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A principal finalidade do experimento foi determinar e analisar a perda de carga no circuito 1 e 3 de uma bancada de perda de carga, analisando assim as principais causas das perdas de cargas mais significativas.
Tipologia: Trabalhos
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Universidade Federal do Pará Campus Universitário de Tucuruí Faculdade de Engenharia Mecânica Laboratório de Fluidos ANÁLISE DA PERDA DE CARGA NO CIRCUITO 1 E 3 DOCENTE: Msc. Eng. Jessé Luis Padilha DISCENTE: Kauê Jhonata Sousa de Sousa Matrícula: 201534040039 Tucuruí – PA 2017
Trabalho escrito referente ao experimento de perda de carga realizado em laboratório apresentado ao curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Pará – UFPA como requisito avaliativo da disciplina de Instrumentação industrial sob a avaliação do Prof.º Msc. Eng. Jessé Luis Padilha. Tucuruí – PA 2017
A bancada para experimentos de perda de carga em tubulações permite a análise de escoamentos internos em condutos fechados/forçados. Podem ser obtidos resultados das perdas de carga continuas e/ou singulares, na qual esses dois fenômenos têm causas totalmente diferente. Perda de carga contínua ocorrem ao longo do escoamento, no atrito do fluido circulante e a parede interna da tubulação, onde esse atrito faz com que a pressão total vá diminuindo ao longo do comprimento, quanto mais longa a tubulação, maior será sua perda de carga. Por outro lado, a perda de carga singular é causada pelos acessórios de instalação do sistema, onde ocorre uma variação brusca da velocidade, ou seja, o escoamento fica ainda mais turbulento por essa mudança de direção, mudança brusca de velocidade, acentuando a perda de carga singular no circuito e consequentemente a perda de carga total. O estudo desse fenômeno torna-se importante, pelo fato da perda de carga e custo ser diretamente proporcionais, pois quanto maior a perda de carga, maior será o consumo de energia elétrica da bomba centrífuga para suprir essa perda no sistema. Por isso, o engenheiro responsável pelo projeto e execução do sistema, deve-se atentar aos requisitos para diminuir a perda de carga no circuito, evitando muitas instalações, diminuição brusca da seção de escoamento, para isso, o responsável deve-se ter conhecimento dos fenômenos de perda de carga e sua causa, e principalmente como aliviar essas perdas excessiva. 2 OBJETIVO Analisar através do experimento e cálculos necessários a perda de carga no circuito 1 e 3 de uma bancada de perda de carga. 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÃO O escoamento de um fluido através de tubulações sofre a influência das paredes e de obstáculos no seu interior, devido ao atrito do fluido com a parede do tubo ocorre uma dissipação de energia ou perdas de carga, sempre que um fluido escoa em um tubo de um ponto a outro haverá perda de energia (AMARAL, 2016). Em todo escoamento, está presente a perda de carga, porém existe dois fenômenos de perda de carga distintas, que nem sempre em toda tubulação está presente, a perda de carga contínua e a perda de carga singular, a primeira sempre estará presente em um escoamento de
Figura 2. Instalações hidráulicas. Fonte: Autor desconhecido. 3.4 DIMENSIONAMENTO DE PROJETOS HIDRÁULICOS O estudo das perdas de carga é de suma importância para o correto dimensionamento de sistemas de máquinas de fluxo e de tubulações em projetos hidráulicos, significando minimização dos custos do projeto e maior eficiência do sistema (AMARAL, 2016). Um entrave ao correto dimensionamento das máquinas de fluxos se dá principalmente por suas inúmeras equações para a solução de problemas cotidianos, o que torna o conhecimento do engenheiro fundamental para o desempenho de suas funções em diversas áreas da indústria (AMARAL, 2016). Por fim, é imprescindível o conhecimento do engenheiro responsável pelo projeto dos fenômenos das perdas de carga, suas causas e como amenizar essas perdas, pois um sistema com menor perda de carga, apresentará um custo menor e uma eficiência bem maior. 4 MATERIAIS E MÉTODOS 4.1 MATERIAIS ❖ Bomba centrífuga de ½ cv; ❖ Banca de perda de carga; ❖ Placa de orifício. Figura 3. Banca de perda de carga. Fonte: Autoria própria (2017).
