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Roteiro - Aula Prática – Perda de carga:
1. Objetivo do experimento: Estudo de perda de carga distribuída e localizada. Medição de velocidade e vazão. 2. Revisão Teórica Quando um fluido atravessa uma tubulação, há uma perda energética conhecida como perda de carga. Essa defasagem é oriunda do atrito existente entre o fluido e a superfície da tubulação ou da turbulência existente no escoamento. Assim, há uma diminuição gradativa de pressão com a sequência do deslocamento, correspondente à perda de carga.
As causas mais prováveis para essas variações, como foi citado anteriormente, são o fenômeno de atrito ou fricção, promovendo uma transformação de energia mecânica em térmica, diminuindo a carga de pressão do sistema. Outro motivo relevante se refere à mudança na direção do escoamento, que se processa com a utilização de tês ou curvas.
2.1 Perda de Carga
A passagem de um fluido por uma tubulação, ou um acessório, gera, inevitavelmente, uma queda energética conhecida como perda de carga. Há dois tipos de perdas de carga, as perdas distribuídas e localizadas.
Nas perdas contínuas ou distribuídas, ocorre queda de pressão por atrito ao longo dos condutos. Normalmente é uniforme, quando a canalização apresenta dimensões constantes. Suas principais causas são o próprio atrito com a parede, os efeitos da viscosidade do fluido e da rugosidade da tubulação.
Como a maioria das perdas principais podem ser consideradas constantes, vale citar o conceito de perda de carga unitária (J), que é a variação da perda por unidade de comprimento. Por ser uma variação de perda de carga por unidade de
comprimento, essa medida é adimensional, somente sendo representada pela diferença de grandezas (m/m mm/m).
As perdas localizadas ou locais ocorrem quando há presença de acessórios. Dessa forma, a perda se dá tanto pelo atrito com as válvulas, quanto pelas eventuais mudanças de direção que eles possam acarretar. Possuem área variável, contribuindo para a queda de pressão. Seu cálculo é importante principalmente em instalações com tubulações curtas, onde os valores tem uma maior representatividade relativa ao sistema como um todo.
2.2 Determinação da perda de carga distribuída
A perda de carga distribuída se deve a uma gama de fatores, que podem ser acoplados em uma relação matemática. São eles:
Fator de atrito (f): o fator de atrito ou fator de fricção é um coeficiente de perda de carga distribuída. É uma função matemática adimensional do número de Reynolds e da rugosidade relativa. Afinal, quanto maior a rugosidade, maior o atrito e, consequentemente, a perda de energia. Comprimento (L): Como a perda de carga distribuída segue normalmente um padrão linear, é válido pensar que, quanto maior o comprimento, mais tempo o escoamento estará sujeito à influência do atrito e, portanto, maior a queda de energia. Diâmetro (D): Com maiores diâmetros, uma menor proporção do fluido estará em contato com a superfície. Isso pode ser notado, pois o comprimento (a parte em contato com a superfície) é em função de D e a área (parte sem contato) é função de D². Assim, se o diâmetro cresce, a área que tem contato com a superfície e sofre com a influência do atrito cresce menos do que a área que não tem. Carga cinética: Analisando pelos princípios de mecânica dos fluídos, o aumento da velocidade é diretamente proporcional à perda de energia. Assim, como a carga cinética está relacionada com o escoamento,
Onde: ƒ = fator de atrito (adimensional); Re = Número de Reynolds (adimensional); D = diâmetro (m) e ε = rugosidade absoluta (m).
Figura 1 - Diagrama de Moody
2.4 Determinação do comprimento equivalente
O comprimento equivalente (Leq) corresponde ao tamanho de um tubo reto com uma quantidade equivalente de perda energética gerada na passagem de fluido por um acessório. A sua determinação se mostra útil na análise da tubulação como um todo, considerando todo o sistema como se fosse apenas uma canalização reta, variando-se apenas o diâmetro.
O cálculo do Leq pode ser obtido pela mesma relação da perda de carga, após a determinação da mesma. Assim, isola-se o L e, tendo todos os outros dados, pode-se obter o seu valor.
ƒ V^2
Onde: Leq = comprimento equivalente (m); ∆H = perda de carga (m); ƒ = fator de atrito (adimensional); V = velocidade (m/s); D = diâmetro (m) e g = aceleração da gravidade.
