Prática sobre Perdas de Carga

Prévia do material em texto

AULA PRÁTICA SOBRE PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÕES 
 
1. Objetivos 
− Geral: Identificar a dissipação de energia (perda de carga) em escoamentos de 
fluidos; 
− Específicos: 
− Identificar os principais parâmetros envolvidos no escoamento de fluidos; 
− Identificar as principais características das tubulações e seus acessórios na 
condução de fluidos; 
− Identificar os principais instrumentos utilizados na determinação das principais 
grandezas envolvidas na análise; 
− Levantar os dados necessários para a obtenção da perda de carga em 
tubulações; 
− Obter os resultados referentes à análise, expressando-os na forma gráfica; 
− Reportar o estudo realizado em laboratório sobre perdas de carga. 
 
2. Materiais e métodos 
 O estudo experimental sobre perda de carga em tubulações é realizado no 
Laboratório de Fluidos e Calor do Departamento de Engenharia Química (Bloco G), 
utilizando o módulo de água e o módulo de ar. 
O módulo de água é composto por um reservatório, uma bomba centrífuga, uma 
canalização principal de 76 mm de diâmetro interno, apresentando um ramal de 44 mm de 
diâmetro interno, o qual se divide em 3 canalizações de diâmetro igual 44 mm. 
Manômetros de coluna de mercúrio são usados para a determinação das pressões 
(estáticas) em vários pontos da tubulação (inclui medidores de vazão), o quê é feito 
através de anéis piezométricos. O estudo experimental será realizado nas 3 canalizações 
(identificados por tubo 1, tubo 2 e tubo 3), cujas características são as seguintes: 
• Tubo 1 – PVC, parede lisa; D=44 mm, L=2,41 m; medidor tipo placa de orifício com 
razão de áreas m=(d/D)2=0,3359  d=25,5 mm  Ad = 5,107x10-4 m2; e 
coeficiente de vazão Cq= 0,9296; 
• Tubo 2 – PVC, parede lisa; D=44 mm, possuindo uma válvula gaveta; medidor tipo 
Venturi com m=0,2615 e Cq=1,0406; e 
• Tubo 3 – PVC, parede rugosa, D=44 mm, L=2,41 m; medidor tipo placa de orifício 
com m=0,3228  d=25 mm  Ad = 4,909 x 10-4 m2; e Cq=0,9392. 
 
2 
O módulo de ar é constituído por um ventilador centrífugo de pás radiais, por uma 
câmara de sucção, na qual chegam tubulações de várias dimensões e geometrias (bocal 
de entrada, tubos circulares e duto de seção quadrada) e por um duto de seção retangular 
de descarga com um obturador de fluxo na extremidade. Diversos tipos de medidores de 
vazão são utilizados (tubo de Pitot, sonda Prandtl, placa de orifício e tubo Venturi). O 
estudo de perda de carga nessa bancada de ar é feito nos tubos de seção circular (4) 
instalados no lado de sucção do sistema, ou seja, que chegam à câmara de sucção do 
ventilador. As medidas de pressão serão feitas empregando manômetros de coluna de 
água ligados a medidores de vazão tipo placa de orifício e tubo Venturi através de anéis 
piezométricos. A característica dos tubos são as seguintes: 
• Tubo 1 – PVC, parede rugosa; D=38 mm, L=5,05 m; medidor tipo diafragma com 
razão de áreas m=0,45  d=25,5 mm  Ad=5,107x10-4 m2; e Cq=0,676; 
• Tubo 2 – PVC, parede lisa; D=38 mm, L=5,05 m; medidor tipo Venturi com m=0,45  
d=25,5 mm  Ad=5,107x10-4 m2; e Cq=1,067; 
• Tubo 3 – PVC, parede lisa; D=38 mm, L=6,17 m+4 cotovelos de 90° raio médio; 
medidor tipo diafragma com m=0,45  d=25,5 mm  Ad=5,107x10-4 m2; e Cq=0,676; 
• Tubo 4 – PVC, parede lisa; D=76 mm, L=5,05 m; medidor tipo diafragma com m=0,45 
 d=50,98 mm  Ad=2,0414x10-4 m2; e Cq=0,676. 
 