Figura 4. Tubulação de aço carbono com placa de orifício. Fonte: Autoria própria (2017). Figura 5. Especificação da bomba centrífuga da bancada de perda de carga Fonte: Autoria própria (2017). Para o circuito 1 e 3, denomina-se de C1 e C3, respectivamente. As instalações hidráulicas presente em cada circuito para o cálculo da perda de carga singular, serão mostradas nas tabelas a seguir. Tabela 1. Instalações hidráulicas no C INSTALAÇÕES HIDRÁULICA NO C 1 QUANTIDADE INSTALAÇÕES 2 Luva 1 Registro tipo globo 1 Redução de 32 - 20 mm 1 Expansão de 20 - 32 mm 1 “T” 5 Joelho de 90° de 32 mm 4 Curvas de 90° de 20 mm 2 União roscável de 32 mm Fonte: Autoria própria (2017)
D 32 = 32 mm 𝑙 1 = 3,355 m 𝜀 = 0 , 0025 𝑚𝑚 no PVC 𝜀𝐴𝐶 = 0,025 no Aço carbono g = 9,81 m/s^2 Tabela 3. Pressões do C 1. MANÔMETRO MEDIDA 1 MEDIDA 2 MEDIDA 3 MÉDIA M1 (Psi) 13 13 13,1 13, M2 (Psi) 11 10,9 10,9 10, M3 (Psi) 10,5 10,6 10,5 10, M4 (Psi) 11 10,9 10,9 10, Fonte: Autoria própria (2017). Diante das pressões coletadas no experimento e suas devidas médias, pode-se realizar os cálculos para o C1. ÁREA DA SEÇÃO DE ESCOAMENTO
𝜋.𝐷 02 4
𝜋. 0 , 02942 4
𝐷 0 𝐷
0 , 0294 0 , 06
2 .(𝑝 1 −𝑝 2 ) 𝜌
− 4
2 .( 75359 , 697 − 72601 , 794 )𝑃𝑎 997
𝒎𝟑 𝒔
4 .𝑄 𝜋.(𝐷 20 )^2
4 .𝑄 𝜋.(𝐷 32 )^2
4 .𝑄 𝜋.(𝐷 60 )^2
Pôr a vazão depender unicamente das dimensões da placa de orifício e a velocidade para cada tubulação depender da vazão e do diâmetro da tubulação, é conveniente que a vazão e a velocidade das tubulações particulares de cada circuito sejam a mesma para os dois sistemas, assim como a área de escoamento. NÚMERO DE REYNOLDS PARA A TUBULAÇÃO DE 20 MM
𝜋.𝐷 20 .v
𝜋.𝐷 32 .v
2 𝘧 32 =
[log (
2
[log (
2 𝘧 60 =
[log (
2
As instalações hidráulicas na tubulação de 20 mm são mostradas a seguir, para o cálculo da perda de carga singular no C1. Tabela 4. Coeficiente singular na tubulação de 20 mm COEFICIENTE DE SINGULARIDADE QUANTIDADE INSTALAÇÃO KS 4 Curva de 90° 0, Total 1, Fonte: Autoria própria (2017) Diante do coeficiente singular, calcula-se a perda de carga. ∆𝐻 20 = (𝘧 20 𝑙 1 𝐷 20
3 , 355 0 , 02
3 , 312
As instalações hidráulicas na tubulação de 32 mm são mostradas a seguir, para o cálculo da perda de carga singular no C1. Tabela 5. Coeficiente singular na tubulação de 32 mm. COEFICIENTE DE SINGULARIDADE QUANTIDADE INSTALAÇÃO KS 1 Válvula globo 2,5 (25% aberta) 1 Redução de 32 para 20 mm 0, 1 Expansão de 20 para 32 mm 0, 2 União roscável 0, 5 Joelho de 90° de 32 mm 2, 2 Luva 0, 1 “T” 2, Total 17 , Fonte: Autoria própria (2017) Diante do coeficiente singular, calcula-se a perda de carga. ∆𝐻 32 = (𝘧 32 𝑙 1 𝐷 32
2
1 , 302
2
0 , 382
4 .𝑄 𝜋.(𝐷 32 )^2
4 .𝑄 𝜋.(𝐷 60 )^2
𝜋.𝐷 32 .v
𝜋.𝐷 60 .v
No cálculo da perda de carga da placa de orifício, inclusive essa é a desvantagem desse medidor de vazão, por apresentar uma perda de carga significativa, Fr é a fração da queda de pressão na placa de orifício aferida no anexo 3 e ∆P é a diferença de pressão na placa de orifício. ℎ𝑝𝑜 = 𝐹𝑟. (
γágua
ℎ𝑝𝑜 = 0 , 73. (
9777 ) 𝑃𝑎 𝑁/𝑚^3 𝒉𝒑𝒐 = 𝟎, 𝟏𝟎 𝒎 COEFICIENTE DE PERDA DE CARGA DISTRIBUÍDA PARA A TUBULAÇÃO DE 32 mm 𝘧 32 =
