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Equação de Bernouilli 1) Considerações gerais A equação da energia aplicada a um volume de controle onde ocorre um escoamento ideal considerado sem atrito de um fluido incompressível é conhecida como EQUAÇÃO DE BERNOUILLI. Esta equação pode ser deduzida partindo da equação da energia para um volume de controle em regime de escoamento permanente, usando a equação de definição de entalpia e lembrando que para processos reversíveis o calor q pode ser expresso pela temperatura T e pela variação elementar de entropia ds pela relação . De acordo com o procedimento citado acima, indicando por o trabalho por unidade de massa trocado pelo volume de controle com o meio exterior, por a massa específica, a pressão absoluta, a velocidade, a aceleração da gravidade, a altura da secção considerada em relação a uma referência arbitrária, supondo constante a massa específica e adotando os índices 1 e 2 respectivamente para as propriedades na entrada e na saída do volume de controle mostrado na figura 1 obtém-se então a seguinte equação: Figura 1 : Equação de Bernouilli (1) Admitindo que o trabalho é fornecido ao volume de controle, portanto negativo de acordo com a convenção de sinal normalmente adotado na Termodinâmica, conclui-se que a equação (1) pode ser escrita sob a forma: (2) Verifica-se facilmente que, no sistema SI, o termo tem unidade de J/kg (energia por unidade de massa) bem como os outros termos da equação e que representam respectivamente a energia cinética e a energia potencial também em . Portanto o primeiro membro da equação 2 representa o somatório das energias que entram no volume de controle e o segundo membro o somatório das energias que saem do volume de controle ou seja = . Na prática, devido à existência de atrito fluido e mecânico o fluido sofre uma perda de energia e, portanto a energia associada ao fluido que entra é maior que a energia associada ao fluido que sai e neste caso, designando por a energia perdida, tem-se que = + . Introduzindo-se na equação 2 a energia perdida resulta: (3) Admitindo em 2 o trabalho w nulo: (4) A equação 4, expressa em termos de energia por unidade de massa, é a equação da energia aplicada a um escoamento suposto sem atrito de um fluido incompressível ao qual não foi fornecido energia externa. Ela é conhecida como EQUAÇÃO DE BERNOUILLI. Dutos que conduzem ar ou tubulações de líquidos são modelos físicos que podem ser associados à equação 4. Multiplicando ambos os membros da equação (4) por , resulta a seguinte forma para a equação de Bernoulli: �� EMBED Equation.3 (5) Desprezando os termos na equação 5 resulta: (5a) Verifica-se facilmente que a unidade de cada termo da equação (5) ou (5a) é J/m3. A equação (5a) é usada normalmente no estudo de ventiladores e de dutos que conduzem ar onde a variação de energia potencial é desprezível. O termo é chamado de pressão estática ( ) e age perpendicularmente às paredes do duto tendendo a rompê-lo se for maior que a pressão externa ou permitir seu esmagamento se for menor que a pressão externa. A pressão estática é normalmente medida em relação à pressão atmosférica podendo ser negativa quando menor que ela ou positiva em caso contrário. Assim a pressão estática no duto de aspiração de um ventilador é considerada negativa por ser menor que a pressão atmosférica e a pressão estática no duto de descarga do ventilador é considerada positiva por ser maior que a pressão atmosférica. O termo é chamado de pressão velocidade ( ) ou pressão dinâmica ( ), age na direção da velocidade do escoamento e é sempre positiva. A soma da pressão estática com a pressão dinâmica é chamada de pressão total ( ), ou seja: (6) Tendo em vista a equação 5a e a definição de pressão total (equação 6) conclui-se que e portanto ao longo de um duto a soma da pressão estática com a pressão dinâmica é constante ou seja: constante (6a) A relação (6a) mostra que ao longo de um duto, desprezando o atrito e supondo o fluido incompressível, a soma da pressão estática com a pressão dinâmica em dois pontos arbitrários do duto é constante e, portanto a pressão total ou seja a energia permanece constante. Por outro lado, supondo a vazão em massa ao longo do duto constante, se ocorrer um decréscimo de velocidade associado, por exemplo, a um acréscimo na área da secção reta do duto, a pressão dinâmica diminui e, portanto a pressão estática aumenta ocorrendo, portanto uma recuperação de pressão estática. Inversamente ocorrendo um aumento da velocidade associado a um decréscimo a área da seção do duto a pressão estática diminui. Em resumo a relação 5 estabelece que a energia por unidade de volume (Joule por metro cúbico → ) de fluido em uma seção 1 (E1) é igual a energia por unidade de volume em uma seção 2 (E2) ou seja para um escoamento sem atrito de um fluido incompressível E1 = E2 ou seja a energia que entra é igual a energia que sai. Saliente-se que, no uso normal da equação, a unidade de cada termo é expressa em Pascal no sistema SI. Na prática, devido à existência de atrito fluido e mecânico a energia que entra é maior que a energia que sai. Neste caso, designando por a perda de energia em J/m3 expressa em termos de pressão, a equação que representa o balanço de energia pode ser escrita sob a forma: (7) Sabe-se que a pressão p pode ser expressa pelo produto do peso específico de um fluido ( ) pela altura de coluna de fluido ( ), isto é: (8) Substituindo a expressão 8 na equação 4 e dividindo a expressão resultante por pode-se obter a equação de Bernouilli em termos de altura de coluna de fluido, isto é: n (9) A equação (9) é usada normalmente estudo de sistemas hidráulicos e bombas. É conveniente salientar que agora, cada termo da equação 9 está expresso em joule por Newton ( ) ou seja energia por unidade de peso de fluido que circula no volume de controle. Saliente-se que no uso normal da equação a unidade de cada termo é expressa em metro de coluna de fluido no sistema SI. Se indicarmos por as perdas de energia em termos de altura de coluna de fluido a equação 9 fica: (9a) Sintetizam-se abaixo as equações (7) e (9a) que são as duas formas mais usuais da equação de Bernouilli que são as vezes conhecidas como equação de Bernouilli extendida. (7) (9a) 2) Cálculo da perda de carga Na equação 7 representa uma perda de pressão ou decréscimo de pressão designada normalmente por perda de carga. Ela é função das dimensões e do comprimento do duto, da velocidade, da massa específica do fluido e da rugosidade do material de fabricação do duto. A perda de carga pode ser calculada pela equação de Darcy-Weisbach explicitada abaixo. Indicando por a perda de carga em Pascal, o fator de atrito adimensional, L o comprimento do duto em metros, DH o diâmetro hidráulico em metros, v a velocidade em m/s e a massa específica em kg/m3 tem-se; (10) Determinação do fator de atrito O fator de atrito é função do diâmetro hidráulico, da rugosidade da tubulação e do Número de Reynolds. Diâmetro hidráulico (DH) é um parâmetro normalmente usado no estudo de escoamento em dutos de secção não circular. O conceito de diâmetro hidráulico permite, por exemplo, o cálculo de perda de carga em dutos com secção reta não circular usando a mesma formulação de dutos com área de secção reta circular. Indicando por A área da secção reta da tubulação e por P o perímetro da tubulação em contacto com o fluido, o diâmetro hidráulico é calculado pela expressão: (11) Para um tubo circular com diâmetro interno , a área da secção reta é e o perímetro é e, portanto Os materiais não são totalmente lisos e apresentam na sua superfície saliências (picos) e reentrâncias (vales) detamanho micrométrico que vão influenciar na maior ou menor rugosidade do material. Assim quanto maior a rugosidade maior a aspereza ou a irregularidade da superfície. A rugosidade