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<p>LABORATÓRIO DE ENGENHARIA 1</p><p>PROF.: MÁRIO GOMES DA SILVA JÚNIOR</p><p>Simone Albino</p><p>PRÁTICA 04: PERDA DE CARGA DISTRIBUÍDA</p><p>RECIFE - PE</p><p>2024</p><p>1.</p><p>Objetivo(s):</p><p>A prática foi realizada com o objetivo de determinar a perda de carga distribuída em 3 tubulações com características diferentes (diâmetro, comprimento e rugosidade), a queda de pressão experimental (diferença de pressão em diferentes pontos no tubo (trecho de escoamento), nos pontos P1 e P2 de cada tubulação) e estimar a potência de bombeamento.</p><p>No experimento também foi identificada a influência da perda de carga na velocidade de escoamentos, e a relação dessa perda com o atrito e o número de Reynolds.</p><p>2. Fundamentação Teórica:</p><p>Perda de carga pode ser definida como sendo a perda de energia que o fluido sofre durante o escoamento em uma tubulação. É o atrito entre o fluido (neste caso a água) e a tubulação, quando o fluido está em movimento. É a resistência ao escoamento devido ao atrito entre o fluido e a tubulação, mas que pode ser maior ou menor devido a outros fatores tais como o tipo de fluido (viscosidade do fluido), ao tipo de material do tubo (um tubo com paredes rugosas causa maior turbulência), o diâmetro do tubo e a quantidade de conexões, registros etc. existentes no trecho analisado. Assim, a perda de carga ocorre pela transformação dessa energia mecânica em energia térmica, aquecendo o fluido, e pela transferência de calor para outros elementos do processo. Portanto, essa perda de energia também está relacionada à perda de pressão e perda de eficiência no processo</p><p>Existem algumas variáveis, que são importantes para a análise dessa perda, como: comprimento da tubulação (quanto maior o comprimento da tubulação, maior a perda de carga); diâmetro da tubulação (quanto maior o diâmetro, menor a perda de carga); velocidade (quanto maior a velocidade do fluido, maior a perda de carga.); rugosidade do tubo e a viscosidade do fluido.</p><p>As perdas se classificam em:</p><p>Perda de carga contínua ou distribuída ou perda por atrito (hf): ocorrem ao longo de um trecho de tubulação retilíneo, com diâmetro constante. Se houver mudança de diâmetro, muda-se o valor da perda de carga. c</p><p>Perda de carga acidental ou localizada ou singular (ha): são as perdas que ocorrem nas conexões, válvulas, curvas, filtros e nas saídas de reservatórios. Esses acessórios causam turbulência, alteram a velocidade da água, aumentam o atrito e provocam choques das partículas líquidas. Também são conhecidas como perda de carga secundária.</p><p>Perda de carga total (ht): É o somatório das perdas de carga primárias e secundárias.</p><p>ht = hf + ha</p><p>A perda de carga acidental (localizada) é importante em tubulações curtas; em tubulações longas seu valor é frequentemente desprezado na prática.</p><p>Na engenharia, a análise da perda de carga em escoamentos é importante em praticamente todas as aplicações que envolvem fluidos.</p><p>Neste experimento foi analisado exclusivamente os conceitos de perda de carga distribuída, utilizando os seguintes equacionamentos:</p><p>Perda de carga total ou global (Eq.1)</p><p>Eq.1</p><p>A perda de carga global leva em consideração toda a dissipação viscosa primária e secundária do sistema;</p><p>•Caso geral: soma de todas as potências de dissipação (𝑁𝐿);</p><p>• Sistemas sem ramificação: soma direta das cargas de dissipação (ℎ𝐿);</p><p>Escoamento do tubo por queda da pressão (Eq.2)</p><p>Eq.2</p><p>Escoamento do tubo pelo