3 Relatrio Perda de Carga

Prévia do material em texto

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS
Programa de Graduação em Engenharia Mecânica
Turma: 2081.1.1 – Segunda - Feira
Matheus Buzette Braga
Rafael Galvão Barros
Rafael Martins Barbosa de Oliveira
Vinícius Augusto Camatta Santana
RELATÓRIO DE LABORATÓRIO DE FLUÍDOSMECÂNICOS
PERDA DE CARGA
Belo Horizonte
2019
INTRODUÇÃO
A perda de carga num tubo ou canal é a perda de energia dinâmica do fluido devido à fricção das partículas do fluido entre si e contra as paredes da tubulação que os contenha. Podem ser contínuas, ao longo dos condutos regulares, acidental ou localizada, devido a circunstâncias particulares, como um estreitamento, uma alteração de direção, a presença de uma válvula e outras. 
 Objetivo
Realizar no laboratório a medição de perda de carga em vários tipos de tubulações e acessórios – Perda de Carga Localizada (KL), Perda de Carga para o Registro de Esfera e para Cotovelo 90º. Os valores obtidos serão utilizados para calcular o valor do coeficiente dos acessórios (k) e a rugosidade do tubo de ferro fundido (f).
 Conceituação Teórica
Perdas de Carga Localizada, o fluido em um sistema hidráulico típico além de passar em tubulações passa também através de válvulas, conexões, curvas, cotovelos, tês, entradas, saídas extensões e reduções. Estes componentes, em função da sua geometria, alteram o escoamento normal do fluido causando perdas de energia hidráulica denominadas de perdas localizadas. O valor da perda é relacionado a um termo kL conhecido como coeficiente de perda ou coeficiente de resistência. Assim, a perda de carga localizada pode ser calculada pela equação:
Onde:
∆H L = perda de carga em [m]. 
V = velocidade média do escoamento em [m/s]. 
g = aceleração da gravidade em [m/s2].
O coeficiente KL é determinado experimentalmente e já fornecido pelo fabricante do produto. Utilizando a equação de continuidade:
Sendo: 
Q = vazão volumétrica; 
A = área da seção transversal determinada pela fórmula: ;
V = velocidade média do escoamento.
Se a área for substituída e a velocidade média do escoamento isolada, obtemos:
Que possibilita a substituição na fórmula da perda de carga localizada para que ΔHL fique em função da vazão volumétrica:
Chamando Ki de características da instalação: 
E substituindo-o na fórmula de ΔHL:
Perda de carga distribuída é a perda de energia que o fluido sofre devido ao atrito do líquido viscoso com um trecho reto de tubulação. Esse atrito depende de inúmeros elementos como a densidade e viscosidade do fluido, a rugosidade da parede do fluido, a turbulência do movimento, a velocidade do escoamento e o comprimento percorrido. Essa perda distribuída é dada pela seguinte fórmula:
Onde: 
∆HD = perda de carga em [m].
f = fator de atrito.
L = comprimento total da tubulação em [m]. 
V = velocidade média do escoamento em [m/s]. 
g = aceleração da gravidade em [m/s2].
Para que o Fator de Atrito (f) presente na fórmula da perda de carga distribuída possa ser calculado, é necessário que conhecer o regime de escoamento do fluido. Para um escoamento laminar (Re<2000) o fator de atrito depende somente do número de Reynolds, sendo dado pela fórmula abaixo:
; 
Onde:
V = velocidade média do escoamento.
D = diâmetro do tubo. [m]
ν = viscosidade cinemática do fluido. [m²/s]
Quando o escoamento é turbulento (Re>4000), o fator de atrito passa a depender do número de Reynolds e a rugosidade relativa, Que é dado pela razão da rugosidade superficial do tubo sobre o diâmetro do mesmo. É possível calcular o fator de atrito em regime turbulento usando o ábaco de moody ou a fórmula de Colebrook:
EQUIPAMENTO
A bancada de teste de perda de carga do laboratório, representada na figura 01 é constituída de um circuito hidráulico com diversos componentes sendo que para o teste da perda, em questão, destaca-se: 
4
Figura 1 - Bancada de teste Perda de Carga.
1 - Tubo Retilíneo.
2 – Cotovelo de 90º - Total: 44.
3 – Registro de Esfera.
4 – Medidor de vazão 
Desenho esquemático com as devidas identificações da Bancada de teste de Perda de Carga.
Figura 2 - Desenho Esquemático da Bancada de Perda de Carga.
1: Registro esfera.
2: Registro Macho e Fêmea.
3 e 14: Registro de diafragma.
4: Registro de Gaveta.
5: Registro borboleta.
6: Medidor Venturi.
7: Medidor de Placa de Orifício.
8: Cotovelo de 90°.
9: Tubo reto com curva de 90°.
10: Curva de 90°.
11: Tubo reto.
12: Hidrômetro.
13: Rotâmetro.
15 ao 18: Registros Gaveta.