[log ( ε/𝐷 32 3 , 7
2 𝘧 32 = 0 , 25 [log (^) ( 0 , 0025 / 32 3 , 7
5 , 74
0 , 9 )] 2 𝙛𝟑𝟐 = 𝟎, 𝟎𝟐𝟒 COEFICIENTE DE PERDA DE CARGA DISTRIBUÍDA PARA A TUBULAÇÃO DE AÇO CARBONO DE 60 MM 𝘧 60 =
[log (
2 𝘧 60 = 0 , 25 [log ( 0 , 025 / 60 3 , 7
5 , 74
0 , 9 )] 2 𝙛𝟔𝟎 = 𝟎, 𝟎𝟐𝟖 PERDA DE CARGA NA TUBULAÇÃO DE 32 MM As instalações hidráulicas na tubulação de 32 mm são mostradas a seguir, para o cálculo da perda de carga singular no C3. Tabela 7. Coeficiente singular na tubulação de 32 mm. COEFICIENTE DE SINGULARIDADE NA TUBULAÇÃO DE 32 mm Quantidade Instalação KS 1 Registro tipo globo 2,5 (25% aberta) 2 União roscável de 32 mm 0, 4 Joelho de 90° de 32 mm 2, 2 “T” 2, Total 15, Fonte: Autoria própria (2017)
Ao fim do experimento e da análise da perda de carga em ambos os circuitos, foi possível assimilar as principais causas da perda de carga mais significativa e ver na prática a diferença de perda de carga singular e perda de carga distribuída, onde observou-se que a variável que pode causar uma maior perda de carga é a velocidade, porém, também através de uma instalação hidráulica como redução que a velocidade do circuito aumenta. Por esse motivo, que o engenheiro responsável por um dimensionamento de um projeto hidráulico deve conhecer e entender o fenômeno da perda de carga e suas principais causas, assim podendo dimensionar um sistema de uma forma que a perda de carga não seja tão significativa, ou seja suavizada o máximo possível, em vista que um sistema com menor perda de carga é mais econômico e melhor rendimento. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Autor desconhecido. Bancada Didática para Experimentos de Perda de Carga em Tubulações. Disponível em:< http://www.algetec.com.br/index.php/pt- BR/produtos/product/19-bancada-para-experimentos-de-perda-de-carga-em-tubulacoes>. Acesso em 25 de junho. AMARAL, Elbert; AMARAL, Tatiane. ANALISE DOS FATORES QUE INFLUENCIAM NAS PERDAS DE CARGA EM TUBULAÇÕES E ACESSÓRIOS HIDRÁULICOS. Seminário de Iniciação Científica – SIC, Faculdade Pitágoras, Minas Gerais, 2016. WHITE, Frank M. Mecânica dos fluidos. 6ª ed. Porto Alegre: AMGH, 2011. Autor desconhecido. Escoamento em Condutos. Forum MDA South America. Jarinu – SP, março de 2013. ANDRADE, A. Sulato. ANÁLISE DE PERDAS EM ESCOAMENTOS DENTRO DE TUBULAÇÕES. Universidade Federal do Paraná. VLADIMIR, Caramori. LABORATÓRIO DE HIDRÁULICA. Universidade Federal de Alagoas – Centro de tecnologia, Macéio - Alagoas, março de 2008. BISTAFA, Sylvio R. Mecânica dos fluidos: Noções e aplicações. São Paulo: Blucher, 2012. Autor desconhecido_._ Cálculo da perda de carga em tubulações. Disponível em: < https://pt.wikibooks.org/wiki/Mec%C3%A2nica_dos_fluidos/C%C3%A1lculo_da_perda_de_ carga_em_tubula%C3%A7%C3%B5es>. Acesso em 25 de junho. SCALON, V. Luiz. Perda de Carga Distribuída ao Longo de Tubulações. Lab. Mecânica dos Fluidos.
ANEXO 1. Coeficiente de perda de carga singular Fonte: Autor desconhecido ANEXO 2. Perda de carga singular (K) Fonte: BISTAFA (2012)
