Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Unidade II FENÔMENOS DE TRANSPORTE Profa. Thaís Cavalheri 1. Equação da continuidade 1.1 Equação da continuidade para regime permanente Massa e Energia: propriedades que se conservam não podem ser criadas nem destruídas. Considere um fluido em movimento permanente pelo tubo de corrente e, por definição, o fluido dentro do tubo não pode cruzar a fronteira dessa superfície. A partir do movimento expressão para conservação de massa do fluido. No tubo de corrente, as v das seções A1 e A2 são, v1 e v2. Elemento de fluido penetrando na parte inferior do tubo de corrente, o volume desse elemento (ΔV1) corresponde: 1. Equação da continuidade O L1 em função da v e do t que o fluido leva para percorrer o V1 naquela extremidade do tubo: 1 1 1V A L 1 1L v t Fonte: Livro-texto. 1 1 1V A v t A massa de fluido que entra na extremidade inferior do tubo durante o Δt corresponde à ρ1 vezes o volume ΔV1. 1 1 1 1m A v t 1. Equação da continuidade Analogamente: Como nenhum fluido se acumula no tubo de corrente, em regime permanente de escoamento, as duas massas m1 e m2 são iguais. Equação da continuidade representa a conservação de massa em fluxo constante. Assim, em regime permanente, a vazão mássica será conservada: 1 1 1 2 2 2A v t A v t 1 2m m 2 2 2 2m A v t 1 1 1 2 2 2A v A v M1 M2Q Q 1. Equação da continuidade 1.2 Equação da continuidade para fluidos incompressíveis Se o fluido em movimento for incompressível, como a massa específica é cte (ρ1 = ρ2), a equação da continuidade ficará: Ou seja, a vazão volumétrica se conserva: Portanto, para fluidos incompressíveis, as velocidades médias e as áreas são grandezas inversamente proporcionais. Assim, uma diminuição da velocidade corresponde a um aumento da área. 1 1 2 2A v A v 1 2Q Q 1. Equação da continuidade 1.3 Entradas e saídas não únicas Para sistemas com diversas entradas e saídas, a equação da continuidade pode ser generalizada para: Ou seja, a soma das vazões em massa na entrada é igual à soma das vazões em massa na saída. A mesma análise pode ser aplicada para um fluido incompressível: M M Entrada Saída Q Q Entrada Saída Q Q Exemplo de aplicação Em um determinado circuito hidráulico, um reservatório admite água com uma vazão de 25 l/s. Nesse mesmo reservatório, é trazido óleo por outra tubulação com uma vazão de 14 l/s. A mistura homogênea formada é então descarregada por outro tubo cuja seção transversal tem uma área de 37cm². Determine a velocidade da mistura: Fonte: Livro-texto. Exemplo de aplicação Dados: A vazão total é a soma da vazão da água e vazão do óleo: -3 água -3 3 óleo -4 2 Q = 25 l/s = 25×10 m³/s Q = 14 l/s = 14×10 m /s A = 37 cm² = 37×10 m água óleo -3 3 -3 3 -3 3 Q = Q + Q Q = 25×10 m /s + 14×10 m /s Q = 39×10 m /s Para determinara velocidade da mistura, tem-se: -3 3 -4 2 -3 3 -4 2 Q Q = v A v = A 39×10 m /s v = 37×10 m 39×10 m 1 = 37×10 s m v = 10,54 m/s Interatividade Em uma determinada indústria, o sistema hidráulico opera com um fluido específico (ρ = 600 kg/m³). Durante a inspeção do sistema, foi constatado um vazamento. Determine a despesa diária com o fluido vazado, sabendo que seu custo é de R$ 0,05 por quilograma e que o sistema hidráulico opera por 8 horas diárias. Dados: vA = 2,0 m/s; AA = 25 cm²; vB = 1,9 m/s e AB = 30 cm². a) 1100,00 reais. b) 2123,20 reais. c) 1123,20 