relatório fenômenos dos transportes 1 ufpe

Prévia do material em texto

Universidade Federal de Pernambuco
Centro de Tecnologia e Geociências
Departamento de Engenharia Química
Disciplina: Fenômenos dos Transportes 1
Relatório 1 – Aulas Práticas de Laboratório
Relatório avaliativo referente à
disciplina de Fenômenos dos Transportes 1
Ministrada pelo docente Maurício Alves.
Discente: Ramires Cerqueira Santos
2022.1
Outubro de 2022
1. Introdução
Com o desenvolvimento da ciência e da sociedade, tornou-se necessário
manipular e transportar fluidos, além de controlar processos que envolvam fluidos
em grande e pequena escala. Com isso, houve o desenvolvimento de máquinas e
equipamentos envolvidos nestes processos, tais como: bombas e medidores de
vazão.
Industrialmente, são utilizados diversos equipamentos e instrumentos para o
controle de alguns processos e medidas, tais como: perda de carga e vazão. A
perda de carga visa quantificar as perdas de energia em escoamentos tubulares
devido a efeitos de atrito. A vazão é a terceira unidade mais medida nas indústrias e
sua medição pode ser utilizada para diferentes fins e aplicações, desde a medição
de água nas tubulações residenciais a controle de tubulações em grande escala.
As máquinas hidráulicas são divididas em três grandes grupos: Máquinas
motrizes, máquinas mistas e as máquinas geratrizes. Destas, podemos exemplificar
bombas como sendo máquinas geratrizes, que tem como função transmitir energia
ao fluido. O rotâmetro é um medidor de fluxo utilizado industrialmente na
quantização de vazões dos fluidos.
O objetivo desta aula prática foi estudar a perda de carga total e localizada em
uma tubulação proposta, bombas e realizar medições de vazão utilizando bomba
peristáltica e rotâmetro.
2. Fundamentação Teórica
2.1 - Rotâmetro
Rotâmetros são medidores de vazão de fluidos, classificados como tipo de área
variável. O funcionamento do rotâmetro se dá devido a soma da pressão diferencial
e o empuxo do líquido ser maior que o peso do flutuador, fazendo com que o
mesmo flutue na corrente do líquido. Com o percurso do flutuador em direção a uma
parte do tubo com área maior, o diferencial de pressão decorrente do flutuador
diminui, fazendo com que o flutuador fique em equilíbrio dinâmico, de forma que
qualquer diferença na vazão faça com que o mesmo se movimente.
2.2 - Bombas
As bombas são máquinas hidráulicas, que podem ser geratrizes ou operatrizes, que
têm como objetivo transformar o trabalho mecânico que recebem em energia, que é
passada ao líquido em forma de pressão ou movimento.
De acordo com o seu funcionamento, as bombas podem ser classificadas
principalmente como volumétricas/ deslocamento positivo ou
dinâmicas/turbobombas. As turbobombas possuem um rotor, órgão rotatório dotado
de pás, que confere ao fluido forças que resultam da aceleração que lhe foi
concedida, fazendo com que o mesmo adquira energia cinética e
consequentemente, realize a transformação de energia mecânica ao qual lhe foi
adquirido.
As turbobombas podem ser classificadas de acordo com a trajetória do líquido no
rotor: bombas centrífugas, em que o líquido penetra no rotor paralelamente ao eixo,
sendo dirigido pelas pás para a o canto, fazendo com que o líquido saia numa
direção perpendicular ao eixo; Bombas de fluxo axial, em que A trajetória das
partículas líquidas começa paralelamente ao eixo e se transformam em hélices
cilíndricas; Bombas diagonais em que o líquido penetra no rotor axialmente, atinge
as pás cujo bordo de entrada é curvo e inclinado em relação ao eixo, segue uma
trajetória que é uma curva reversa e sai do rotor realizando uma trajetória
ligeiramente inclinada em relação ao plano perpendicular ao eixo.
