PERDA DE CARGA TUBULAÇÕES DE TRECHOS RETOS E DIÂMETROS DIFERENTES - GRUPO C final

Prévia do material em texto

PERDA DE CARGA – TUBULAÇÕES DE TRECHOS RETOS E DIÂMETROS DIFERENTES
Lady Marluany Nunes da Cruz, Lavínia Mota Cristianismo Silva, Michelle Antunes de Alvarenga e Silva, Vítor Moura de Amorim.
RESUMO
A perda de carga do sistema provoca um abaixamento da pressão total do fluido ao longo do escoamento, isso ocorre porque à medida que se aumenta a interação com as moléculas vizinhas a viscosidade do fluido aumenta e o escoamento se torna turbulento ou laminar, de acordo com o número de Reynolds. As perdas de carga sofridas pelo fluido podem ser distribuídas ou localizadas, as perdas distribuídas ocorrem em trechos retilíneos da tubulação, onde a pressão imposta pela parede do tubo diminui gradativamente ao longo de seu comprimento, e a geometria da área interna permanece constante, já as perdas de carga localizadas ocorrem em trechos singulares das tubulações. Assim, é de suma importância conhecer as características da tubulação de trabalho, as características do fluido e o tipo de escoamento. Desse modo, o presente experimento teve como objetivo calcular as perdas de carga em diferentes tubulações pelos métodos de Darcy Weisbach, comprimento equivalente e New Crane, avaliando a perda de carga em cada método assim como em diferentes vazões.
Palavras-chave: escoamento; vazão; características do sistema.
1. INTRODUÇÃO
O escoamento de um fluido que passa através de uma tubulação sofre a influência das paredes do tubo e dos obstáculos nele presente, devido à força de atrito, dissipando energia, isto é, as partículas que estão em contato com a parede adquirem a velocidade da parede, nesse caso, velocidade nula.
Amedida que aumenta a interação com as moléculas vizinhas a viscosidade do fluido aumenta e o escoamento se torna turbulento ou laminar, de acordo com o número de Reynolds, equação 1. Nesse momento há perda de carga no sistema, que provoca um abaixamento da pressão total do fluido ao longo do escoamento. (BARRAL, 2011).
(Equação 1)
Onde, 
𝜌 = massa especifica do fluido; 
v = velocidade média; 
D = diâmetro do tubo 
𝜇 = viscosidade do fluido. 
Para valores de Re<2300 caracterizam regimes laminares, Re> 4000 regimes turbulentos e entre esses valores o regime é considerado transiente.As perdas de carga sofrida pelo fluido podem ser distribuídas ou localizadas. 
As perdas distribuídas ocorrem em trechos retilíneos da tubulação, onde a pressão imposta pela parede do tubo diminui gradativamente ao longo de seu comprimento, e a geometria da área interna permanece constante. Já as perdas de carga localizada ocorrem em trechos singulares dos condutos tais como: junções, derivações, curvas, válvulas, entrada, saídas e etc. (FOX, 2010).
Por isso é necessário conhecer as características da tubulação como o comprimento, cotovelos, diâmetro, T’s, joelhos, registros, restrições e válvulas, bem como as características do fluido como densidade, pressão, temperatura e o tipo de escoamento.
O experimento descrito a seguir tem como objetivo calcular as perdas de carga em diferentes tubulações pelos métodos de Darcy Weisbach, comprimento equivalente e New Crane, avaliando a perda de carga em cada método assim como em diferentes vazões. 
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Materiais
Cronometro;
Balde;
Régua;
Barbante;
Bancada hidráulica.
Bancada hidráulica, contendo os seguintes acessórios: 
Registro esfera 1’’; 
Registro gaveta 1’’; 
Curva 90º; 
Cotovelo 45º;
Cotovelo 90º; 
As tubulações utilizadas foram: 
Tubulação 1’’; 
Tubulação perda de carga induzida ¾’’; 
Tubulação ½’’; 
Tubulação rugosa; 
Tubulação lisa; 
Métodos
Para realização do experimento foi utilizada a bancada hidráulica HD98 do Laboratório de Engenharia I do prédio da Engenharia Química, representada na figura 1.
Figura 1 – Bancada Hidráulica HD98
Fonte: Autores, 2019.
