UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAPÁ COLEGIADO DE ENGENHARIA QUÍMICA FENÔMENOS DE TRANSPORTE I CÁLCULO DE PERDA DE CARGA DA CAIXA D’ÁGUA DA UEAP ATÉ O LABORATÓRIO DE BOTÂNICA JÉSSICA ALVES DA SILVA MANOEL RODRIGUES DA SILVA PATRÍCIA DE FREITAS ROBSON OLIVEIRA 1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAPÁ COLEGIADO DE ENGENHARIA QUÍMICA FENÔMENOS DE TRANSPORTE I CÁLCULO DE PERDA DE CARGA DA CAIXA D’ÁGUA DA UEAP ATÉ O LABORATÓRIO DE BOTÂNICA Trabalho apresentado como parte da avaliação final da disciplina de Fenômenos de Transporte I, no curso de Engenharia Química da Universidade do Estado do Amapá, sob orientação do prof. Ms. Marcos Danilo. 2 SUMÁRIO INTRODUÇÃO ................................................................................ 04 1. PERDA DE CARGA .................................................................. 05 1.1. PERDA DE CARGA DISTRIBUÍDA ...................................... 05 1.2. PERDA DE CARGA LOCALIZADA ...................................... 07 2. CÁLCULO DE PERDA DE CARGA .......................................... 09 2.1. CÁLCULO DE PERDA DE CARGA LOCALIZADA .............. 11 2.2. COMPRIMENTO EQUIVALENTE ........................................ 11 2.3. COEFICIENTE DE PERDA EM FUNÇÃO DA CARGA 12 CINÉTICA ............................................................................ 3. CÁLCULO DA PERDA DE CARGA DA CAIXA D’ÁGUA ATÉ 16 O LABORATÓRIO DE BOTÂNICA ........................................... ANÁLISE DE DADOS ........................................................... 16 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................. 22 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................ 23 3.1. 3 INTRODUÇÃO Perda de carga é a energia perdida pela unidade de peso do fluido quando este escoa. Fatores podem afetar este escoamento, como: rugosidade do material, densidade, velocidade, diâmetro, etc. O presente trabalho considerou o escoamento da caixa d’água da Universidade do Estado do Amapá-UEAP, até as torneiras do laboratório. Para a realização dos cálculos foi necessário o trabalho em campo para medidas de comprimento, especificação dos materiais das tubulações, planta da área com identificação dos joelhos e “T”s e diâmetros em cada trecho da tubulação. Após pode-se então realizar os cálculos, conforme aqui demonstrados. 4 1 PERDA DE CARGA O escoamento interno em tubulações sofre forte influencia das paredes, dissipando energia em razão do “atrito” viscoso das partículas fluídas. As partículas em contato com a parede adquirem a velocidade da parede e passam a influir nas partículas vizinhas por meio da viscosidade da turbulência, dissipando energia. Essa dissipação de energia provoca redução da pressão total do fluido ao longo do escoamento, denominada perda de carga, (ROMA, 2006). Em suma, perda de carga é a energia perdida pela unidade de peso do fluido quando este escoa. A perda de carga que ocorre nos escoamentos sob pressão tem duas causas distintas: a primeira é a parede dos dutos retilíneos, que leva a uma perda de pressão distribuída ao longo do comprimento do tubo, fazendo com que a pressão total diminua gradativamente ao longo do comprimento e por isso é denominada perda de carga distribuída; a segunda causa de perda de carga é constituída pelos assessórios de canalização, isto é, as diversas peças necessárias para montagem