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FENÔMENOS DOS TRANSPORTES Prof. Josiane Oliveira Josiane.oliveira@fpb.edu.br 18/04/2019 2 OBJETIVOS • Restrições da equação de Bernoulli • Perda de carga • Exercícios • Diagrama de Moody; • Perda de carga localizada e distribuída; • Exercícios. Na engenharia trabalhamos com energia dos fluidos por unidade de peso, a qual denominamos “carga”; Sabe-se que no escoamento de fluidos reais, parte de sua energia dissipa-se em forma de calor e nos turbilhões que se formam na corrente fluida; Essa energia é dissipada para o fluido vencer a resistência causada pela sua viscosidade e a resistência provocada pelo contato do fluido com a parede interna do conduto, e também para vencer as resistências causadas por peças de adaptação ou conexões (curvas, válvulas, ....). Introdução Introdução 4 – Escoamento permanente – Escoamento incompressível – Fluido ideal (sem atrito) – Sem presença de máquina hidráulica e sem troca de calor Restrições da Equação de Bernoulli Mas, na engenharia trabalhamos com fluidos reais. Se o fluido for real, temos que considerar a dissipação de energia: 2 2 2 2 1 2 1 1 22 P g V Z P g V Z 21 2 2 2 2 1 2 1 1 22 dissipadaEnergia P g V Z P g V Z Perda de carga • Quando um líquido escoa de um ponto para outro no interior de um tubo, ocorrerá sempre uma perda de energia, denominada perda de pressão ou perda de carga (ΔP). • Esta perda de energia é devida principalmente ao atrito do fluído com uma camada estacionária aderida à parede interna do tubo. Equação da energia para o fluido real 2,12 2 22 1 2 11 22 pM Hz g vP Hz g vP H1 = H2 + HP1,2 Energia perdida entre (1) e (2) Considerando a presença de uma máquina entre (1) e (2), a equação da energia ficará 1-Na instalação da figura, verificar se a máquina é uma bomba ou uma turbina e determinar a sua potência, sabendo que seu rendimento é 75%. Sabe-se que a pressão indicada por um manômetro instalado na seção (2) é 0,16 MPa, a vazão é 10 L/s, a área da seção dos tubos é 10 cm2 e a perda de carga entre as seções (1) e (4) é 2 m. Não é dado o sentido do escoamento: 10 4 N/m3 g = 10 m/s2. RESOLUÇÃO Deve ser notado inicialmente, que a seção (4) é o nível do reservatório inferior sem incluir a parte interna do tubo, já que nesta não se conhece a seção. RESOLUÇÃO Sabe-se que o escoamento acontecerá no sentido das cargas decrescentes, num trecho onde não existe máquina. Para verificar o sentido, serão calculadas as cargas nas seções 1 e 2 1 2 11 1 2 z g vP H )41010(001 H mH 241 1 2 11 1 2 z g vP H RESOLUÇÃO Sabe-se que o escoamento acontecerá no sentido das cargas decrescentes, num trecho onde não existe máquina. Para verificar o sentido, serão calculadas as cargas nas seções 1 e 2 2 2 22 2 2 z g vP H Dados: P2 = 0,16 x 10 6 Pa Qv = 10 L/s = 10 -3 m3/s Área= 10 cm2 = 10 x10-4 m2 RESOLUÇÃO Sabe-se que o escoamento acontecerá no sentido das cargas decrescentes, num trecho onde não existe máquina. Para verificar o sentido, serão calculadas as cargas nas seções 1 e 2 2 2 22 2 2 z g vP H Dados: P2 = 0,16 x 10 6 Pa Qv = 10 L/s = 10 -3 m3/s Área= 10 cm2 = 10 x10-4 m2 2 2 A Q v sm x x v /10 1010 1010 4 3 2 RESOLUÇÃO Sabe-se que o escoamento acontecerá no sentido das cargas decrescentes, num trecho onde não existe máquina. Para verificar o sentido, serão calculadas as cargas nas seções 1 e 2 2 2 22 2 2 z g vP H 4 102 10 10 1016,0 2 4 6 2 x x H mH 252 RESOLUÇÃO Como H2˃H1, conclui-se que o escoamento terá o sentido de 2 para 1 ou de baixo para cima, sendo a máquina, obviamente uma bomba. RESOLUÇÃO Aplica-se a equação da energia entre as seções 4 e 1, que compreendem a bomba. Lembrar que a equação deve ser escrita no sentido do escoamento. 