método de Darcy-Weisbach (Fórmula Universal) (Eq.3)</p><p>Eq.3</p><p>Onde:</p><p>· hd é a perda de carga distribuída (m)</p><p>· f é o fator de atrito (adimensional)</p><p>· L é o comprimento da tubulação (m)</p><p>· Dh é o diâmetro da tubulação (m)</p><p>· V é a velocidade média do escoamento (m/s)</p><p>· g é a aceleração da gravidade (m²/s)</p><p>O fator de atrito pode ser calculado de acordo com o tipo de escoamento. Para o caso de escoamento laminar (Re 4000), o fator de atrito é calculado pela seguinte fórmula, conhecida como equação de Colebrook-White (Diagrama de Moody) – Fator de Atrito</p><p>(Eq.5):</p><p>Eq.5</p><p>Onde:</p><p>· e/D é a rugosidade relativa (adimensional)</p><p>· Re é o número de Reynolds (adimensional)</p><p>Número de Reynolds (Eq.6)</p><p>Eq.6</p><p>Além disso, existem outras fórmulas e métodos para o cálculo da perda de carga distribuída, como a fórmula de Chézy, a fórmula de Hazen-Williams e a fórmula de Manning. Cada uma dessas fórmulas utiliza parâmetros específicos e é mais adequada para certos tipos de escoamento e materiais de tubulação.</p><p>Observando a estática dos fluidos, diferença de pressão corresponde a uma altura ou coluna de fluido, que nos permite representar a perda de carga maior utilizando a seguinte equação (Eq.7):</p><p>Eq.7</p><p>Após calcular a queda de pressão (ou perda de carga), calcula-se a potência de bombeamento necessária para superar a perda de pressão. A potência é determinada por (Eq.8):</p><p>Eq.8</p><p>Onde ∆P é a diferença de pressão manométrica entre os pontos 1 e 2, e Q representa a vazão volumétrica (Figura 01).</p><p>Figura 01 – Diferença de pressão manométrica entre os pontos 1 e 2 no tubo</p><p>(trecho de escoamento).</p><p>3. Materiais Utilizados:</p><p>- Tubulação hidráulica com diâmetro de 16,6 mm e 81cm de comprimento (Liso)</p><p>- Tubulação hidráulica com diâmetro de 27,1mm e 76 cm de comprimento (Liso)</p><p>- Tubulação hidráulica com diâmetro de 21,1mm e 82 cm de comprimento (Rugoso)</p><p>- Mangueiras hidráulicas</p><p>- Manômetro de mercúrio (tubo em U)</p><p>- Rotâmetro</p><p>Figura 02 – Bancada Hidráulica de Perda de Carga</p><p>4. Procedimento Experimental</p><p>· Foi verificado se o sistema estava abastecido com água antes de iniciar o experimento;</p><p>· A massa específica e a viscosidade dinâmica da água foram determinadas considerando a temperatura do fluido a 25˚C;</p><p>· O experimento foi realizado em 3 tubulações com características diferentes (diâmetro, comprimento e rugosidade);</p><p>· O diâmetro interno das tubulações foi fornecido pelo material didático;</p><p>· Determinou-se o comprimento das 3 tubulações entre o ponto P1 e P2 com o auxílio de uma trena;</p><p>· Identificou-se o fluxo de escoamento da água na planta didática para transferir água para o reservatório da planta (abrir e fechar as válvulas manuais identificadas);</p><p>· O fluxo de água foi liberado lentamente para o sistema, regulando a rotação da bomba com auxílio do potenciômetro do inversor de frequência;</p><p>· O escoamento foi mantido constante durante a realização das medições;</p><p>· O experimento foi realizado em diferentes vazões, 5 amostras para cada tubulação (Tubo 01, Tubo 02 e Tubo 03), com o auxílio de um rotâmetro (medidor de vazão) e manômetro de mercúrio (tubo U);</p><p>· Registrou se a diferença de pressão em cada condição de operação;</p><p>· A partir dos resultados obtidos no experimento, determinou se velocidade média no trecho do tubo em estudo, o número de Reynolds, o regime de escoamento, o fator de fricção e a perda de carga, a queda de pressão ou diferença de pressão prevista, a queda de pressão calculada com os dados experimentais obtidos no tubo em U e os requisitos de potência de bombeamento.