da tubulação e para o controle do fluxo do escoamento, as quais provocam variação brusca da velocidade, em módulo ou direção, intensificando a perda de energia nos pontos onde estão localizados, sendo conhecidas como perdas de cargas localizadas. No cotidiano a perda de carga é muito utilizada, principalmente em instalações hidráulicas. Por exemplo, quanto maior as perdas de cargas em uma instalação de bombeamento, maior será o consumo de energia da bomba. Para estimar o consumo real de energia é necessário que o cálculo das perdas seja o mais preciso possível. 1.1 PERDA DE CARGAS DISTRIBUÍDAS Poucos problemas mereceram tanta atenção ou foram tão investigados quanto o da determinação das perdas de carga nas canalizações. As dificuldades que se apresentam ao estudo analítico da questão são tantas que levaram os pesquisadores às investigações experimentais" (AZEVEDO NETO ET al, 2003 apud BRAGA 2009) . Assim foi que meados do século 19 os engenheiros hidráulicos Remi P.G. 5 Darcy (1803-1858) e Julius Weisbach (1806-1871), após inúmeras experiências estabeleceram uma das melhores equações empíricas para o cálculo da perda de carga distribuída ao longo das tubulações, porém foi só em 1946 que Rouse vem a chamá-la de "Darcy-Weisbach", porém este nome não se torna universal até perto de 1980. A equação de Darcy-Weisbach é também conhecida por fórmula Universal para cálculo da perda de carga distribuída. A parede dos dutos retilíneos causa uma perda de pressão distribuída ao longo do comprimento do tubo, fazendo com que a pressão total vá diminuindo gradativamente ao longo do comprimento. Nas figuras abaixo, pode-se melhor compreender acerca das perdas de cargas distribuídas: Figura 01: Visualização de perdas de superfície no contato do fluído e a parede do tubo. Fonte: BRAGA, 2009. Figura 2: Modelos matemáticos utilizados na determinação de perdas de superfície no contato do fluído e a parede do tubo. Fonte: BRAGA, 2009. Figura 3: Material e condições dos tubos influenciam diretamente no aumento de perda de carga em tubulações. 6 Fonte: BRAGA, 2009. 1.2 PERDAS DE CARGAS LOCALIZADAS Este tipo de perda de carga ocorre sempre que o escoamento do fluido sofre algum tipo de perturbação, causada, por exemplo, por modificações na seção do conduto ou em sua direção. Tais perturbações causam o aparecimento ou o aumento de turbulências, responsáveis pela dissipação adicional de energia. As perdas de carga nesses locais são chamadas de perdas de carga localizadas, ou perdas de carga acidentais, ou perdas de carga locais, ou ainda, perdas de carga singulares. Alguns autores denominam as mudanças de direção ou de seção de singularidades. Em suma, pode-se dizer que este tipo de perda é causado pelos acessórios de canalização isto é, as diversas peças necessárias para a montagem da tubulação e para o controle do fluxo do escoamento, que provocam variação brusca da velocidade, em módulo ou direção, intensificando a perda de energia nos pontos onde estão localizadas. O escoamento sofre perturbações bruscas em pontos da instalação tais como em válvulas, curvas, reduções, expansões, emendas entre outros. Figura 4: Representação da turbulência (responsável pela perda de carga localizada) em singularidades inseridas numa instalação de recalque. 