reais. d) 11123,20 reais. e) 4123,20 reais. Fonte: Livro-texto. Resposta Em uma determinada indústria, o sistema hidráulico opera com um fluido específico (ρ = 600 kg/m³). Durante a inspeção do sistema, foi constatado um vazamento. Determine a despesa diária com o fluido vazado, sabendo que seu custo é de R$ 0,05 por quilograma e que o sistema hidráulico opera por 8 horas diárias. Dados: vA = 2,0 m/s; AA = 25 cm²; vB = 1,9 m/s e AB = 30 cm². a) 1100,00 reais. b) 2123,20 reais. c) 1123,20 reais. d) 11123,20 reais. e) 4123,20 reais. Fonte: Livro-texto. Solução da interatividade Solução: Dados: ρ = 600 kg/m³ C = 0,05 reais/kg vA = 2,0 m/s AA = 25 cm² vB = 1,9 m/s AB = 30 cm² Para determinar a quantidade de fluido perdido em virtude do vazamento, calcular todas as vazões envolvidas: A B V A A B B V V A A B B Q = Q + Q + Q ρ v A = ρ v A + ρ v A + Q Q = v A - v A - v A 4 -4 V -4 6 m/s 20×10 m² Q = 600 kg/m³ 2 m/s 25×10 m² 1,9 m/s 30×10 m² -3V V kg m³ Q = 600 1,3×10 Q = 0,78 kg/s m³ s Solução da interatividade Sabe-se que o fluido tem um custo de R$ 0,05 por quilograma. Assim, para as 8 horas (t = 28800 segundos) de operação do sistema hidráulico, tem-se: Portanto, a despesa diária, em virtude do vazamento do fluido, é de R$ 1.123,20. VV = t Q C = 28800 s 0,78 kg/s 0,05 reais/kg kg reais V = 1123,2 s s kg V = 1123,20 reais 2. Energias associadas a um fluido Da mesma forma que a equação da continuidade, é possível estabelecer uma equação para conservação da energia de um fluido. Lembrando: a energia de um sistema não pode ser criada nem destruída, apenas transformada. 2.1 Energia Potencial (EP) Considerando um sistema de massa m, abandonado do repouso a uma distância z do plano horizontal de referência, o trabalho (W) realizado pela força peso: W G z m g z Como no PHR, a energia potencial é nula, então, a energia potencial gravitacional no ponto z é dada por: No SI, a unidade de energia: 2. Energias associadas a um fluido A variação da energia potencial de um sistema equivale ao negativo do trabalho realizado pela força: pE m g z pE W Fonte: Livro-texto. J kg m² s² joule 2. Energias associadas a um fluido 2.2 Energia cinética (EC) Energia associada ao movimento do fluido. Supondo um sistema com massa m movendo-se com velocidade v, a energia cinética é dada por: 2.3 Energia de pressão (EPR) Analogamente, a energia de pressão (ou energia potencial de pressão) pode ser obtida por meio do trabalho realizado pela força que causa a pressão p em um tubo de corrente. C m v² E 2 2. Energias associadas a um fluido Supondo que a pressão seja uniforme, a força é dada por: Se a força causar um deslocamento ds durante um intervalo de tempo dt, o trabalho dW exercido pela força será: dW F ds p A ds dW p dV F p A Fonte: Livro-texto. 2. Energias associadas a um fluido Sendo dV, o elemento de volume a energia de pressão será: pr V E p dV pr prdE dW dE p dV Fonte: livro-texto. 