</p><p>5. Resultados e Discussão</p><p>Os dados obtidos experimentalmente estão mostrados na tabela 1 abaixo:</p><p>Tabela 1: Dados obtidos experimentalmente convertidos para o SI.</p><p>Tabela 2: Resultados</p><p>Anexo I: Propriedades física da Água</p><p>Anexo II: Diagrama de Moody</p><p>6. Questões propostas</p><p>i. Como a queda de pressão está relacionada com requisito de potência de bombeamento para determinar a vazão mássica do fluido?</p><p>A queda de pressão é diretamente relacionada com a potência de bombeamento necessária para dada vazão mássica</p><p>A queda de pressão ao longo</p><p>do fluxo está diretamente relacionada aos requisitos de energia da bomba, pois é necessário para manter o fluxo, logo o fator de atrito também é proporcional os requisitos de energia, portanto temos a seguinte equação:</p><p>ii. Como a rugosidade da superfície afeta a queda de pressão em um tubo se escoamento for laminar? E no caso de um escoamento turbulento?</p><p>Quanto maior a rugosidade do tubo, maior a queda de pressão de um escoamento turbulento. No entanto, para um escoamento laminar, o efeito da rugosidade é desprezível.</p><p>iii. Explique por que o fator de atrito é independente do número de Reynolds (Re), quando o número de Reynolds é muito grande.</p><p>Porque quanto maior o número de Reynolds, menor o tamanho da subcamada viscosa. Acima de um determinado valor de número de Reynolds, a subcamada viscosa é tão pequena que a sua influência nas perdas por atrito do escoamento não é mais relevante e o fator de atrito deixa de diminuir.</p><p>7. Conclusões</p><p>O cálculo da perda de carga em uma tubulação é de extrema importância para o correto dimensionamento do sistema hidráulico, garantindo que o fluido seja transportado com eficiência e segurança. Uma perda excessiva de carga pode resultar em uma redução da vazão do fluido ou até mesmo no entupimento da tubulação. Além disso, uma pressão excessiva pode danificar as tubulações e os equipamentos associados.</p><p>Durante o dimensionamento é importante considerar algumas variáveis do sistema que influenciam nos cálculos de perda de carga como a rugosidade das paredes internas da tubulação (um fator importante, pois superfícies mais rugosas causam maior atrito e, consequentemente, maior perda de carga), a velocidade do fluido (quanto maior a velocidade do fluido, maior a perda de carga.), a viscosidade do fluido, ou seja, o atrito intermolecular do fluido também influencia a perda de carga em um sistema (líquidos com viscosidades diferentes vão possuir perdas de cargas distintas ao passar dentro de uma mesma tubulação), diâmetro da tubulação (quanto maior o diâmetro, menor a perda de carga. O diâmetro é inversamente proporcional à perda de carga) e o comprimento (quanto maior o comprimento da tubulação, maior a perda de carga).</p><p>8. Referências Bibliográficas</p><p>APOSTILA DE MECÂNICA DOS FLUIDOSAPOSTILA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS. [S. l.], 2012. Disponível em: https://www.ufjf.br/engsanitariaeambiental/files/2012/09/Apostila-de-Mec%C3%A2nica-dos-Fluidos.pdf. Acesso em: 1 maio 2024.</p><p>PERDAS de carga distribuída e localizada em escoamento turbulento. [S. l.], 2015. Disponível em: https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/3494380/mod_resource/content/1/Exp.%20Sub%203222_2017.pdf. Acesso em: 6 maio 2024.