A equação a ser empregada para o cálculo da vazão é a seguinte: 
 





 −
=
FT
FTFM
FMdq hg2ACQ


 (m3/s) 
 
onde Cq é o coeficiente de vazão (adimensional) do medidor; Ad é a área relativa ao 
menor diâmetro do medidor (m2); hFM é a deflexão no manômetro de coluna de líquido, 
ou seja, de fluido manométrico (m); FM é a massa específica do fluido manométrico 
(kg/m3); FT é a massa específica do fluido de trabalho (kg/m3) e considere para os fluidos 
envolvidos no estudo: Hg = 13.560 kg/m3; H2O = 1.000 kg/m3; e TRp arambar = / com 
pamb e T lidas no barômetro de Hg, sendo Rar = 0,287 kJ/kg·K. 
A perda de carga (H - expressa em metros de coluna de líquido, em geral em 
mcH2O) em tubulações se dá através dos trechos retos de tubulação (HDISTRIBUÍDA) e 
através dos acessórios conectados à mesma (HLOCALIZADA). Ou seja, 
 
3 
g2
V
k
g2
V
D
L
fHHH
2acessóriosn
1i
i
2
LOCALDIST +=+= 
=
 (m) 
 
onde f é o fator de atrito (adimensional – função de Re e da rugosidade relativa - /D); L é 
o comprimento da tubulação (m); D é o diâmetro interno da tubulação (m); V é a 
velocidade média na tubulação (m/s); g é a gravidade normal (9,81 m2/s); e ki é o 
coeficiente de perda de carga do iésimo acessório da tubulação (adimensional – vide 
tabelas). O HDIST pode ser escrito em termos da vazão volumétrica (Q2) na tubulação, ou 
em termos das pressões estáticas entre dois pontos da tubulação, ou seja, 
 
 
onde p1 é a pressão estática à montante do trecho em estudo (N/m2); p2 é a pressão 
estática à jusante do trecho (N/m2); e FT é a massa específica do fluido de trabalho 
(kg/m3). Por outro lado, a perda de pressão entre os pontos 1 e 2 da tubulação expressa 
pelo termo da direita da equação acima é medida por um manômetro de coluna líquida. 
 
 
 
Durante os ensaios, os dados obtidos deverão ser registrados em tabelas de 
leituras obtidas nos experimentos, tal como aquelas mostradas a seguir. Nessas tabelas, 
h é a deflexão no manômetro de coluna de mercúrio (módulo de água) ou coluna de 
água (módulo de ar) para o cálculo da vazão volumétrica; e HFM é a deflexão no 
manômetro de coluna de mercúrio ou de água relativo à diferença de pressão (perda de 
carga) entre os pontos distintos dos tubos. 
 A partir dos experimentos realizados foram obtidos os dados apresentados nas 
primeiras tabelas a seguir referentes a caga tubo ensaiado. De posse dos dados 
reportados nas primeiras tabelas, preencham as segundas tabelas para cada tubo. 
Expressem os resultados de Q, Re, f e P na forma gráfica, ou seja, construa os gráficos 
de f x Re e P (N/m2) x Q (m3/s). Comentem os resultados e façam uma conclusão do 
trabalho. A apresentação desse trabalho deverá ser na forma de relatório científico. 
 
4 
MÓDULO DE ÁGUA – DADOS OBTIDOS PARA O TUBO 1 – PAREDE LISA 
Leitura A (cm) B(cm) h (mcHg) D(cm) C(cm) H (mcHg) 
1 0,954 0,054 0,900 0,184 0,104 0,080 
2 0,899 0,117 0,782 0,178 0,112 0,066 
3 0,804 0,222 0,582 0,170 0,121 0,049 
4 0,737 0,298 0,439 0,165 0,127 0,038 
5 0,661 0,379 0,282 0,160 0,133 0,027 
6 0,601 0,447 0,154 0,155 0,139 0,016 
7 0,55 0,504 0,046 0,150 0,145 0,005 
8 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 
9 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 
10 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 
11 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 
 
Leitura Q (m3/s) V (m/s) Re f P (N/m2) 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 
9 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 
10 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 
11 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 
 