2. Energias associadas a um fluido 2.4 Energia mecânica total (E) Para um fluido incompressível em movimento permanente, a energia mecânica total é dada por: p c prE E E E V m v² E m g z p dV 2 Exemplo de aplicação Para encher um balde de 36 litros, utiliza-se uma mangueira cujo diâmetro interno é de 2cm e se reduz a 0,9cm na saída em virtude de um bocal. Sabe-se que são necessários 55 segundos para encher completamente o balde. Nessas condições, determine a vazão volumétrica da água através da mangueira e a velocidade média da água na saída do bocal. Dados: ∀ = 36 l = 0,036m³ Di = 2 cm = 0,02m DB = 0,9 cm = 0,009m t = 55s Q = ? e v = ? Exemplo de aplicação Sabe-se que o volume do balde e intervalo de tempo necessário para enchê-lo vazão volumétrica: A velocidade média da água na saída do bocal é obtida por meio da relação: -3 -336×10 m³Q = Q = = 0,654×10 m³/s t 55 s -3 3 2 2 -5 B Q Q = v A v = A Q 0,654×10 m³/s 0,654×10 m³ 1 v = = = 6,362×10 s m²D 0,009 m 22 v = 10,28 m/s c Interatividade Em um determinadosistema com escoamento de água, no ponto A, o diâmetro do tubo é de 50mm e a velocidade da água é de 2,3m/s. O conduto se bifurca em dois condutos menores, cada um com diâmetro de 25mm. Nessas condições, determine: a) As vazões (m3/s) nos pontos A e B; b) A velocidade (m/s) no ponto B. a) 0,52x10-3, 2,26x10-3, 4,61 b) 4,52x10-3, 0,26x10-3, 4,61 c) 2,52x10-3, 2,26x10-3, 4,61 d) 1,52x10-3, 1,26x10-3, 4,61 e) 4,52x10-3, 2,26x10-3, 4,61 Fonte: Livro-texto. Resposta Em um determinado sistema com escoamento de água, no ponto A, o diâmetro do tubo é de 50mm e a velocidade da água é de 2,3m/s. O conduto se bifurca em dois condutos menores, cada um com diâmetro de 25mm. Nessas condições, determine: a) As vazões (m3/s) nos pontos A e B; b) A velocidade (m/s) no ponto B. a) 0,52x10-3, 2,26x10-3, 4,61 b) 4,52x10-3, 0,26x10-3, 4,61 c) 2,52x10-3, 2,26x10-3, 4,61 d) 1,52x10-3, 1,26x10-3, 4,61 e) 4,52x10-3, 2,26x10-3, 4,61 Fonte: Livro-texto. Vazão no ponto A Apesar de a área da seção transversal no ponto B ser menor do que no ponto A, a vazão total precisa ser a mesma. Dessa forma: Solução da interatividade Dados: DA = 50mm vA = 2,3m/s DB = 25mm QA = ? QB = ? vB = ? A A A 22 -3 A A A -6 -3 A Q = v A D 50×10 m Q = v = 2,3 m/s 2 2 m = 2,3 625×10 m² s Q = 4,52×10 m³/s B A2Q = Q A velocidade da água no ponto B é obtida por meio da relação: Solução da interatividade -3 -3A B B Q 4,52×10 m³/s Q = = Q = 2,26×10 m³/s 2 2 -3 B B B -3 -3 -3 B 2 2 3 B -3 3 B B-3 2 Q = v A = 2,26×10 m³/s 2,26×10 m³/s 2,26×10 m³/s 2,26×10 m³/s v = A 25 10 m 2 2 2,26×10 m 1 v = v = 4,61 m/s 0,156×10 s m BD 3. Equação de Bernoulli Considerando um fluido incompressível e um tubo de corrente limitado por seções transversais de área A1 e A2, a quantidade de massa (dm1) que atravessa A1 equivale à quantidade de massa (dm2) que atravessa A2. 1 2dm dm dm Fonte: Livro-texto. 3. Equação de Bernoulli Nessa configuração, um elemento de massa nas seções (1) e (2) apresenta energia mecânica total dada por: Massa específica de um fluido é definida como: 2 1 1 1 1 1 dm v Em (1) E dm g z p dV 2 2 2 2 2 2 2 dm v Em (2) E dm g z p dV 2 dm dV= dm dV 3. Equação de Bernoulli As equações da energia mecânica total nas seções (1) e (2): Considerando que não existam perdas no sistema e que o regime de movimento seja permanente, a energia no ponto (1) equivale à energia no ponto (2): 2 1 1 1 1 1 dm v p Em (1) dE dm g z dm 2 2 2 2 2 2 2 dm v p Em (2) dE dm g z dm 2 1 2dE dE 3. Equação de Bernoulli Para um fluido incompressível: Dividindo a equação anterior pela aceleração da gravidade (g) e substituindo o produto (ρ∙g) por : Equação de Bernoulli: 2 2 1 1 2 2 1 2 1 2 2 2 1 1 2 2 1 2 1 2 dm v p dm v p dm g z dm dm g z dm 2 2 v p v p g z g z 2 2 2 2 1 1 2 2 1 2 v p v p z z 2g 2g 2 2 1 1 2 2 1 2 v p v p g z g z 2 2 3. Equação de Bernoulli Segundo a equação de Bernoulli: em que H é a carga total do sistema e sua unidade no SI é o metro (m). Assim: E cada parcela da equação de Bernoulli refere-se a um tipo de carga: 2v p z H constante 2g 1 2H H p carga de pressão 2v carga cinética 2g z carga potencial A equação de Bernoulli expressa que para um fluido ideal, incompressível, em escoamento permanente, as cargas totais se mantêm constantes ao longo de uma linha de corrente. 