3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 
Inicialmente fizemos as medições para o experimento do Registro de Esfera completamente aberto, foram fechados os registros macho e fêmea, os dois de diafragma, e o de gaveta localizado nos números 4 e 16 da figura 2 presente e o registro borboleta. E foram abertos os registros de gaveta localizados nos números 15, 17, 18 conforme a figura dos equipamentos no tópico abaixo e o registro de esfera. Então o registro de diafragma foi aberto lentamente variando a vazão de X em X m³/h e começando por XXX. Foi anotado o valor da vazão e o valor da diferença entre as duas alturas das colunas de Hg do tubo de Venturi.
A partir dos dados de Q e ∆H, os valores de K1 e K1 médio são calculados através das expressões: 
; 
Onde ’’N’’ é igual o número de medidas realizadas, Q é a vazão e ∆H variação da perda de carga.
Depois as medições para o experimento do cotovelo de 90°, foram fechadas os registros de esferas, macho e fêmea, os dois de diafragma, e o de gaveta localizado no número 16 da figura 2. E foram abertos os registros de gaveta localizados nos números 4, 15, 17, 18 conforme Diagrama esquemático – figura 2. Os registros no primeiro e último cotovelo foram abertos respectivamente. Então o registro de diafragma foi aberto lentamente variando a vazão de XX em XX m³/h e começando por XX m³/h. Foi anotado o valor da vazão e o valor da diferença entre as duas alturas das colunas de Hg do tubo de Venturi.
Devido à existência de 44 cotovelos na bancada, é necessário dividir o valor total de perda de carga pelo número de cotovelos:
Da mesma forma que no 1º experimento, após obter os valores de Q e ∆H, calculamos os valores de K1 e K1 médio pelas expressões:
; 
Onde “N” é igual o número de medidas realizadas.
E então foram feitas as medições para o experimento do tubo retilíneo, foram fechados os registros macho e fêmea, os dois de diafragma, e o de gaveta localizado no número 4 e no 16 da figura 2 e o registro de borboleta. E foram abertos os registros de esfera, de gaveta localizada nos números 15, 17, 18. Os registros no e no final do tubo foram abertos respectivamente. Então o registro de diafragma foi aberto lentamente variando a vazão de X em X m³/h e começando por X m³/h. Foi anotado o valor da vazão e o valor da diferença entre as duas alturas das colunas de Hg do tubo de Venturi.
É realizado então o cálculo de J (perda unitária) através das expressões:
; 
Onde:
∆HD = perda em [mmHg] 
L = comprimento do tubo reto. [m].
Logo:
; 
Onde:
J = perda unitária em [mmHg/m].
D = diâmetro do tubo. [m]
g = aceleração da gravidade. [m/s²]
Q = vazão recalcada em [m3/s].
Os valores de f são determinados para cada vazão através do ábaco de Moody e da expressão:
3.1 Dados Obtidos
3.2 Análises dos Dados
Durante o experimento, pode-se notar que tanto o manômetro diferencial quanto o complexo medidor de vazão apresentavam-se instáveis, impossibilitando uma leitura precisa dos valores. Existe a possibilidade de presença de bolhas de ar no sistema, causando instabilidade nos valores obtidos de ΔH. Mesmo com a instabilidade, foi possível a realização do experimento, cujos resultados foram bastante próximos dos valores tabelados. 
Quanto ao experimento no cotovelo de 90º, obtemos um valor médio de 0,89 para KL, muito próximo do valor tabelado de 0,90. Ao analisarmos o Fator de Atrito no Tubo Retilíneo, podemos encontrar a situação muito semelhanteà dos acessórios. O valor do Fator encontrado no laboratório é de 0,025 em média, idêntico ao valor encontrado de acordo com o Ábaco de Moody, também de 0,025. 
CONCLUSÃO
A prática realizada foi suficientemente precisa a título de demonstrar como a perda de carga ocorre em diversos tipos de acessórios de tubulação. Conforme esperado, a perda de carga na tubulação retilínea é a menor de todos os experimentos, principalmente em relação aos cotovelos de 90º, onde foi notada grande perda de carga. Esta perda de carga menor na tubulação retilínea se deve ao fato de que não existem tantas interferências ao fluxo a não ser o próprio atrito gerado na parede interna da tubulação. No caso dos cotovelos de 90º, devido a mudança brusca de sentido do fluxo, espera-se uma maior perda de carga. Portanto, é sempre importante considerar, para uma menor perda de carga, uma geometria que evite interferência no fluxo como cotovelos. Outra consideração importante ao dimensionar uma tubulação é quanto a escolha do material, pois tal fator ira influenciar no fator de atrito da tubulação, calculado através do número de Reynolds e da rugosidade relativa da tubulação.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
FOX, Robert W. Introdução a mecânica dos fluidos. 6. ed. Editora LTC
BUONICONTRO, Célia Mara Sales. Laboratório de fluidomecânicos: Práticas de mecânica dos fluidos. 2010 ed. Belo Horizonte: Puc Minas
AZEVEDO NETTO, José M. de. Manual de hidráulica. 8. ed. atual. São Paulo: E. Blücher, 1998. 669p. ISBN 8521202776.
CARVALHO, Djalma Francisco. Instalações elevatórias : bombas. 6. ed. Belo Horizonte: PUC-MG, FUMARC, 1999. 353p.