é normalmente expressa em termos de rugosidade absoluta e rugosidade relativa. Rugosidade absoluta ( ) , expressa em unidade de comprimento, é a distância média entre a altura de uma saliência e a profundidade de uma reentrância consecutivas em relação a uma linha de referência. Valores típicos de rugosidade absoluta são fornecidos abaixo. Cobre: 0.0015 mm Aço galvanizado: 0,09 mm Fibra de vidro: 0.9 mm Concreto: 3 mm Rugosidade relativa ( ) é o quociente entre a rugosidade absoluta e o diâmetro hidraúlico ( ) de um tubo expressos na mesma unidade. Número de Reynolds é um parâmetro adimensional que relaciona a velocidade, a massa específica, a velocidade do fluido e o diâmetro hidráulico do duto. Assim para a velocidade em m/s, o diâmetro hidráulico em m, a massa específica em kg/m3 e a viscosidade em PA. ( o número de Reynolds pode ser calculado pela expressão: (12) O Número de Reynolds pode ser expresso como função da viscosidade cinemática ( ) definida como o quociente entre a viscosidade absoluta e a massa especifica isto é: (13) No sistema SI tem unidade de Neste caso, o número de Reynolds pode ser calculado pela expressão: (14) Indicando por t a temperatura em oC, a viscosidade cinemática do ar em m2/s pode ser estimada com razoável precisão pela expressão: v = (13 + 0,1 t) x 10-6 (15) A relação 15 acima oferece boa precisão na faixa de temperaturas normalmente usada em sistemas de ar condicionado. A tabela 1 fornece o valor da viscosidade absoluta do ar em Pa.s a 1 bar na faixa de temperaturas de 10oC a 80oC. Tabela 1: Viscosidade absoluta do ar Temperatura (oC) Viscosidade (Pa.s x10-6)) 10 17.72 20 18.20 30 18.68 40 19.15 50 19.61 60 20.06 70 20.51 80 20.96 A tabela 2 fornece o valor da viscosidade da água em Pa.s na faixa de temperaturas de 10oC a 100oC. Referência: www.ebah.com.br Propriedades do ar seco sobre pressão normal. Tabela 2: Viscosidade absoluta da água Temperatura (oC) Viscosidade (Pa,s x 10-3) 10 1.307 20 1.002 30 0.798 40 0.653 50 0.547 60 0.467 70 0.404 80 0.355 90 0.315 100 0.282 Referência: The Engineering Toolbox Para números de Reynolds menores que 2100 o escoamento é considerado laminar e para número de Reynolds maiores que 4100 o escoamento é considerado turbulento que é o regime mais usual em tubulações para o escoamento de ar e água. No intervalo entre 2300 e 4000 ocorre um regime de transição podendo o regime ser laminar ou turbulento. O diagrama de Moody, mostrado na figura 1 abaixo, é a maneira mais conhecida para a determinação do fator f em função dos parâmetros acima definidos. A abcissa é o Número de Reynolds e a ordenada o fator de atrito. O diagrama indica uma região a esquerda onde o regime de escoamento é laminar e o valor de independe da rugosidade. No regime laminar o fator de atrito pode ser calculado pela relação: Na outra região, que representa o regime turbulento, estão indicadas linhas de rugosidade relativa constante e neste caso o fator de atrito é função do número de Reynolds e da rugosidade relativa. Figura 1: Diagrama de Moody Portanto, conhecendo-se o número de Reynolds levanta-se uma vertical até sua intercessão com a linha de rugosidade relativa cujo valor é conhecido definindo-se então um ponto no diagrama. Por este ponto traça-se uma horizontal que, na intercessão com o eixo das ordenadas, fornecerá o fator de atrito desejado. Assim, por exemplo, para um número de Reynolds 2 x 105 e uma rugosidade relativa de 0.0008 o fator de atrito vale 0.02. Existem equações que permitem a determinação analítica do fator de atrito f como, por exemplo, equação de Colebrook considerada como referência para o cálculo do fator de atrito mas que envolve um cálculo iterativo para o cálculo de f (16) Uma equação mais simples é a devida a Swamee – Jain (1976) que não envolve um processo de cálculo iterativo para o cálculo de f. Ela se apresenta sob a forma: (16) Referência Wikipédia Para sistemas de ventilação