7 Fonte: BRAGA, 2009. Figura 5: Tubulações compostas por muitas conexões apresentam uma perda de carga relativamente alta. Fonte: BRAGA, 2009. Figura 6: Cada componente apresenta um valor específico de perda de carga Fonte: BRAGA, 2009. 8 2 CÁLCULOS DAS PERDAS Para o cálculo desta perda pode-se utilizar inúmeras expressões que foram determinadas experimentalmente, porém aqui citarei a Fórmula Universal ou de Darcy-Weisbach, sendo a fórmula recomendada para cálculo de perda de carga pela Associação Brasileira de Normas e Técnicas (ABNT) (ROMA, 2006): 1 𝐿 ∆𝑝 = 𝑓 𝜌𝑣 2 2 𝐷 𝜀 𝑓 = 𝑓 (𝑅𝑒𝑦, ) 𝐷 Onde: Δp = variação de pressão f = coeficiente de perda de carga ρ = densidade v = velocidade L = comprimento D = diâmetro 𝜀 = rugosidade É conveniente relembrar que um escoamento pode ser classificado duas formas, turbulento ou laminar. No escoamento laminar há um caminhamento disciplinado das partículas fluidas, seguindo trajetórias regulares, sendo que as trajetórias de duas partículas vizinhas não se cruzam. Já no escoamento turbulento a velocidade num dado ponto varia constantemente em grandeza e direção, com trajetórias irregulares, e podendo uma mesma partícula ora localizar-se próxima do eixo do tubo, ora próxima da parede do tubo. Em geral, o regime de escoamento na condução de fluídos no interior de tubulações é turbulento, exceto em situações especiais, tais como escoamento a baixíssimas vazões e velocidades. Os valores do coeficiente f são apresentados em forma gráfica, conhecida como diagrama de Moody, amplamente utilizado nos cálculos de perda de carga (ROMA, 2006). 9 O diagrama de Moody, apresenta, para um número de Reynolds menor que 2000, uma curva única para qualquer rugosidade relativa, que aparece no gráfico logarítmico como uma reta. Para valores do número de Reynolds acima de 2000, o valor de f depende da rugosidade relativa e são apresentadas diversas curvas tendo a rugosidade relativa como parâmetro. Segundo Roma (2006), pode-se notar que, quanto maior a rugosidade relativa, menor a dependência do fator de atrito em relação ao número de Reynolds. Figura 7: Diagrama de Moody Fonte: http://raulsmtz.wordpress.com/2011/03/30/diagrama-de-moody/ Tabela 01: rugosidades médias absolutas de alguns materiais. Material Aço laminado novo Aço laminado usado Aço galvanizado Aço soldado liso Alvenaria de pedra fina Alvenaria de pedra grosseira Alvenaria de tijolo Cobre Concreto alisado Concreto centrifugado Rugosidade média mm 0,0015 0,046 0,15 Material Rugosidade média mm 1,5 - 3 1 - 1,5 0,26 - 1 1 - 2,5 Ferro fundido c/ incrustação Ferro fundido enferrujado Ferro fundido novo Ferro fundido revestido c/ asfalto Madeira aplainada 8 - 15 Madeira bruta 1 - 2,5 Polietileno PVC rígido Vidro 0,001 0,005 0,0015 0,1 5 0,0015 0,3 - 0,8 0,07 0,12 - 0,26 0,2 - 0,9 Fonte: http://www.mspc.eng.br/fldetc/fluid_0550.shtml#tab_rugosid_abs 10 2.1 CÁLCULO DE PERDA DE CARGA LOCALIZADA A perda localizada ocorre sempre que um acessório é inserido na tubulação, seja para promover a junção de dois tubos, para mudar a direção do escoamento, ou, ainda para controlar a vazão. Nos acessório, alterações na organização das linhas de corrente provocam perdas adicionais na posição em que ele se encontra. Em razão desse caráter localizado da ocorrência da perda de carga ela é considerada concentrada no ponto, provocando uma queda acentuada da pressão no curto espaço compreendido pelo acessório. O cálculo da perda localizada depende de coeficientes experimentais, estabelecidos com o auxílio da análise dimensional e medidos a partir de uma amostra estatística retirada de uma partida de fabricação dos acessórios. A perda no acessório pode ser quantificada por dois critérios distintos, mas intimamente relacionados. 