3. Equação de Bernoulli 3.1 Considerações da equação de Bernoulli Para empregar a equação de Bernoulli, é necessário que as seguintes condições sejam satisfeitas: movimento permanente; escoamento incompressível; em trocas de calor; forças de atrito são desprezíveis; escoamento ao longo de uma linha de corrente; e ausência de máquinas no trecho. 3. Equação de Bernoulli 3.1 Considerações da Equação de Bernoulli Apesar de todos os fluidos reais possuírem viscosidade, a equação de Bernoulli pode ser utilizada em algumas regiões do escoamento, desde que as forças de atrito sejam desprezíveis quando comparadas com as outras forças que atuam no fluido. Fonte: Livro-texto. 3. Equação de Bernoulli 3.2 Pressão estática, dinâmica e de estagnação Multiplicando a equação de Bernoulli pelo peso específico do fluido ( = ρ∙g) tem-se: Na equação, cada parcela possui unidade de pressão e representa um tipo de pressão, como: pressão estática; pressão dinâmica; pressão hidrostática. 2v g z p cons tante 2 2v 2 g z p A soma das pressões estática, dinâmica e hidrostática é igual à pressão total do fluido. Portanto, a equação de Bernoulli pode ser enunciada como: A pressão total permanece constante ao longo de cada linha de corrente, para o escoamento permanente de um fluido incompressível A pressão de estagnação é definida como sendo a soma da pressão estática com a dinâmica: 3. Equação de Bernoulli estagnação estática dinâmica 2 estagnação p p p v p p 2 3. Equação de Bernoulli Pressão de estagnação: pressão em um ponto quando o fluido é parado completamente. Para corpos que exibem geometria regular, o ponto de estagnação pode ser facilmente determinado por considerações de simetria. Fonte: Livro-texto. 3. Equação de Bernoulli Um exemplo clássico para descrever as três pressões é imaginar o vento batendo contra a mão em regime permanente: A pressão atmosférica é a pressão estática. A pressão que se sente na palma da mão é a pressão de estagnação. O acréscimo de pressão, em relação à atmosférica, é a pressão dinâmica. Exemplo de aplicação Um reservatório de grandes dimensões, com diâmetro interno de 3m, possui um orifício 5m abaixo do nível da água. Determine a velocidade da água que sai pelo orifício sabendo que o diâmetro do orifício é de 21mm. Dados: g = 10 m/s² e γ = 10000 N/m³. Fonte: Livro-texto. 2 2 120 5 m / s v 10 m/s Exemplo de aplicação Solução: Na superfície da água v2 = 0, em razão de o tanque ser de grandes dimensões e a pressão ser a atmosférica. Na saída da água, a pressão também é a atmosférica (p1 = p2) e a v é obtida pela equação de Bernoulli: Como p2 = p1 e v2 = 0, tem-se: 2 2 2 2 1 1 2 2 1 2 1 2 2 1 2 1 v p v p v v1 z z z z p p 2g 2g 2g 2g 2 1 2 1 1 2 1 1 v z z v 2g z z v 2 10 m/s² 5 m - 0 m 2g Interatividade Considere uma caixa de água está a 30m do nível do solo alimentada por um cano com diâmetro interno de 20mm. Este cano sai do nível