2.2.1 - Bomba centrífuga ETA rotor fechado
Figura 1: Bomba centrífuga ETA, rotor fechado.
A bomba centrífuga ETA é uma turbobomba e a energia fornecida ao líquido a partir
dela é primordialmente devido a forças de arrasto e centrífuga. Possui rotor fechado.
Esse tipo de rotor é adequado para escoamentos de líquidos limpos, pois possui
passagens livres estreitas e é propício a entupimentos com o transporte de líquidos
contendo sólidos ou impurezas. Por ser uma turbobomba.
Abaixo, seguem a relação das peças constituintes da bomba centrífuga ETA.
2.3 - Perda de carga
A perda de carga é a perda de energia que um fluido, em uma tubulação sob
pressão, sofre devido a vários fatores, como o atrito deste com uma camada
estacionária aderida à parede interna do tubo ou em razão da turbulência devido às
mudanças de direção do traçado. A perda de carga pode ser distribuída ou
localizada, dependendo do motivo que a causa.
A perda de carga distribuída ocorre nos trechos retos da tubulação devido ao atrito
com a mesma e depende do diâmetro e do comprimento do tubo, além da
rugosidade da parede, propriedades do fluido, massa específica, viscosidade e
velocidade do escoamento e pode ser calculada a partir de:
Em que é a perda de carga em metros, k é o coeficiente de perda de carga, v é a
velocidade média de escoamento do tubo em m/s e g é a aceleração da gravidade e
m/s^2.
A perda de carga localizada ocorre a partir da inserção de acessórios nas
tubulações e é considerada concentrada no ponto e é calculada para cada
componente.
A perda de carga total é calculada a partir da equação abaixo:
A perda de carga total do sistema é dada pela somatória das perdas de carga dos
acessórios mais a perda distribuída do tubo.
3 – Metodologia
3.1 - Rotâmetro
Utilizando uma proveta 25 de mL, foi ajustada a vazão do rotâmetro em vazões
diferentes, sendo elas: 50 g/cm³, 90 g/cm³, 130 g/cm³, 170 g/cm³, 210 g/cm³ e 250
g/cm³ respectivamente. Para cada vazão, o tempo necessário para preencher a
proveta de 25mL foi cronometrado três vezes e anotado.
3.2 - Perda de carga
O caminho da tubulação escolhido pelo professor para a equipe foi o caminho A. A
partir disso, a tubulação foi desenhada e todas as suas medidas foram tiradas. Além
disso, todos os acessórios foram identificados, a fim de calcular a perda de carga
envolvida, nas vazões 0,1m³/h, 0,2m³/h, 0,5m³/h, 1,0m³/h e 2,0 m³/h. Em seguida, a
perda de carga foi calculada.
3.3 - Bomba peristáltica
Utilizando uma proveta de 5 mL e mangueira de 0,8mm, foi ajustada a rotação da
bomba peristáltica em quatro intervalos diferentes, sendo eles: 40 rpm, 80 rpm,
120 rpm, 160 rpm, 200 rpm e 240 rpm respectivamente. Para cada configuração
de rotação, o tempo necessário para preencher a proveta de 5mL foi
cronometrado três vezes e anotado.
3.4 - Bomba centrífuga
Observando a bomba centrífuga ETA, foi possível realizar o desenho da mesma,
localizando todas as suas partes constituintes.
4 – Resultados experimentais
4.1 - Rotâmetro
Os resultados para as medições do rotâmetro estão descritos no Quadro 1 abaixo:
50g/cm³ 90g/cm³ 130g/cm³ 170g/cm³ 210g/cm³ 250g/cm³
1º 02:00 01:26 00:74 00:54 00:41 00:28
2º 01:85 01:00 00:99 00:60 00:54 00:22
3º 01:91 01:14 00:99 00:61 00:45 00:34
Quadro 1: vazões e tempos cronometrados para rotâmetro. Fonte: a autora. Recife, março de 2022.