</p><p>GUEDES, Prof. Dr. Hugo Alexandre Soares. HIDRÁULICA. [S. l.], agosto 2018. Disponível em: https://wp.ufpel.edu.br/hugoguedes/files/2018/08/Apostila-Hidr%C3%A1ulica-versao-2018_2.pdf. Acesso em: 6 maio 2024.</p><p>E.; AKUTSU, J.; REIS, L.F.R., Kellner. Avaliação da rugosidade relativa dos tubos de PVC com vistas ao dimensionamento das redes de distribuição de água, [S. l.], p. 9, 1 jun. 2016. Acesso em: 6 maio 2024.</p><p>image1.jpeg</p><p>image2.png</p><p>image3.png</p><p>image4.png</p><p>image5.png</p><p>image6.png</p><p>image7.png</p><p>image8.png</p><p>image9.png</p><p>image10.png</p><p>image11.jpeg</p><p>image12.emf</p><p>Experimentos</p><p>Vazão</p><p>Rotâmetro</p><p>(m</p><p>3</p><p>/s)</p><p>Pressão P1</p><p>(mmHg)</p><p>Pressão P2</p><p>(mmHg)</p><p>∆Pressão</p><p>P2 - P1</p><p>(Pa)</p><p>Diâmetro</p><p>interno do Tubo</p><p>Di</p><p>(m)</p><p>Comprimento do</p><p>Tubo</p><p>L</p><p>(m)</p><p>0,0004166673463541065,760,01660,810</p><p>0,0005555563413582264,740,01660,810</p><p>0,0006944443363643730,160,01660,810</p><p>0,0008333333313695062,360,01660,810</p><p>0,0009722223233777193,880,01660,810</p><p>0,0011111113163849058,960,01660,810</p><p>0,000416667349351266,440,02710,760</p><p>0,000555556347352666,10,02710,760</p><p>0,000694444346353932,540,02710,760</p><p>0,0008333333453541198,980,02710,760</p><p>0,0009722223433571865,080,02710,760</p><p>0,0011111113413592397,960,02710,760</p><p>0,0004166673453551332,20,02110,820</p><p>0,0005555563383623197,280,02110,820</p><p>0,0006944443303705328,80,02110,820</p><p>0,0008333333213706527,780,02110,820</p><p>0,00097222231238910257,940,02110,820</p><p>0,00111111130239912922,340,02110,820</p><p>Tubo 1</p><p>(Liso)</p><p>Tubo 2</p><p>(Liso)</p><p>Tubo 3</p><p>(Rugoso)</p><p>image13.emf</p><p>Área do Tubo</p><p>(m</p><p>2</p><p>)</p><p>Velocidade</p><p>média (m/s)</p><p>Número de</p><p>Reynolds</p><p>Queda de</p><p>Pressão</p><p>(Pa/m)</p><p>Queda de</p><p>Pressão (hf)</p><p>fator de</p><p>Atrito (f)</p><p>Perda de</p><p>Carga (hd)</p><p>Potência da</p><p>Bomba (W)</p><p>0,0002164240,0005347935801,06459,876543210,1090782550,00053,54163E-084,84E-02</p><p>0,0002164240,0007130547734,752720,987654320,2317912920,00131,59927E-072,92E-01</p><p>0,0002164240,0008913159668,440934,567901230,3817738930,00234,33849E-079,89E-01</p><p>0,0002164240,0010695771602,129146,913580250,5181217120,00297,99079E-072,19E+00</p><p>0,0002164240,0012478383535,817366,666666670,7362782220,00431,61365E-065,15E+00</p><p>0,0002164240,001426195469,505483,950617280,9271651690,00532,55882E-069,33E+00</p><p>0,0005768040,0002006621929,80342,6315789470,0272695640,00073,85137E-093,03E-03</p><p>0,0005768040,0002675429239,73786,5789473680,0681739090,00242,40711E-082,52E-02</p><p>0,0005768040,0003344336549,67239,2105263160,0954434730,00314,71793E-086,18E-02</p><p>0,0005768040,0004013243859,606711,842105260,1227130370,00357,79903E-081,23E-01</p><p>0,0005768040,000468251169,541218,421052630,1908869470,00631,88717E-073,46E-01</p><p>0,0005768040,0005350958479,475723,684210530,2454260740,00793,11961E-076,54E-01</p><p>0,0003496670,00033128165,766412,195121950,1363478190,00336,94813E-087,57E-02</p><p>0,0003496670,0004413437554,355229,268292680,3272347660,01084,00213E-075,81E-01</p><p>0,0003496670,0005516746942,94448,78048780,5453912760,01921,1117E-062,02E+00</p><p>0,0003496670,0006620156331,532859,756097560,6681043130,02001,66825E-063,63E+00</p><p>0,0003496670,0007723465720,121693,902439021,0498782060,03634,11955E-061,05E+01</p><p>0,0003496670,0008826775108,7104118,29268291,3225738440,04416,5375E-061,90E+01</p><p>image14.png</p><p>image15.png</p><p>image16.png</p>