1,414 pB HHHH 1,414 pB HHHH 4 2 44 4 2 z g vP H 04 H RESOLUÇÃO Aplica-se a equação da energia entre as seções 4 e 1, que compreendem a bomba. Lembrar que a equação deve ser escrita no sentido do escoamento. 1,414 pB HHHH 1,414 pB HHHH 1,441 pB HHHH mHB 262024 RESOLUÇÃO Confirma-se que a máquina é uma bomba já que a Carga manométrica resultou positiva. mHB 262024 Cálculo do rendimento da bomba B B B bomba b HQN N .. W xxx Nb 6,3466 75,0 26101010 34 RESOLUÇÃO 1 j/s = 1 Watt 1 Watt = 1x10-3 KWatt EXERCÍCIOS 2- Estudantes responderem (Questão similar a anterior) EXERCÍCIOS 2- Na instalação da figura, verificar se a máquina é uma bomba ou uma turbina e determinar a sua potência, sabendo que seu rendimento é 70%. Sabe-se que a pressão indicada por um manômetro instalado na seção (2) é 0,18 MPa, a vazão é 12 L/s, a área da seção dos tubos é l0 cm2 e a perda de carga entre as seções (1) e (4) é 2 m. Não é dado o sentido do escoamento, 10 4 N/m3 g = 10 m/s2 EXERCÍCIOS 3-Na instalação da figura, a máquina é uma bomba e o fluido é água. A bomba tem potência de 5KW e seu rendimento é 80%. A água é descarregada à atmosfera com uma velocidade de 5m/s pelo tubo cuja área da seção é 10 cm2 . Determinar a perda de carga do fluido entre (1) e (2) e a potência dissipada ao longo da tubulação 10 4 N/m3 g = 10 m/s2. . RESOLUÇÃO 2,121 pB HHHH 1 2 11 1 2 z g vP H 5001 H mH 51 RESOLUÇÃO mH 25,12 2 2 22 2 2 z g vP H 0 20 5 0 2 2 H RESOLUÇÃO B B b HQ N .. Q N H bBB )(vxA N H bBB )(vxA N H bBB RESOLUÇÃO )(vxA N H bBB m xxx xx HB 80 1010510 1058,0 44 3 RESOLUÇÃO Bp HHHH 212,1 mH p 75,838025,152,1 2,12,1 .. HQNdiss 75,8310510 342,1 xxxNdiss RESOLUÇÃO kWxxxxNdiss 187,4 1000 1 75,8310510 342,1 1 j/s = 1 Watt 1 Watt = 1x10-3 KWatt Resistência nos fluidos • Desta forma a perda de carga seria uma restrição à passagem do fluxo do fluido dentro da tubulação • Esta resistência influenciará diretamente na altura manométrica de uma bomba (H) e sua vazão volumétrica (Q). Perda de Carga • A perda de carga é uma função complexa de diversos elementos tais como: •Rugosidade do conduto; •Viscosidade e densidade do líquido; •Velocidade de escoamento; •Grau de turbulência do movimento; •Comprimento percorrido. Perda de carga distribuída Perda de Carga • Com o objetivo de possibilitar a obtenção de expressões matemáticas que permitam prever as perdas de carga nos condutos, elas são classificadas em: – Contínuas ou distribuídas – Localizadas Perda de carga em tubos de dutos forçados • Distribuída • É aquela que ocorre ao longo da tubulação, pelo atrito da água com as paredes do tubo. • Quanto maior o comprimento do tubo, maior será a perda de carga. • Quanto menor o diâmetro, maior também será a perda de carga. Perda de carga em tubos de dutos forçados • Perda de carga Distribuída • Material e condições dos tubos influenciam diretamente no aumento da perda de carga em tubulações. Calculo da perda de carga • A equação de Darcy-Weisbach