5 
MÓDULO DE ÁGUA – DADOS OBTIDOS PARA O TUBO 3 – PAREDE RUGOSA 
Leitura A (cm) B(cm) h (mcHg) D(cm) C(cm) H (mcHg) 
1 0,677 0,363 0,314 0,284 0,017 0,267 
2 0,66 0,382 0,278 0,271 0,030 0,241 
3 0,649 0,394 0,255 0,26 0,040 0,220 
4 0,639 0,405 0,234 0,249 0,050 0,199 
5 0,629 0,416 0,213 0,239 0,061 0,178 
6 0,619 0,428 0,191 0,228 0,070 0,158 
7 0,608 0,439 0,169 0,218 0,080 0,138 
8 0,6 0,449 0,151 0,21 0,090 0,120 
9 0,589 0,46 0,129 0,198 0,100 0,098 
10 0,58 0,471 0,109 0,188 0,110 0,078 
11 0,571 0,482 0,089 0,178 0,120 0,058 
12 0,562 0,491 0,071 0,167 0,131 0,036 
 
Leitura Q (m3/s) V (m/s) Re f P (N/m2) 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 
10 
11 
12 
 
6 
MÓDULO DE AR – DADOS DO TUBO 1 – PAREDE RUGOSA 
Leitura A (cm) B(cm) h (mcH2O) D(cm) C(cm) H (mcH2O) 
1 0,176 0,114 0,062 0,199 0,102 0,097 
2 0,17 0,119 0,051 0,190 0,111 0,079 
3 0,165 0,123 0,042 0,182 0,119 0,063 
4 0,16 0,129 0,031 0,173 0,128 0,045 
5 0,156 0,133 0,023 0,167 0,133 0,034 
6 0,152 0,137 0,015 0,160 0,139 0,021 
7 0,149 0,14 0,009 0,157 0,143 0,014 
8 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯9 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 
10 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 
11 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 
 
Leitura Q (m3/s) V (m/s) Re f P (N/m2) 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 
9 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 
10 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 
11 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 
 
7 
MÓDULO DE AR – DADOS DO TUBO 2 – PAREDE LISA 
Leitura A (cm) B(cm) h (mcH2O) D(cm) C(cm) H (mcH2O) 
1 0,234 0,053 0,181 0,180 0,1 0,080 
2 0,223 0,062 0,161 0,176 0,103 0,073 
3 0,214 0,073 0,141 0,172 0,107 0,065 
4 0,206 0,079 0,127 0,168 0,11 0,058 
5 0,198 0,087 0,111 0,165 0,114 0,051 
6 0,189 0,096 0,093 0,162 0,119 0,043 
7 0,183 0,101 0,082 0,159 0,121 0,038 
8 0,174 0,11 0,064 0,155 0,124 0,031 
9 0,166 0,118 0,048 0,152 0,128 0,024 
10 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 
11 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 
 
Leitura Q (m3/s) V (m/s) Re f P (N/m2) 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 
10 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 
11 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 
 
8 
DADOS DO TUBO 3 – PAREDE LISA COM 4 COTOVELOS DE 90º - RAIO MÉDIO 
Leitura A (cm) B(cm) h (mcH2O) D(cm) C(cm) H (mcH2O) 
1 0,2 0,104 0,096 0,183 0,086 0,097 
2 0,197 0,106 0,091 0,180 0,09 0,090 
3 0,194 0,109 0,085 0,177 0,092 0,085 
4 0,191 0,113 0,078 0,174 0,096 0,078 
5 0,187 0,117 0,070 0,171 0,099 0,072 
6 0,181 0,122 0,059 0,166 0,101 0,065 
7 0,176 0,127 0,049 0,162 0,11 0,052 
8 0,174 0,129 0,045 0,159 0,112 0,047 
9 0,169 0,133 0,036 0,155 0,116 0,039 
10 0,165 0,137 0,028 0,152 0,12 0,032 
11 0,163 0,139 0,024 0,149 0,123 0,026 
 
Leitura Q (m3/s) V (m/s) Re P (N/m2) 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 
10 
11