Tubo 1: Re = = 18638,11
Tubo 2: Re = = 12389,07
Tubo 3: Re = = 9304,83
· Medida 3
Tubo 1: Re = = 10912,54
Tubo 2: Re = = 7253,70
Tubo 3: Re = = 5463,38
· Medida 4
Tubo 1: Re = = 7170,69
Tubo 2: Re = = 4771,61
Tubo 3: Re = = 3585,35
· Medida 5
Tubo 1: Re = = 4993,87
Tubo 2: Re = = 3316,59
Tubo 3: Re = = 2475,59
	De acordo com os valores de Reynolds obtidos, pôde-se constatar que todos os escoamentos durante o processo foram turbulentos. Portanto, para calcular o fator de atrito foi necessária a seguinte fórmula:
fturbulento = 
· Medida 1
Tubo 1: fturbulento = = 0,0272
Tubo 2: fturbulento = = 0,030
Tubo 3: fturbulento = = 0,325
· Medida 2
Tubo 1: fturbulento = = 0,027
Tubo 2: fturbulento = = 0,029
Tubo 3: fturbulento = = 0,032
· Medida 3
Tubo 1: fturbulento = = 0,030
Tubo 2: fturbulento = = 0,034
Tubo 3: fturbulento = = 0,036
· Medida 4
Tubo 1: fturbulento = = 0,034
Tubo 2: fturbulento = = 0,038
Tubo 3: fturbulento = = 0,040
· Medida 5
Tubo 1: fturbulento = = 0,037
Tubo 2: fturbulento = = 0,042
Tubo 3: fturbulento = = 0,045
	Foi notado que quanto maior o número de Reynolds, menor o fator de atrito. Isso se dá, pois, quanto maior o número de Reynolds, menor o tamanho da subcamada viscosa e menor a influência da subcamada viscosa sobre a desaceleração do escoamento através do atrito. Agora, foram calculados os comprimentos equivalentes de acordo com as singularidades das tubulações, segundo o Método do Comprimento Equivalente, de acordo com a tabela 19.1 do Manual da Hidráulica (Azevedo Netto, 1998).
Para a tubulação de 1’’:
Leq = 1*0,5 + 6*1,5 + 1*7,3 = 16,8
Para a tubulação de (3,4)’’:
Leq = 2*0,4 + 4*1,2 + 2*0,04 + 4*5,6 + 2*0,1 + 3*0,1 + 2*0,2 + 2*0,2 = 29,38
Para a tubulação de (1,2)’’:
Leq = 3*0,3 + 2*0,2 + 10*1,1 + 3*0,04 + 1*3,6 = 16,02
	Por fim, com todos esses valores calculados, conseguimos encontrar a perda de carga contínua e localizada, usando a equação (1) e (2), respectivamente, para depois encontrar a perda de carga total para cada medição, seguindo a equação (3).
· Medição 1
 = 2,26 m = 1,22 m
 = 0,293 m = 1,44 m
 = 0,071 m = 0,073 m
	De modo análogo foram realizados os cálculos para as outras medições:
Medição 2: 
Medição 3: 
Medição 4: 
Medição 5: 
Agora, foi projetado um gráfico para análise da perda de carga de acordo com cada vazão utilizada.
Gráfico 1: Variação da perda de carga de acordo com a variação da vazão no sistema.
	Pudemos notar uma diminuição da perda de carga de acordo com o decaimento da vazão, isso se dá pois tem menos material dentro do sistema e também podemos associar que quanto maior a vazão, com diâmetro constante, maior serão a velocidade de escoamento e a perda de carga. Portanto, se variarmos o diâmetro da tubulação mantendo a vazão constante, reduziremos a perda de carga e a energia necessária para transportar o fluido.
 
CONCLUSÃO
	Diante do que foi apresentado neste relatório chegou-se à conclusão que a pratica experimental foi realizada corretamente, apresentando valores satisfatórios para cada vazão. Assim como foi possível determinar a perda de carga para as tubulações, cada uma com suas singularidades, mostrando que o diâmetro da tubulação e a vazão do fluido interferem diretamente na perda de carga atribuída ao processo.
 
REFERÊNCIAS
AZEVEDO NETTO, J. M. de. Manual de Hidráulico. 8ºedição. Ed. Edgard Blücher Ltda, São Paulo-SP, 1998. 669p. 
CONNOR, R. O que é o fator de atrito de Darcy - Definição. Thermal Engineering,2019.
FRIZZONE, A. J.; CARDOSO, G. G. G.; REZENDE, R. Fator de atrito em tubos de polietileno de pequenos diâmetros diâmetros. Maringá, v. 30, n. 3, p. 299-305, 2008.
MELO, L. J. V.; SILVA, E. L.; FARIA, M. A. de. Perda de carga em conectores utilizados em sistemas de irrigação localizada. Revista: Ciência e Agrotecnologia, Lavras, MG, v. 24, n. especial, p. 205-214, 2000. 
2
23456
1,514*10-4 
1,166*10-4 
9,722*10-5 
6,388*10-5
4,444*10-5 
Vazão (m³s)
Perda de carga (m)