é uma das equações mais antigas usadas na mecânica dos fluidos. Ela tem por finalidade calcular a perda de carga em tubos transportando fluidos, podendo estes ser líquido ou gás. Calculo da perda de carga • Conforme o fluido escoa ao longo do tubo a pressão diminui devido a fricção do fluido com a parede do tubo. A equação de Darcy pode ser usada para calcular essa diminuição da pressão. Calculo da perda de carga • Equação de Darcy • Calculo da Perda de carga distribuída • Escoamento deve estar dinamicamente estabelecido no interior do tubo g v D L fh f 2 .. 2 Fator de atrito de Fanning Calculo da perda de carga g v D L fh f 2 .. 2 Onde; h: a perda de carga (pressão) por fricção, f : o fator de atrito de Darcy, L : o comprimento do tubo, D : odiâmetro interno do tubo, V : a velocidade média do escoamento, g : a aceleração da gravidade. Fluxograma para o cálculo da perda de carga utilizando a Equação de Darcy. Calculo da perda de carga carga distribuída • Escoamento laminar (Re<2.100), o fator de atrito independe da rugosidade relativa ε/D • Para regimes de transição (2.100<Re<4.000) e turbulento (Re>4.000) há correlações para o fator de atrito • Tabelas, equações interativas, etc. Re 64 f Calculo da perda de carga carga distribuída • Transição – Dependendo das condições pode fixar em laminar ou turbulento • Escoamento turbulento – Valor de f depende de Re e ε/D (rugosidade relativa) • Há fórmulas que conduzem ao processo de calculo interativo: Equação de Colebrook Para escoamento de transição para turbulento em duto liso e rugoso 2 9,0Re 74,5 7,3 log 25,0 D f Classificação do escoamento Variação com o tempo • Regime permanente • as propriedades em uma dada seção do escoamento não se alteram com o decorrer do tempo. • Exemplo – escoamento pela tubulação onde o nível é mantido constante. 0 t Classificação do escoamento Escoamento permanente • A quantidade de água que entra (0) é a mesma que sai em (2) • Em um reservatório, apesar de haver uma descarga de fluido, o nível não varia sensivelmente com o tempo. Classificação do escoamento Escoamento não permanente • Regime variado • As condições do fluido em alguns pontos ou regiões de pontos variam com passar do tempo • Nível varia sensivelmente com o passar do tempo, havendo uma variação sensível da configuração do sistema 0 t Experimento de Reynolds • Relação entre fluxo laminar e turbulento • Descrito por Reynolds em 1883 Experimento de Reynolds • A transição do fluxo laminar para turbulento em tubos é uma função da velocidade do fluido. vD .. Re 1. Propriedade do fluido 2. Velocidade de escoamento 3. Diâmetro da tubulação Experimento de Reynolds vD .. Re = velocidade média do fluido = O diâmetro para o fluxo no tubo = viscosidade dinâmica do fluido massa específica do fluido v D https://pt.wikipedia.org/wiki/Di%C3%A2metro https://pt.wikipedia.org/wiki/Viscosidade https://pt.wikipedia.org/wiki/Massa_espec%C3%ADfica Experimento de Reynolds • De acordo com o numero re Reynolds determina-se o tipo de escoamento Laminar Re<2.300 Transição 2.300<Re< 4.000 Turbulento Re > 4000 Regime de escoamento • Laminar • Camadas do fluido deslizam umas sobre as outras sem mistura macroscópica • Turbulento • As componentes de velocidade sofrem flutuações aleatórias e aparecem turbilhões, provocando mistura macroscópicas Regime de escoamento • Laminar • A velocidade não varia com o tempo num ponto em regime estacionário. • Perfil parabólico • Turbulento • A velocidade num ponto oscila ao redor de um valor médio. • Perfil achatado Regime de escoamento • Laminar • Turbulento Escoamento laminar no fundo e turbulento na superfície O diagrama de Moody, mostra claramente as quatro zonas de fluxo de tubos. 