Perda de carga

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM
LABORATÓRIO DE SISTEMAS TERMOFLUÍDOS I – LST

ENSAIO DE PERDA DE CARGA EM TRECHO RETO

Prof. José Aldo Silva Lima
Alunos: Rafael Franklin Lázaro de Cerqueira
Ronan Jacques Antonelli
Roger Cardoso dos Santos

Joinville, Junho de 2010.
Sumário
Introdução 41. Fundamentos 4
0.1 Cálculo da Perda de Carga no Tubo 4
0.1.1 Perdas Localizadas 6
0.2 Número de Reynolds (Re) 6
0.2.1 Para o escoamento Turbulento (Re>2300): 7
1 Resultados e Análise 9
Referências 17
Apêndice 19

Introdução

Esse trabalho prático tem o objetivo de estudar o comportamento da água dentro de um condutor cilíndrico reto, ou seja, calcular a perda de carga em umtrecho reto de tubulação.
Estas perdas têm como causa principal o atrito do fluido com o interior do tubo (rugosidade), no qual a energia dissipada em virtude do atrito converte-se em calor para o fluido e o tubo.
Para a medição, são efetuadas leituras de vazão a partir do preenchimento de um tanque em função de um tempo gasto para o evento, enquanto é feita a leitura de diferenças de pressãono piezômetro a fim de obter a perda de carga para cada situação, localizando-as no gráfico associativo de perda de carga para um trecho reto.

1. Fundamentos

0.1 Cálculo da Perda de Carga no Tubo

A perda de carga (hl) refere-se a uma perda energética no escoamento, que acontece por causa de uma redução da pressão no escoamento, devido aos efeitos do atrito entre o fluido e o tubo,ilustrada na Figura 1, tomando como base a região de entrada fluidodinâmica (ponto 1) e a região completamente desenvolvida (ponto 2). Para efetuar a leitura da perda de carga, utiliza-se um piezômetro, dispositivo o qual indica a diferença de altura (de coluna de água) entre dois pontos escolhidos, e com isso calcula-se a diferença de pressão.

Figura 1: (L)- comprimento analisado no tubo entre os doismedidores piezométricos, (l)- localização do primeiro piezômetro, u(r,x)- velocidade do fluido em função do raio, (2)- localização do segundo piezômetro

A perda de carga, chamada hl, é relacionada pelas equações:
Equação da continuidade:

(1)

Para a vazão volumétrica:

(2)

(3)

(4)

Equação de Bernoulli mais as perdas de um para dois:

(5)


A perda de carga pode sercalculada através da diferença de pressões, onde as alturas e velocidades do escoamento nos pontos de tomada de medidas são iguais, tem-se z1 = z2 e v1 = v2 então:


logo,
temos
Pode-se expressar que:


(6)

A perda de carga é uma função do comprimento do tubo, da rugosidade do material que compõe o tubo (ε), da velocidade do escoamento (), do diâmetro do tubo (D), do tipo do escoamento(laminar ou turbulento), e das propriedades do fluido, logo f = f (D, L, ε, , ρ, μ).

(7)

Sendo, L é o comprimento do tubo, D é o diâmetro, é a velocidade média do escoamento.

0.1.1 Perdas Localizadas

No experimento, o escoamento pode necessitar passar por mudanças súbitas de área, curvas ou diversidades de acessórios dentro de tubos. Por isso ocorrem perdas de cargas adicionais. Essasperdas (chamadas de perdas localizadas) são reduzidas se o sistema consistir em longos trechos de seção constante. As perdas de cargas localizadas podem ser expressas por:

(8)

Onde K é o coeficiente de perda e deve ser determinado experimentalmente para cada situação.

0.2 Número de Reynolds (Re)

É o indicador do tipo de escoamento.

ou
(9)

Onde D e são as variáveis definidasacima, ρ é a massa específica e μ é a viscosidade do fluido.

0.2.1 Para o escoamento Turbulento (Re>2300):

O valor de f é obtido através de um processo experimental, porém existem algumas curvas ou diagramas estudados que se aproximam dos métodos experimentais.

1º Método - Equação de Colebrook (1938), onde f é o fator de fricção calculado iterativamente.

(10)


2º Método - Equação...
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