e ar condicionado o manual Fundamentals da American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers (ASHRAE) apresenta o método abaixo para o cálculo do fator de atrito. A) Calcula-se um fator fo pela relação: (17) B) Se fo 0.018, fo = f C) Se fo < 0.018 o fator de atrito f será calculado pela equação: A internet oferece aplicativos para o cálculo do fator de atrito. No endereço www.ajdesigner.com no menu Fluid Mechanics- Colebrook Equation Calculator é oferecido um aplicativo para o cálculo do fator de atrito f. Portanto, calculado o fator de atrito por qualquer uma das formas anteriormente mostrada e conhecendo a velocidade e a massa especifica do fluido na tubulação a perda de carga pode ser determinada pela expressão 10 abaixo repetida e é conhecida como perda de carga distribuída. (10) Perda de carga localizada é aquela que é associada a acessórios existentes em um sistema de dutos ou tubulações como curvas, válvulas, peças necessárias à montagem do sistema como reduções, expansões, etc. O método de cálculo da perda de carga anteriormente mostrado é genérico e pode ser usado para qualquer fluido. Na literatura especializada são apresentadas formulações específicas para o cálculo da perda de carga em determinado tipo de fluido como no caso de tubulações de fluidos frigoríficos, ar comprimido, água, etc. e que deverão ser usados de preferência à formulação apresentada. O método para o cálculo da perda de carga em sistemas que usam água está descrito abaixo. A perda de carga para o escoamento de água em tubulações pode ser calculada pela equação de Hazen-Williams. Indicando por L o comprimento da tubulação em metros, V a velocidade do fluido em metros por segundo, D o diâmetro interno da tubulação em metros e C o fator de rugosidade que depende do material de fabricação da tubulação, a perda de pressão ou perda de carga do fluido em metros de coluna de água pode ser calculada por: (18) A tabela 3, na página seguinte, fornece valores típicos do fator de rugosidade para alguns materiais. Tabela 3: Fator de rugosidade Material Fator de rugosidade Aço 140 Cobre 130-140 Concreto 100-140 Fibra de vidro 150 Metal corrugado 60 Exemplo 1: Uma corrente de 6800 m3/h de ar a 100 kPa e 10oC escoa em um duto, de secção reta circular, com velocidade de 5 m/s. Admitindo que a rugosidade absoluta do material de fabricação do duto vale 0.09 mm e que seu comprimento vale 15 m calcular em Pa a perda de pressão no duto. Solução Vazão de ar: Área da secção reta do duto A = 0.378 m2 Diâmetro interno do duto D = 0.694 m = 694 mm Massa específica do ar Viscosidade absoluta do ar a 10oC : (tabela 1) Número de Reynolds Rugosidade relativa: Com o valor do número de Reynolds e a rugosidade relativa obtém-se do diagrama de Moody f =0.016 Cálculo do fator de atrito pela correlação devida a Swamee (equação 16) f = 0.0161 Perda de carga 5.32 Pa =0.55 mmca Exemplo 2: Resolver o exemplo 1 admitindo que a secção do duto é retangular e que a altura do duto não deve ultrapassar 20 cm; Solução Largura do duto 0.368 = L 0.2 L = 1.84 m Perímetro do duto P = 2 x 0.2 + 2 x 1.84 P= 4.08 m Diâmetro hidráulico Número de Reynolds Rugosidade relativa O cálculo dofator de atrito será feito pelas equações 17 e 17a Como (maior que 0.018) Perda de carga = 12.82 Pa Exemplo 3: Uma vazão de 6.8 m3/h de água escoa em uma tubulação de aço com comprimento de 10m. Sabendo que a velocidade é de 3 m/s, calcular, usando a equação de Hazem-Williams, a perda de carga em metros de coluna de água. Solução Vazão de água Q = 6.8 / 3600 Q = 0.00188 m3/s Área da secção reta 0.00188 = A x 3 A = 6.266 x 10-4 m2 Diâmetro da tubulação D = 0.0282 m Perda de carga Exemplo 4: Uma corrente de 24 litros por minuto de um óleo escoa na tubulação mostrada no desenho abaixo. � A pressão manométrica no ponto 1 vale 500 kPa. Calcular a pressão manométrica no ponto 2 sendo conhecidos: a) Densidade do óleo em relação a