2.2 COMPRIMENTO EQUIVALENTE É definido como comprimento de tubulação, 𝑙𝑒𝑞 , que causa a mesma perda de carga que o acessório. Os comprimentos equivalente dos acessórios presentes na tubulação são adicionados ao comprimento físico da tubulação, fornecendo um comprimento equivalente, 𝐿𝑒𝑞 . Matematicamente, o comprimento equivalente pode ser calculado pela expressão da equação abaixo (ROMA, 2006): 𝐿𝑒𝑞 = 𝐿 + ∑ 𝑙𝑒𝑞 Esse comprimento equivalente permite tratar o sistema de transporte de fluidos como se fosse constituído apenas por perdas distribuídas. O comprimento equivalente de cada tipo de acessório é determinado experimentalmente e o valor obtido é válido somente para o tubo usado no ensaio. Para uso em tubos diferentes, os valores devem ser corrigidos em função das características do novo tubo. 11 2.3 COEFICIENTE DE PERDA EM FUNÇÃO DA CARGA CINÉTICA O acessório tem sua perda de carga localizada calculada pelo produto de um coeficiente característico pela carga cinética que o atravessa. Cada tipo de acessório tem um coeficiente de perda de carga característico, normalmente indicado pela letra k. A perda causada pelo acessório, em Pa, é calculada pela expressão (ROMA, 2006): 1 ∆𝑝𝑖 = 𝑘𝑖 𝜌𝑉 2 2 A perda de carga total do sistema é dada pela somatória das perdas de carga dos acessórios mais a perda distribuída do tubo, resultando na expressão indicada na equação abaixo, na qual a carga cinética foi colocada em evidencia (ROMA, 2006): ∆𝑝 = (𝐶𝑓 𝐿 1 + ∑ 𝑘𝑖 ) 𝜌𝑉 2 𝐷 2 O método de cálculo pela carga cinética é mais geral, pois o valor do coeficiente k não depende do tubo usado no ensaio, como ocorre com o comprimento equivalente. Tabela 02: coeficiente k para acessórios de tubulação escolhida: Descrição Visualização Valores do coeficiente Entrada abrupta k = 0,50 Entrada com grelha Área de passagem % Entrada cônica k = 0,20 Entrada estendida k = 0,85 Valor de k 70 2,00 60 3,00 50 5,00 12 Entrada suavizada k = 0,03 Expansão abrupta (seção circular) Fórmula: k = [1 - (d/D)2]2 Expansão gradual (seção circular) Filtros de tela metálica Grelhas S/ imagem Juntas de dilatação S/ imagem Obstáculo (barra retangular atravessada em duto de seção circular) Obstáculo (perfil aerodinâmico atravessado em duto de seção circular) Obstáculo (tubo k = 10 a 20 Grelha com área de passagem 80 / 90%: k = 1,2 para tipo simples k = 1,5 para tipo com registro k = 1,20 a 1,60 Relação d/D 0,10 0,25 0,50 Relação d/D 0,10 0,25 0,50 Relação d/D Valor de k 0,70 1,40 4,0 Valor de k 0,07 0,23 0,90 Valor de k atravessado em duto 0,10 0,20 de seção circular) 0,25 0,55 0,50 2,0 Radiadores Registro angular 90º Registro de esfera Registro de gaveta S/ imagem Totalmente aberto Totalmente aberto 1/3 fechado 2/3 fechado Totalmente aberto 1/4 fechado 1/2 fechado 3/4 fechado k = 2,0 a 3,0 k = 2,0 k=0,05 k=5,5 k = 20,0 k=0,15 k=0,25 k=2,1 k = 17,0 Registro tipo macho 3 Passagem direta - k=0,5 a 1,5 13 vias aberto Passagem a 90º - k = 2,0 a 4,0 aberto Totalmente aberto k = 0,50 a 4,0 k = 1,00 Registro tipo globo Saída abrupta Saída com grelha Área de passagem % 70 60 50 Valor de k 3,00 4,00 6,00 Relação de áreas s/S 0,25 0,50 0,75 1,00 k = 