1 – Uma zona de fluxo laminar onde o fator de atrito é uma função linear simples do número de Reynolds. Calculo da perda de carga carga distribuída O diagrama de Moody, mostra claramente as quatro zonas de fluxo de tubos. 2– Uma zona crítica onde os valores são incertos porque o fluxo pode não ser nem laminar nem verdadeiramente turbulento. Calculo da perda de carga carga distribuída O diagrama de Moody, mostra claramente as quatro zonas de fluxo de tubos. 3– Uma zona de transição onde f é uma função tanto do número de Reynolds quanto da rugosidade relativa do tubo. Calculo da perda de carga carga distribuída O diagrama de Moody, mostra claramente as quatro zonas de fluxo de tubos. 4– Uma zona de turbulência totalmente desenvolvida na qual o valor de f depende unicamente da rugosidade relativa e é independente do número de Reynolds Calculo da perda de carga carga distribuída Diagrama de Moody Encontrando fator de atrito (f)f independe da rugosidade As demais regiões do diagrama são todas dependentes da interação da subcamada viscosa com a rugosidade da parede do tubo Exemplo • Obtenha o coeficiente de perda de carga distribuída em uma tubulação com diâmetro de 0,10m que transporta água com vazão de 15L/s • Determine a perda de carga distribuída para 100m de tubulação. • Supondo que a tubulação empregada seja de concreto • Supondo que a rugosidade seja igual a 2mm.(0,002m) Resolução do exemplo 1. Rugosidade relativa 2. Encontrar a velocidade 3. Encontrar Reynolds (dados: massa especifica água = 103Kg/m3 e viscosidade dinâmica = 10-3 Kg/m.s) – verificar o regime de escoamento 4. Ir no gráfico de Moody e encontrar f 5. Encontrar f pela correlação 2 9,0Re 74,5 7,3 log 25,0 D f Exercícios resolvidos 020,0D No diagrama de Moody: Cálculo pela equação universal da perda de carga e diagrama de Moody: DVDV ... Re 190642Re Resolução do exemplo • Encontrar a perda de carga para o valor de f encontrado no gráfico e pela correlação g v D L fh gráficof 2 .. 2 )( g v D L fh correlaçãof 2 .. 2 )( 100.000 1.000.000 200.000 f=0,05 Exercícios resolvidos m g V 30,9 2D L fh 2 Cálculo pela equação universal da perda de carga e diagrama de Moody: Exercícios resolvidos Cálculo pela equação universal da perda de carga e f determinado pela equação de Colebrook f D f Re 51,2 7,3 log0,2 1 0488,0f m g V 08,9 2D L fh 2 Exercícios resolvidos Cálculo pela equação universal da perda de carga e f determinado pela equação explícita 049,0f m g V 11,9 2D L fh 2 2 9,0Re 74,5 7,3 log 25,0 D f Supõe-se que essa equação explicita fornece uma estimativa bastante precisa (dentro de 1 por cento) da equação implícita por Colebrook- White Exercício Determinar a perda de carga por Km de comprimento de uma tubulação de aço de seção circular de diâmetros de 45 cm. O fluido é óleo ( v = 1,06 x 10 -5 m2/s) e a vazão é 190 L/s Exercício Determinar a perda de carga por 300m de comprimento de uma tubulação de concreto de seção circular de