água: 0.82 b) Diâmetro da secção 1: 12 mm c) Diâmetro da secção 2: 25 mm d) Perdas totais entre os pontos 1 e 2 : 2.3 m de coluna de fluido Solução Pressão no ponto 1: p1 = 500 kPa = 500000 Pa Vazão de óleo: Massa específica do óleo: Área interna da secção 1 Área interna da secção 2 g Velocidade no ponto 1 Velocidade no ponto 2 Perda de carga de 2.3 m expressa em N/ m2 (Pa) Será usada a Equação de Bernouilli em termos de pressão (equação 7) para a solução do problema: Deve ser observado que, como o valor adotado para p1 na solução do problema é pressão manométrica, a pressão p2 calculada também é manométrica. Exemplo 5: Qual o nível, h, que deve ser mantido no reservatório para produzir uma vazão volumétrica de 0,03 m3/s de água? O diâmetro interno do cano liso é de 75 mm e seu comprimento é de 100 m. A perda de carga associada à entrada do cano na junção com o reservatório é de 1.178 mca . A água é descarregada para a atmosfera e a pressão na parte superior do tanque é também a pressão atmosférica. Solução Será usada a Equação de Bernouilli em termos de pressão (equação 7) para a solução do problema: Será admitido um plano de referência coincidindo com a linha de centro do cano. Como a parte superior do tanque e a saída do cano estão sujeitas à pressão atmosférica conclui-se que p1 = p2 = 0 (pressão manométrica). Admite-se ainda que v1= 0. Área da secção reta do cano Velocidade na saída do cano 0.03 = 0.00441 Masssa específica da água: Perda de pressão junção cano-reservatório Viscosidade da água: Número de Reynolds Rugosidade relativa Fator de atrito Perda de carga no cano Perda de carga total Altura do reservatório Exemplo 6: No sistema de dutos mostrado na figura abaixo escoa uma vazão de 13600 m3/h. A perda de carga entre as secções 1 e 2 é de 11 milímetros de coluna de água. A área da secção 1 vale 0.371 m2 e a área da secção 3 é 1.49 m2. Sabendo que a pressão estática em 1 vale 28 milímetros de coluna de água e adotando um valor de 1.2 kg/m3para a massa especifica do ar, calcular a pressão estática na secção 2. Solução Vazão no duto Q = 13600 / 3600 Q = 3.777 m3/s Pressão estática na secção 1 p1 = 28 x 9.81 = 274.68 Pa Velocidade na secção 1 3.777 = 0.371 x v1 v1 = 10.18 m/s Velocidade na secção 2 3.777 = 1.49 x v2 v2 = 2.53 m/s Perda de carga Será usada a Equação de Bernouilli em termos de pressão (equação 7) para a solução do problema: Exemplo 7: Perdas localizadas são as vezes fornecidas em termos de comprimento equivalente do tubo. Por exemplo, um registro globo para um tubo com 25 mm de diâmetro nominal apresenta um comprimento equivalente de 15 m quando todo aberto. Isto significa que o registro apresenta a mesma perda de carga que um tubo reto com comprimento de 15 m. Calcular em pascal e bar a perda de carga no registro globo de aço galvanizado citado para uma velocidade da água no tubo de 3 m/s. Solução Massa especifica da água: = 1000 Rugosidade absoluta do aço galvanizado: 0.09 mm Viscosidade absoluta da água: 0.001 Pa.s Diâmetro interno do duto adotado: 25 mm Rugosidade relativa: Número de Reynolds: Fator de atrito: 0.029 (obtido do aplicativo) Perda de carga: Exemplo 8: Calcular a perda de carga em um duto, com dimensões de 0.6 m, por 0.3 m com comprimento de 10 m, rugosidade absoluta de 0.09 mm, sabendo que a vazão é de 4000 m3/h e que a massa especifica do ar é de 1.2 kg/m3. Solução Viscosidade do ar: Dimensões do duto: 0.6 m por 0.3 m Área do duto: A = 0.6 x 0.3 = 0.18 m2 Perímetro do duto: P = 2 (0.6 + 0.3) = 1.8 Diâmetro hidráulico: DH = 4 x 0.18 / 1.8 = 0.4 m Rugosidade absoluta: Rugosidade relativa: 0.09/400 = 2.25 x 10-4 Velocidade do ar no duto: = 6.17 m/s Número de Reynolds: Fator de atrito Fator de atrito para cálculo para o cálculo da perda de carga Perda de carga VERIFICAÇÃO DO VALOR DE FATOR DE ATRITO PELA EQUAÇÃO DE COLEBROOK Substituindo na equação os valores anteriormente calculados resulta: Efetuando Ou 7.52 = 