Inicialmente foi regulada a vazão do sistema. A bomba foi acionadae permitiu-se que o sistema funcionassepor 30 segundos. O volume de água que saiu foi coletado em um balde. A vazão controlada utilizando um registro.
Para o cálculo do volume utilizou-se a área do balde vezes a altura de líquido, de acordo com a equação 2. Dividindo este resultado pelo tempo do experimento, obteve a vazão, segundo a equação 3. 
 𝑉=𝐴𝑏𝑥 ℎ 	(Equação 2)
Onde, 
𝑉= Volume do balde; 
𝐴𝑏 = Área da base do balde; 
ℎ= Altura da coluna de líquido.
𝑄=	(Equação 3)
Onde, 
𝑄= vazão volumétrica; 
𝑉= volume do balde; 
𝑡= tempo.
Foi necessário dispor as válvulas do módulo, para que o fluido percorra apenas as tubulações referentes ao medidor de vazão que se deseja estudar. 
Para o cálculo da perda de carga, todas as secções retas e conexões foram medidas para estimar a perda do sistema. Nas secções retas e acessórios onde se desejava estimar a perda de carga, foram colocados 2 manômetros, um na entrada e outro na saída, para apurara variação de pressão. Todos os dados da água utilizados são tabelados para a temperatura de 25°C e a pressão de 1atm.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A tabela 1 mostra os valores obtidos das pressões e alturas de cada acessório na base da Bancada Hidráulica, para a vazão calculada de 1,05 m3/h com velocidade de 4,59x10-3 m/s. Já a tabela 2 mostra os valores obtidos para a vazão calculada de 3,02 m3/h com velocidade de 0,01149 m/s e a tabela 3 os valores para a vazão calculada de 2,26 m3/h com velocidade de 8,6x10-3 m/s.
Para o cálculo das velocidades de entrada e saída apresentadas nas tabelas 1, 2 e 3, utilizou-se a equação 4.
Onde, 
Q= vazão encontrada a partir da equação 3;
A= .
Tabela 1 – Medida das pressões e alturas existentes na base da bancada hidráulica, referente à vazão 1
	Vazão 1 = 1,05 m3/h
	Velocidade = 4,59x10-3 m/s
	Acessório/ singularidade
	Pressão na entrada Kg/cm2
	Pressão na saída Kg/cm2
	Z entrada (m)
	Z saída (m)
	Velocidade entrada (m/s)
	Velocidade saída (m/s)
	Perda de carga induzida ¾’’
	1,3
	1,3
	1,37
	1,37
	0,933
	0,933
	Transparente liso
	1,3
	1,2
	1,42
	1,42
	0,0337
	0,0337
	Tubulação ½’’
	1,2
	1,2
	1,58
	1,58
	2,304
	2,304
	Transparente rugoso
	1,2
	1,2
	1,42
	1,42
	0,0581
	0,0581
Fonte: Autores, 2019.
Tabela 2 – Medida das pressões e alturas existentes na base da bancada hidráulica, referente à vazão 2
	Vazão 2 = 3,02 m3/h
	Velocidade = 0,01149 m/s
	Acessório/ singularidade
	Pressão na entrada Kg/cm2
	Pressão na saída Kg/cm2
	Z entrada (m)
	Z saída (m)
	Velocidade entrada (m/s)
	Velocidade saída (m/s)
	Perda de carga induzida ¾’’
	0,9
	0,8
	1,37
	1,37
	2,685
	2,685
	Transparente liso
	0,9
	0,87
	1,42
	1,42
	0,0969
	0,0969
	Tubulação ½’’
	0,8
	0,7
	1,58
	1,58
	6,6265
	6,6265
	Transparente rugoso
	0,8
	0,8
	1,42
	1,42
	0,167
	0,167
Fonte: Autores, 2019.
Tabela 3 – Medida das pressões e alturas existentes na base da bancada hidráulica, referente à vazão 3
	Vazão 3 = 2,26 m3/h
	Velocidade = 8,6x10-3m/s
	Acessório/ singularidade
	Pressão na entrada Kg/cm2
	Pressão na saída Kg/cm2
	Z entrada (m)
	Z saída (m)
	Velocidade entrada (m/s)
	Velocidade saída (m/s)
	Perda de carga induzida ¾’’
	1,0
	0,9
	1,37
	1,37
	2,010
	2,010
	Transparente liso
	1,0
	0,95
	1,42
	1,42
	0,0726
	0,0726
	Tubulação ½’’
	0,9
	0,8
	1,58
	1,58
	4,960
	4,960
	Transparente rugoso
	0,95
	0,9
	1,42
	1,42
	0,125
	0,125
Fonte: Autores, 2019.
Os diâmetros de cada tubulação avaliada estão apresentados na tabela 4.
Tabela 4 – Diâmetro das tubulações
	Tubulação
	Diâmetro (m)
	Perda de carga induzida ¾’’
	0,01995
	Transparente liso
	0,105
	Tubulação ½’’
	0,0127
	Transparente rugoso
	0,08
Fonte: Autores, 2019.
O número de Reynolds foi calculado de acordo com a Equação 1(considerando e ) em cada um dos tubos e os valores obtidos estão apresentados na tabela 5.
Tabela 5 –Número de Reynolds para cada tubulação 
	Vazão
	Tubulação
	Número de Reynolds
	