diâmetros de 35 cm. O fluido é óleo ( v = 1,06 x 10 -5 m2/s) e a vazão é 220 L/s Perda de carga em tubos de dutos forçados • Localizadas • Nos casos em que a água sofre mudanças de direção como por exemplo no joelhos, reduções, tês, ocorre ali uma perda de carga chamada de “localizada”. Isto é fácil de entender se pensarmos que nestes locais, há uma grande turbulência concentrada, a qual aumenta os choques entre as partículas da água. Perda de carga localizada Gerada em acidentes/acessórios como apresentado Perda de carga localizada (hs) • A perda de carga localizada é calculada por: • ks é função de Reynolds e coeficiente de forma g v kh ss 2 2 Coeficiente de perda de carga singular (localizada) Coeficiente de forma – especifico para cada geometria Perda de carga localizada (hs) • Ks pode ser estimado experimentalmente por: 2 . 2v p ks Q=A.v V=Q/A Quando as áreas das seções de entrada e saída forem diferentes deve-se usar a menor área que gera maior velocidade média Perda de carga localizada (hs) • Ks é obtido por meio de experimentos Duto de área transversal A Mede-se para uma dada vazão Q Observa a queda de pressão ΔP=P1-P2 Entre a seção de entrada e saída da singularidade Perda de carga total • Perda de carga total de um sistema que contém n trechos de dutos e m acessórios • Caso o sistema analisado tenha um mesmo diâmetro a equação: g v k D L fH m j sjtotal 2 .. 2 1 m j j sjn i i i i itotal g v k g v D L fH 1 2 1 2 22 .. Perda de carga localizada (hs) Comprimento equivalente hs pode ser calculado em termos do comprimento equivalente Leq Comprimento do duto que contém o acessório que gera a perda de carga distribuída igual à perda de carga singular do acessório. Perda de carga localizada (hs) Comprimento equivalente g v D L f g v kh eq ss 2 .. 2 22 EXEMPLO Em um trecho de uma tubulação (1)-(5), existem: uma válvula gaveta (2), uma válvula tipo globo (3) e um cotovelo (4). Sendo a tubulação de aço, de diâmetro 2” (≅ 5 cm), determinar a perda (1) e (5) , sabendo-se que a vazão é de 2 L/s e que o comprimento da tubulação entre (1) e (5) é de 30 m.(ν = 10-6 m2/s). resolução resolução resolução Para efeito de cálculo de perda de carga resolução Calculando a velocidade resolução Calculando o número de Re resolução Para o aço a rugosidade é Portanto, a rugosidade relativa é resolução resolução Portanto, a perda de carga ao longo da tubulação será: Exercício - Estudantes 2-Considere um conduto com 100 m de comprimento, diâmetro de 0,1 m e rugosidade de 2mm que transporta água a uma vazão de 15 l/s à 20° C. Determine a perda de carga do escoamento no conduto. Exercícios resolvidos 2- Considere um conduto com 100 m de comprimento, diâmetro de 0,1 m e rugosidade de 2mm que transporta água a uma vazão de 15 l/s à 20° C. Determine a perda de carga do escoamento no conduto. 020,0D No diagrama de Moody: Cálculo pela equação universal da perda de carga e diagrama de Moody: DVDV ... Re 190642Re resolução Para o aço a rugosidade é Portanto, a rugosidade relativa é 100.000 1.000.000 200.000 f=0,05 Exercícios resolvidos m g V 30,9 2D L fh 2 Cálculo pela equação universal da perda de carga e diagrama de Moody: Exercício 3- Exemplo Resolução Solução Equação da energia H1 +HM = H2+HP1,2 2,12 2 22 1 2 11 22 pM Hz g vP Hz g vP Resolução Solução Equação da energia: Como v1 = v2 e Z1 = Z2 e não nenhuma máquina no sistema. 