3. Equipamentos, materiais e procedimento experimental
3.1 Equipamentos e materiais
No experimento é utilizado um circuito hidráulico fechado (Figura 2), composto de: Um reservatório de água (RA) com a válvula de bloqueio (VB); Uma bomba centrífuga (BC), de ½ CV; Uma válvula de regulagem de vazão (VRV); Um medidor de vazão (tipo rotâmetro) (MV); Uma válvula de bloqueio (VBS), para selagem hidráulica do circuito; Dois (02) ramos principais:
Tabela 2. Diâmetros internos equivalentes para acessórios em PVC roscável
DN (Diâmetro Nominal) Equivalente em polegadas Di (Diâmetro interno)*
20 mm ½” 16,5 mm 25 mm ¾” 21,5 mm 32 mm 1” 27,5 mm
Cada tubo está conectado ao respectivo Manômetro (MTU), conforme a Tabela 3. A distância entre os pontos de tomada de pressão (L), em cada tubo, é de 2,5 m.
Tabela 3. Características dos tubos e manômetros do ramo 2.
Tubo Acessório hidráulico Fluido manométrico Material DN Di 1 PVC 20 mm 16,5 mm Mercúrio metálico 2 PVC 25 mm 21,5 mm Clorofórmio 3 Inox 1/2 “ 9,7 mm Mercúrio metálico 4 Inox 1” 22,4 mm Clorofórmio 5 Cobre ⅜” 6,5 mm Mercúrio metálico 6 Cobre ½” 9,7 mm Mercúrio metálico 7 Cobre 1” 22,4 mm Clorofórmio
Figura 3. Experimento de perda de carga distribuída e localizada (Ramo 2 à frente).
3.2 Procedimento experimental
O procedimento experimental envolve duas etapas, correspondentes às determinações de perdas de carga localizadas (Ramo 1) e distribuídas (Ramo 2). No Ramo 1, são selecionados elementos pré-definidos entre os listados na Tabela 1, e impostas duas vazões distintas (15 L/min e 30 L/min) ao sistema. Para cada vazão, são realizadas leituras das diferenças de pressão (perdas de carga) nos respectivos manômetros dos elementos. Para o Ramo 2, é realizado processo similar para dois tubos pré-definidos entre os listados na Tabela 3, impondo-se diversas vazões e se medindo as diferenças de pressão.
d. Fator de atrito obtido pela fórmula de Swame em CADA UM dos manômetros para CADA UMA das tubulações. Sugestão: enviar a planilha eletrônica (EXCEL) em anexo (devidamente nomeada) com os cálculos para facilitar a correção, caso haja algum erro no resultado final.
Gráficos
- Ramo 2: a. Com base nos dados obtidos, plote duas curvas de Perda de Carga (m) por Vazão (L/min), sendo uma por tubulação (as duas devem estar no mesmo plano cartesiano). b. Com base nos dados obtidos, plote duas curvas de fator de atrito (adimensional) por Vazão (L/min), sendo uma por tubulação. Utilize o f calculado pela Fórmula Universal de Perda de Carga. c. Com base nos dados obtidos, plote duas curvas de fator de atrito (adimensional) por Vazão (L/min), sendo uma por tubulação. Utilize o f calculado pela Fórmula de Swame) Questionário
- Na parte escrita do relatório, devem estar inseridas as respostas do questionário atualizado, que se encontra na página do laboratório.
- Pode ser respondido de maneira corrida ou separada por perguntas, desde que todas as respostas estejam inclusas e que haja uma boa organização e entendimento.
Observações: Utilizar os diâmetros internos dos acessórios para os cálculos Massas específicas (ρ) o Água: 1000 kg/m^3 o Clorofórmio: 1480 kg/m^3 o Mercúrio: 13600 kg/m^3
5. Conclusão
Na conclusão, basta indicar se os resultados foram satisfatórios, se houve erros ou acertos na comparação entre eles e/ou com a literatura.
6. Bibliografia:
AZEVEDO NETTO, J. M. et al. Manual de Hidráulica. 8a ed. São Paulo: Ed. Edgard Blücher, 1998. ECOEDUCACIONAL. Roteiros de aulas práticas. 2012. PORTO, R. M. Hidráulica Básica. 4ed^ São Carlos: EESC-USP, 2006. 540p.