do solo e sua vazão é de 2,5 litros por segundo. Desprezando perdas nesse sistema, determine a diferença de pressão entre as extremidades do cano. Dados: g = 10 m/s² e γ = 10000 N/m³. a) 260,0 kPa b) 268,3 kPa c) 168,3 kPa d) 368,3 kPa e) 468,3 kPa Fonte: Livro-texto. Resposta Considere uma caixa de água está a 30m do nível do solo alimentada por um cano com diâmetro interno de 20mm. Este cano sai do nível do solo e sua vazão é de 2,5 litros por segundo. Desprezando perdas nesse sistema, determine a diferença de pressão entre as extremidades do cano. Dados: g = 10 m/s² e γ = 10000 N/m³. a) 260,0 kPa b) 268,3 kPa c) 168,3 kPa d) 368,3 kPa e) 468,3 kPa Fonte: Livro-texto. Pela equação da continuidade, determina-se a v da água no interior do encanamento: Aplicando a eq. de Bernoulli: Solução da interatividade 2 2 1 1 2 2 1 2 v p v p z z 2g 2g -3 1 1 -3 -3 -3 1 2 2 -3 1 -3 3 1 1-4 2 v A = 2,5×10 m³/s 2,5×10 m³/s 2,5×10 m³/s 2,5×10m³/s v = = = A D 20×10 m 2 2 2,5×10 m 1 v = v = 7,96 m/s 3,14 ×10 s m 1 2 1 2 N p p 268300 m = 268300 N/m² p p 268,3 kPa m³ Sabe-se que. Assim, tem-se: Solução da interatividade 22 1 2 1 2 1 1 2 7,96 m/sp p v z z p p 10000 N / m³ 30 m 2 g 2 10 m/s² 2 2 2 2 1 2 2 1 1 1 2 2 1 2 2 1 v z + 2 g 2 2 2 v v v p z p p p z z g g g 1 2 63,36 m² s² p p 10000 30 m - N / m³ 10000 30 m - 3,17 m N/m³ 20 s² m 4. Equação da energia na presença de máquinas Máquina: dispositivo que realiza trabalho (adiciona energia) sobre um fluido ou extrai trabalho (extrai energia) de um fluido. Bombas: máquinas que adicionam energia a um fluido. Turbinas: máquinas que extraem energia de um fluido. Considerando dois pontos (1 e 2) de uma linha de corrente, na ausência de máquinas, a carga no ponto 1 é igual à carga, do ponto 2. Ou seja: 1 2H H 4. Equação da energia na presença de máquinas 4.1 Bombas O fluido receberá um acréscimo de energia durante seu escoamento a carga do ponto 2 será maior do que no ponto 1 (H2 > H1). Balanço de energia mecânica: a equação do sistema deve ser reescrita considerando a carga fornecida pela bomba (HB): 1 B 2H H H Fonte: Livro-texto. 4. Equação da energia na presença de máquinas 4.2 Turbinas A carga do ponto 2 será menor do que no ponto 1 (H2 < H1). Balanço de energia mecânica: a equação do sistema deve ser reescrita considerando a carga extraída pela turbina (HT): 1 T 2H H H Fonte: Livro-texto. 4. Equação da energia na presença de máquinas A equação da energia de um sistema na presença de uma máquina pode ser escrita em termos da carga da máquina (HM): 1 M 2 M 2 1H H H H H H HM > 0 (HM = HB) bomba HM < 0 (HM = HT) turbina HM = 0 (H1 = H2) máquina Fonte: Livro-texto. 4. Equação da energia na presença de máquinas Considerando a figura, as cargas nos pontos 1 e 2 são: z1 e z2 alturas do fluido nos pontos 1 e 2; p1 e p2 pressões do fluido nos pontos 1 e 2; v1 e v2 velocidades do fluido nos pontos 1 e 2; g aceleração da gravidade; e peso específico do fluido. Portanto, a carga da máquina pode ser obtida por: 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 p v p v H z e H z 2g 2g 2 22 1 M 2 1 2 1 (p p ) 1 H (z z ) (v v ) 2g 5. Potência e rendimento de uma máquina A grandeza potência (N) é definida como o trabalho realizado por uma força por unidade de tempo. Como trabalho relaciona-se com a energia mecânica do sistema, a potência de uma máquina: Multiplicando e dividindo