2,12 2 22 1 2 11 22 pM Hz g vP Hz g vP Resolução Solução Equação da energia 2,1 21 pH PP 21 2,1 PP H p Resolução Solução Equação da energia 21 2,1 PP H p mH p 5,0 10 )145,015,0( 42,1 Resolução Solução Procura- se a vazão, g v D L fh f 2 2 AvQ . Resolução Solução Procura- se a vazão, g v D L fh f 2 2 fL Dgh v f2 Resolução Solução Para determinar a velocidade é necessário calcular o valor de f, que, no entanto, é função da velocidade através do número de Re. g v D L fh f 2 2 Resolução Solução Têm-se: D= 0,1m ; viscosidade dinâmica = 0,7x10-6m2/s, L=10m; e da tabela obtém-se K(ferro fundido) = 0,000259 m = 2,59 x10-4m g v D L fh f 2 2 Resolução Solução O produto Re em função do f, encontra-se na parte inferior do diagrama de Moody. f= F( ; ) L gDh vis D f f2 Re fRe K D Resolução Solução O produto Re em função do f, encontra-se na parte inferior do diagrama de Moody. f=F( ; ) 4 6 105,4 10 5,01,0102 107,0 1,0 Re x xxx x f fRe K D L gDh vis D f f2 Re Resolução Solução O produto Re em função do f, encontra-se na parte inferior do diagrama de Moody. f=F( ; )fRe K D 385 1059,2 1,0 4 xK D Resolução Solução O produto Re em função do f, encontra-se na parte inferior do diagrama de Moody. f=F( ; ) No diagrama, procura-se f = F(4,5x104 ; 385) fRe K D ResoluçãoSolução O produto Re em função do f, encontra-se na parte inferior do diagrama de Moody. f=F( ; ) No diagrama, procura-se f = F(4,5x104 ; 385) f=0,027 logo a velocidade = fRe K D fL Dgh v f2 smx xxx v /92,1 10027,0 1,05,0102 Resolução Solução Procura- se a vazão, AvQ . 4 . 2D vQ s m xQ 3 3 2 1051,1 4 1,0 .92,1 EXEMPLO 2 Resolução Como as perdas de carga singulares são desprezíveis, conclui-se que o problema se refere ao segundo caso, que terá apenas perda de carga distribuída. g v D L fh f 2 2 fL Dgh v f2 AvQ . 4 . 2D vQ Resolução 4 2 6 2 104 50 41010102 10 1010 Re x xxxxx f L gDh vis D f f2 Re O produto Re em função do f, encontra-se na parte inferior do diagrama de Moody. f=F( ; ; )fRe K D Resolução O produto Re em função do f, encontra-se na parte inferior do diagrama de Moody. f=F( ; ; )fRe K D 400 105,2 1010 4 2 x x K D Resolução Solução O produto Re em função do f, encontra-se na parte inferior do diagrama de Moody. f=F( ; ) No diagrama, procura-se f = F(4x104 ; 400) fRe K D Resolução Solução O produto Re em função do f, encontra-se na parte inferior do diagrama de Moody. f=F( ; ) No diagrama, procura-se f = F(4x104 ; 400) f=0,025 fRe K D Resolução fL Dgh v f2 AvQ . 4 . 2D vQ sm x xxx v /55,2 50025,0 410102 2 smx x Q /1020 4 )1010( .55,2 33 22 Resolução b) Equação da energia entre (1) e (2) Equação da energia H1 +HB = H2+HP1,2 2,12 2 22 1 2 11 22 pB Hz g vP Hz g vP B B b HQ N .. Resolução b) Equação da energia entre (1) e (2) Como os tanques são de grandes dimensões e abertos a atmosfera, tem-se 2,12 2 22 1 2 11 22 pB Hz g vP Hz g vP 2,112 )( pB HzzH mHB 14410 Resolução b) Equação da energia entre (1) e (2) Como os tanques são de grandes dimensões e abertos a atmosfera, tem-se B B b HQ N .. kw xxx Nb 8,3 1000 1 73,0 14102010 34 Exemplo 3 pag 183 brunetti Dada a tubulação da figura, cuja seção (2) está aberta à atmosfera, calcular: a) A perda de carga entre (1) e (2) ; b) A vazão em volume. O escoamento do fluido é laminar
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