	Vazão 1 = 1,05 m3/h
	Perda de carga induzida¾’’
	17.773,65
	0,00787
	
	Transparente liso
	3.538,50
	0,00143
	
	Tubulação ½’’
	29.260,80
	0,0118
	
	Transparente rugoso
	4.648
	0,00188
	Vazão 2 = 3,02 m3/h
	Perda de carga induzida ¾’’
	51.149,25
	0,00787
	
	Transparente liso
	10.174,50
	0,00143
	
	Tubulação ½’’
	84.156,55
	0,0118
	
	Transparente rugoso
	13.360
	0,00188
	Vazão 3 = 2,26 m3/h
	Perda de carga induzida ¾’’
	38.290,50
	0,00787
	
	Transparente liso
	7.623
	0,00143
	
	Tubulação ½’’
	62.992
	0,0118
	
	Transparente rugoso
	10.000
	0,00188
*: 
Fonte: Autores, 2019.
Com a obtenção do número de Reynolds e de foi possível encontrar os valores de ƒ (tabela 6) através do diagrama de Moody Rouse. 
Tabela 6 – Valores de ƒ
	Vazão
	Tubulação
	ƒ
	Vazão 1 = 1,05 m3/h
	Perda de carga induzida ¾’’
	0,038
	
	Transparente liso
	0,042
	
	Tubulação ½’’
	0,027
	
	Transparente rugoso
	0,042
	Vazão 2 = 3,02 m3/h
	Perda de carga induzida ¾’’
	0,036
	
	Transparente liso
	0,035
	
	Tubulação ½’’
	0,039
	
	Transparente rugoso
	0,033
	Vazão 3 = 2,26 m3/h
	Perda de carga induzida ¾’’
	0,037
	
	Transparente liso
	0,036
	
	Tubulação ½’’
	0,038
	
	Transparente rugoso
	0,032
Fonte: Autores, 2019.
Para calcular a perda de carga Hfpelos métodos de DarcyWeisbach, comprimento equivalente e New Crane foram utilizadas as equações 5, 6 e 7, respectivamente e os resultados obtidos estão apresentados na tabela 7.
 (Equação 5)
 (Equação 6)
 (Equação 7)
Onde, 
Hf= Perda de carga;
ƒ= Fator de atrito;
L= Comprimento;
D= Diâmetro;
N= Número de acessórios e singularidades;
Hd= .
Tabela 7 – Resultados de perda de carga (Hf) pelos 3 métodos
	Vazão
	Tubulação
	Hf(m)–DarcyWeisbach
	Hf(m)– Comprimento equivalente
	Hf(m)– New Crane (K)
	Vazão 1 = 1,05 m3/h
	Perda de carga induzida ¾’’
	0,76093
	1,01163
	0,80952
	
	Transparente liso
	0,00021
	0,00033
	0,00023
	
	Tubulação ½’’
	5,3719
	7,00661
	5,7099
	
	Transparente rugoso
	0,000828
	0,00123
	0,00088
	Vazão 2 = 3,02 m3/h
	Perda de carga induzida ¾’’
	5,96673
	7,93257
	6,34775
	
	Transparente liso
	0,00147
	0,00229
	0,00156
	
	Tubulação ½’’
	64,1916
	83,7259
	68,2308
	
	Transparente rugoso
	0,00538
	0,00797
	0,00573
	Vazão 3 = 2,26 m3/h
	Perda de carga induzida ¾’’
	3,43585
	4,56786
	3,65526
	
	Transparente liso
	0,000845
	0,00132
	0,00090
	
	Tubulação ½’’
	35,0423
	45,7061
	37,2473
	
	Transparente rugoso
	0,00292
	0,00433
	0,00312
Fonte: Autores, 2019.
Em relação aos valores obtidos para a perda de carga calculada por todos os métodos, a mesma variou conforme ocorreu a variação do diâmetro da tubulação, havendo variações também à medida que a vazão foi alterada, de forma diretamente proporcional. os menores valores de perda de carga foram registrados nas tubulações transparente liso e transparente rugoso, que apresentam os maiores diâmetros e consequentemente velocidades de escoamento menores.
 Também foi possível perceber que os valores de perda de carga obtidos pelos métodos de Darcy Weisbach e New Crane (K) e comprimento equivalente foram semelhantes, com os valores do método de comprimento equivalente sendo maiores. Isso pode ser explicado pois os valores de comprimento equivalente adicionados ao comprimento da tubulação são bem maiores do que os valores do coeficiente K. 
Sobre a eficácia de cada método, pode-se dizer que o método de Darcy Weisbach é o menos preciso pois não leva em conta as perdas de cargas localizadas. Como os métodos de New Crane (K) e comprimento equivalente trazem esse fator pode se dizer que são mais confiáveis sendo que destes, o de comprimento equivalente é o mais utilizado. 
4. CONCLUSÃO
O experimento mostrou a influência de singularidades, da variação do diâmetro de tubulações e de velocidades de escoamento na perda de carga. Com isso, conclui-se que a perda de carga é proporcional a velocidade e inversamente proporcional ao diâmetro dos tubos.
5. REFERÊNCIAS
FOX, R. W. McDonald, A. T. Introdução à mecânica dos fluidos. 5 Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001. Acesso em 12 out. 2019.
BARRAL, M.Perda de carga. USP. Aula 7. 2011. Disponível em: <http://www.leb.esalq.usp.br/leb/disciplinas/Fernando/leb472/Aula_7/Perda_de_carga_Manuel%20Barral.pdf>. Acesso em 12 out. 2019.