a equação anterior pela força peso, tem-se: Como o termo (energia mecânica/peso) representa a carga da máquina (HM), e o termo (peso/tempo) representa a vazão em peso (QG), então a potência pode ser escrita como: energia mecânica N tempo energia mecânica peso N peso tempo M GN H Q 5. Potência e rendimento de uma máquina A vazão em peso corresponde ao produto entre o peso específico do fluido () e a vazão volumétrica (Q), assim: Para o caso de uma bomba, a potência recebida pelo fluido é: Já para o caso de uma turbina, a potência cedida pelo fluido é: No SI, a unidade de potência é: Fatores de conversão entre unidades para potência: 1 CV = 735,5 W Horse power (HP): 1 HP = 745,7 W N Q H J ( joule) W (watt) s (segundo) BN Q H TN Q H 5. Potência e rendimento de uma máquina Para o caso de bombas, a potência recebida pelo fluido (N) é menor do que a potência da bomba (NB): Dessa forma, define-se o rendimento de uma bomba (e ) como: a razão entre a potência recebida pelo fluido (N) e a fornecida pelo eixo da máquina (NB). B B N N Fonte: Livro-texto. 5. Potência e rendimento de uma máquina Substituindo a potência recebida pelo fluido (N) na equação anterior, tem-se: Atenção: rendimento de uma máquina é uma grandeza com valores entre 0 e 1. Por meio da relação anterior, é possível determinar a potência de uma bomba. B B B Q H N B B B Q H N 5. Potência e rendimento de uma máquina Para o caso de turbinas, o fluido cede potência para a turbina. Logo, a potência cedida pelo fluido (N) será maior do que a potência da turbina (NT), Assim, o rendimento da turbina (T) é definido com a razão entre a potência da turbina (NT) e a potência cedida pelo fluido (N). T T N N Fonte: Livro-texto. 5. Potência e rendimento de uma máquina Substituindo a potência cedida pelo fluido (N) na equação anterior, tem-se: Analogamente ao caso de uma bomba, é possível determinar a potência de uma turbina a partir da relação de rendimento: T T T N Q H T T TN Q H Interatividade Considere que a água de um reservatório de grandes dimensões deve ser bombeada por uma bomba submersa, com potência de 5 kW e eficiência de 70%, para uma piscina (grandes dimensões) cuja superfície livre está a 30m acima do nível da água subterrânea. Determine a vazão máxima da água. Dados: γ = 10000 N/m³. a) 0,12 m3/s b) 0,022 m3/s c) 0,062 m3/s d) 0,012 m3/s e) 0,082 m3/s Fonte: Livro- texto. Resposta Considere que a água de um reservatório de grandes dimensões deve ser bombeada por uma bomba submersa, com potência de 5 kW e eficiência de 70%, para uma piscina (grandes dimensões) cuja superfície livre está a 30m acima do nível da água subterrânea. Determine a vazão máxima da água. Dados: γ = 10000 N/m³. a) 0,12 m3/s b) 0,022 m3/s c) 0,062 m3/s d) 0,012 m3/s e) 0,082 m3/s Fonte: Livro-texto A carga da máquina pode ser obtida por: Sendo p2 = p1 e as velocidades v2 = v1 = 0 (reservatórios de grandes dimensões). Assim: Para determinar a vazão máxima de água: Solução da interatividade Solução: Dados: N = 5 kW ηB = 0,70 z2 = 30 m z1 = 0 m γ = 10000 N/m³ Q = ? 2 1 2 2B 2 1 2 1 p p 1 H z z v v 2g B BH 30 m 0 m H 30 m B B B B Q H N Q N H Solução da interatividade Solução: Dados: N = 5 kW ηB = 0,70 z2 = 30 m z1 = 0 m γ = 10000 N/m³ Q = ? 3 3 35 10 W 0,70 5 10 0,70 J m 1 Q 10000 N/m³ 30 m 10000 30 s N m 3N m m 1 Q 0,012 s N m 3Q 0,012 m /s ATÉ A PRÓXIMA!
Compartilhar