Calculando a média e o desvio padrão dos tempos cronometrados para cada vazão
selecionada, obteve-se os resultados descritos no Quadro 2 abaixo:
50g/cm³ 90g/cm³ 130g/cm³ 170g/cm³ 210g/cm³ 250g/cm³
Média 01:92 01:13 00:82 00:58 00:43 00:28
Desvio
padrão
00:06 00:11 00:12 00:03 00:08 00:05
Quadro 2: resultados para média e desvio padrão dos tempos cronometrados. Fonte: a autora. Recife, 2022.
É possível observar a relação da vazão e o tempo, em que a velocidade média
global do fluido no conduto aumenta proporcionalmente ao aumento da vazão.
Além disso, observou-se uma grande variação em relação aos desvio-padrão para
cada vazão. Esta variação pode ter ocorrido devido ao tempo de resposta
relacionado a cada pessoa para encerrar a cronometragem do tempo,
principalmente nas vazões maiores, onde o tempo envolvido era muito menor.
Foram calculadas as vazões utilizando o volume da proveta (25mL) e as médias
dos tempos obtidas. Dessa forma, as vazões para 50, 90, 130, 210 e 250 (g/cm³)
foram, respectivamente:13,02 mL/s, 22 mL/s, 30,48 mL/s , 43 mL/s, 58,14 mL/s,
89 mL/s.
Segue abaixo o gráfico da vazão x tempo obtido com os dados experimentais do
nosso problema:
Gráfico 1 - Vazão x Tempo para rotâmetro. Fonte: a autora. Recife, 2022.
Podemos fazer a comparação entre os resultados obtidos pelo nosso grupo e por
outro grupo. Mais especificamente, com o grupo de José M, que escolheram
intervalos de tempo diferentes dos nossos, de forma que apenas a medição
utilizando o valor 130 g/cm³ foi igual nos dois trabalhos. O valor obtido por eles foi
uma vazão de 31 mL/s e o nosso para a mesma configuração foi de 30,48 mL/s.
São valores bastante parecidos e com desvio padrão de 0,26. Essa pequena
diferença entre os valores pode ser devida aos erros de medição, ou ao tempo de
resposta de cada pessoa que está fazendo as análises.
4.2 - Bomba peristáltica
Os resultados para as medições da bomba peristáltica estão descritos no Quadro 1
abaixo:
40 rpm 80 rpm 120 rpm 160 rpm 200 rpm 240 rpm
1º 68.16s 37.37s 25.27s 19.77s 15.53s 12.43s
2º 65.72s 37.37s 24.68s 19.85s 15.39s 12.81s
3º 66.06s 36.96s 24.87s 18.99s 15.50s 12.74s
Quadro 1: vazões e tempos cronometrados para bomba peristáltica. Fonte: a autora. Recife, setembro de 2022.
Calculando a média e o desvio padrão dos tempos cronometrados para cada
configuração de rotação selecionada, obteve-se os resultados descritos no Quadro
2 abaixo:
40rpm 80rpm 120rpm 160rpm 200rpm 240rpm
Média 66.82s 37.23s 24.87s 19.53s 15.47s 12.66s
Desvio
padrão
1.2357 0.1932 0.1592 0.3879 0.602 0.1651
Quadro 2: resultados para média e desvio padrão dos tempos cronometrados. Fonte: a autora. Setembro,
2022.
É possível observar a relação da rotação e o tempo, em que a velocidade média
global do fluido no conduto aumenta proporcionalmente ao aumento da rotação.
Além disso, observou-se uma grande variação em relação aos desvios-padrão para
cada configuração de rotação. Esta variação pode ter ocorrido devido ao tempo de
resposta relacionado a cada pessoa para encerrar a cronometragem do tempo,
principalmente nas configurações de rotações por minuto maiores, onde o tempo
envolvido era muito menor.