7.506 O valor de f calculado pela correlação satisfaz a equação de Colebrook com bastante precisão. � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� �PAGE � �PAGE �5� _1509645153.unknown _1509804907.unknown _1534488668.unknown _1553669752.unknown _1553674366.unknown _1553697397.unknown _1553757093.unknown _1553840172.doc CURSO DE EXTENSÃO EM ENGENHARIA DO AR CONDICIONADO 16º CURSO DE EXTENSÃO EM ENGENHARIA DO AR CONDICIONADO Equação de Bernouilli Conceituação e uso PROFESSOR Antonio Luiz dos Santos � REALIZAÇÃO � COORDENAÇÃO E APOIO IME - INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA _1553841096.unknown _1553700398.unknown _1553697457.unknown _1553696991.unknown _1553697020.unknown _1553674467.unknown _1553672195.unknown _1553673827.unknown _1553673290.unknown _1553672118.unknown _1534600431.unknown _1534600492.unknown _1534600657.unknown _1553609641.unknown _1534600508.unknown _1534600526.unknown _1534600477.unknown _1534488759.unknown _1534488860.unknown _1534488861.unknown _1534488859.unknown _1534488858.unknown _1534488714.unknown _1534488736.unknown _1534488693.unknown _1509809189.unknown _1509875794.unknown _1529394608.unknown _1534488635.unknown _1529393523.unknown _1509875253.unknown _1509875517.unknown _1509809360.unknown _1509805971.unknown _1509806426.unknown _1509806536.unknown _1509806273.unknown _1509805260.unknown _1509805884.unknown _1509805090.unknown _1509793927.unknown _1509803243.unknown _1509803615.unknown _1509803959.unknown _1509804138.unknown _1509803744.unknown _1509803869.unknown _1509803453.unknown _1509803475.unknown _1509803313.unknown _1509795529.unknown _1509796027.unknown _1509794192.unknown _1509794376.unknown _1509794132.unknown _1509647528.unknown _1509780204.unknown _1509792174.unknown _1509792891.unknown _1509793309.unknown _1509793369.unknown _1509793551.unknown _1509793270.unknown _1509792481.unknown _1509792752.unknown _1509792264.unknown _1509780640.unknown _1509791991.unknown _1509780519.unknown_1509647972.unknown _1509648191.unknown _1509648065.unknown _1509647651.unknown _1509646978.unknown _1509647205.unknown _1509647303.unknown _1509647032.unknown _1509645766.unknown _1509645961.unknown _1509646004.unknown _1509646025.unknown _1509645983.unknown _1509645926.unknown _1509645887.unknown _1509645717.unknown _1509645737.unknown _1509645231.unknown _1509645702.unknown _1509645676.unknown _1509645216.unknown _1509645197.unknown _1496303562.unknown _1507068241.unknown _1509569263.unknown _1509644745.unknown _1509645071.unknown _1509645107.unknown _1509645129.unknown _1509644938.unknown _1509645003.unknown _1509645022.unknown _1509644807.unknown _1509644846.unknown _1509571870.unknown _1509573593.unknown _1509573990.unknown _1509572506.unknown _1509571449.unknown _1509007370.unknown _1509547064.unknown _1509566233.unknown _1509012246.unknown _1509090947.unknown _1508563048.unknown _1508835739.unknown _1508930025.unknown _1507068268.unknown _1507068643.unknown _1496389992.unknown _1507067187.unknown _1507067313.unknown _1507067357.unknown _1507066294.unknown _1507066378.unknown _1507060750.unknown _1496556310.unknown _1496388604.unknown _1496388648.unknown _1496306949.unknown _1496388435.unknown _1496305126.unknown _1492695052.unknown _1492696031.unknown _1496212483.unknown _1496213798.unknown _1496214832.unknown _1496303536.unknown _1496215866.unknown _1496214342.unknown _1496213664.unknown _1494244469.unknown _1496211088.unknown _1494434091.unknown _1492696982.unknown _1494244245.unknown _1492695814.unknown _1492696004.unknown _1492695934.unknown _1492695787.unknown _1492695373.unknown _1492429876.unknown _1492435242.unknown _1492694072.unknown _1492695030.unknown _1492546242.unknown _1492548012.unknown _1492432010.unknown _1492434174.unknown _1492429952.unknown _1492429761.unknown _1492429821.unknown _1492429632.unknown _1431457735.unknown
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