Em seguida, foi possível calcular as vazões médias para a proveta de 5 mL e as
médias dos tempos em cada medição. Respectivamente, para 40, 80, 120, 160,
200 e 240 rpm, temos as vazões: 0,07 , 0,13, 0,20, 0,25, 0,32, 0,39 (mL/s).
Pode-se, então, obter o gráfico vazão x tempo para a bomba peristáltica.
Gráfico 2: Vazão X Tempo para bomba peristáltica. Fonte: a autora. Recife, 2022.
Pode-se, também, comparar os dados com outro grupo, o grupo de Matheus, que
para a mangueira de 1,6 mm obteve as vazões para 160 rpm, 200 rpm e 240 rpm,
respectivamente: 0,95 mL/s , 1,21 mL/ s e 1,37 mL/ s. Sabendo que a vazão é
calculada como Q = velocidade x Área e a área da seção circular da mangueira é
calculada com (pi x diâmetro²)/4, essa diferença grande entre as vazões é devido
ao fato de a mangueira utilizada no experimento deles possuir o dobro de diâmetro
que a mangueira utilizada no nosso experimento, e com o a área envolve o
diâmetro ao quadrado, esse aumento do diâmetro é proporcional ao aumento de
vazão.
4.3 - Perda de Carga
A perda de carga do circuito foi calculada utilizando uma planilha no Excel,
programada para repetir os cálculos para as diferentes vazões definidas em sala de
aula. Abaixo, temos uma figura que mostra a visão geral das tubulações e, em
seguida, outra imagem contendo o caminho A determinado pelo professor para que
os cálculos fossem feitos.
Figura 3 - visão geral das tubulações. Fonte: a autora. Recife, 2022.
Figura 4 - Caminho A. Fonte: a autora. Recife, 2022.
A seguir, estão os cálculos de perda de carga feitos na planilha do Excel, levando
em consideração as perdas de carga primárias e secundárias, para as vazões
0,1m³/h, 0,2m³/h, 0,5m³/h, 1,0m³/h e 2,0 m³/h, respectivamente.
Figura 5 - Perda de carga total para Q = 0,1 m³ / h. Fonte: a autora. Recife, 2022.
Figura 6 - Perda de carga total para Q = 0,2 m³ / h. Fonte: a autora. Recife, 2022.
Figura 7 - Perda de carga total para Q = 0,5 m³ / h. Fonte: a autora. Recife, 2022.
Figura 8 - Perda de carga total para Q = 1,0 m³ / h. Fonte: a autora. Recife, 2022.
Figura 9 - Perda de carga total para Q = 2,0 m³ / h. Fonte: a autora. Recife, 2022.
Dessa forma, foi possível observar que com o aumento da vazão, em
consequência, aumento da velocidade de escoamento, a perda de carga aumenta.
5 - Conclusões
Conclui-se que foi possível aprender mais sobre bombas, suas utilizações e
diferenças, medidores de vazão, no caso do rotâmetro e sobre perda de carga geral
e distribuída.
Além disso, foi possível observar a relação entre vazão e rotação por minuto com a
velocidade média global do fluido no conduto e as partes da bomba peristáltica.
6- Bibliografia
FOX, R. W; McDonald, A. T; Introdução à Mecânica dos Fluidos. Trad. de
Alexandre Matos de Souza Melo. 6ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2006;
INCROPERA F. P., et al; Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. Rio
de Janeiro: LTC, 2008.
MORAES, Diogo Luis de. Desenvolvimento de um sistema de controle de medição
de vazão para bombas peristálticas. 2016. 71 f. Monografia (Graduação em
Engenharia de Controle e Automação) - Escola de Minas, Universidade Federal de
Ouro Preto, Ouro Preto, 2016.
<Perda_de_carga (usp.br)> Acesso em 09/05/2022 às 12h40.