1,00 Valor de k 2,4 1,9 1,5 1,0 Saída cônica Saída de tubulação (seção circular) em orifício Saída suavizada Separadores de S/ imagem líquido Transformação de posição (seção retangular) União de rosca S/ imagem Válvula de retenção S/ imagem Venezianas k = 5 a 10 k = 0,15 k = 0,08 k = 0,4 a 2,0 Tipo simples e com registro, área de passagem 60%: k = 1,5 Fonte: http://www.mspc.eng.br/fldetc/fluid_06A1.shtml Tabela 3: Valores de kf de válvulas e acessórios Tipo de união ou válvula kf Joelho de 45º, padrão 0,35 Joelho de 45º, raio longo 0,20 14 Joelho de 90º, padrão 0,75 Raio longo 0,45 Canto Vivo 1,30 Curva de 180º 1,50 Tê (padrão), Usada ao longo do tubo principal, com derivação fechada. 0,60 Usada como joelho, entrada no tubo principal. 1,30 Usada como joelho, entrada na derivação 1,30 Escoamento em derivação 1,80 Luva 0,04 União 0,04 Válvula gaveta, aberta ¾ aberta 0,17 b 0,90 ½ aberta b 4,50 ¼ aberta b 24,0 Válvula de diafragma, aberta 2,30 ¾ aberta b 2,60 ½ aberta b 4,30 ¼ aberta b 21,0 Fonte: www.unicamp.br/fea/ortega/aulas/aula09_perdasAcessorios.ppt 15 Tabela 4: Coeficientes de perda de carga localizada (kf) para escoamento laminar através de válvulas e acessórios Fonte: www.unicamp.br/fea/ortega/aulas/aula09_perdasAcessorios.ppt 3. CÁLCULO DA PERDA DE CARGA DA CAIXA D’ÁGUA ATÉ O LABORATÓRIO DE BOTÂNICA Formulário: Velocidade: 𝑉 = 𝑉𝑎 𝐴 𝐷 Área: 𝜋. ( 2 )2 𝑅𝑒 = 𝜌.𝑈∞.𝑥 𝜇 Onde: Va = vazão A= Área Onde: π = 3,14 D = diâmetro Onde: U∞ = vazão x= comprimento (m) Observação: Os cálculos de vazão foram feitos anteriormente na disciplina de Estequiometria industrial. 3.1 ANÁLISE DE DADOS a) Caixa d’água Altura (h): 7 metros Diâmetro (D): 60 mm Material: aço galvanizado Vazão: 0,015 m3/s Área: 0,2826 m2 Velocidade: 5,44 m/s Re = 3,6 x 105 f = 0,05 𝜀 = 0,0025 m a.1) 1º estrangulamento e joelho Diâmetro (D): 32 mm 16 2º joelho Diâmetro: 32 mm 3º joelho Vazão: 0,015 m3/s Área: 0,080384m2 Velocidade: 18,75 m/s Re = 6,7 x 105 f = 0,011 b) Comprimento 1 𝜀 = 0,00005 m Diâmetro (D): 32 mm Comprimento (L): 43,5m Área: 0,080384m2 Material: PVC Vazão: 0,015 m3/s Velocidade: 18,75 m/s Re = 6,7 x 105 f = 0,011 4º joelho Diâmetro (D): 32mm 𝜀 = 0,00005 m Comprimento (L): 12,6m 5º “T” Diâmetro (D): 32mm Comprimento (L): 31,1m 2º estrangulamento e “T” c) Entrada das pias Diâmetro (D): 25mm Comprimento (L): 1,85m Área: 0,00490625m2 Vazão: 0,015 m3/s Velocidade: 30,61 Re = 8,5 x 105 f = 0,01 𝜀 = 0,00005 m 7º joelho Altura: 2,8m 8º “T” d) 1ª pia: Comprimento (L): 0,6m Diâmetro (D): 20mm Vazão: 0,015 m3/s Área: 0,000314m2 Re = 10,66 x 105 f = 0,03 𝜀 = 0,0075 m Velocidade: 47,77 m/s 9º joelho e) 2º pia: f) Comprimento (L): 0,3m Diâmetro (D): 20mm 17 Vazão: 0,015 m3/s Área: 0,000314m2 Velocidade: 47,77 m/s Re = 10,66 x 105 f = 0,03 𝜀 = 0,0075 - Características da água à 25ºC (FOX, 2006, p. 719.) (ρ): 997 kg/m3 μ = 8,93.10-4 Ns/m2 Utilizando a fórmula geral para perda de carga localizada: 1 𝐿 ∆𝑝𝑡 = 𝜌𝑉 2 (𝑓 + ∑ 𝐾𝑒 ) 2 𝐷 Calculando do somatório de comprimentos equivalentes: ∑ K em v = 5,44m/s Acessório Qtd. 2 Curva raio longo K k total 0,75 1,5 K k total ∑ K em v = 18,75m/s Acessório Qtd. 5 Tê bilateral 1,80 9 3 Curva raio longo 0,75 2,25 1 Crivo 0,75 0,75 ∑ 𝑘𝑒 = 12 ∑ K em v = 30,61m/s 18 Acessório Qtd. K k total 2 Tê bilateral 1,80 3,6 6 Curva raio longo 0,75 4,5 1 Crivo 0,75 0,75 ∑ 𝑘𝑒 = 8,85 Torneira 1 1 registro (gaveta aberta) K=0,2 Torneira 2 1 registro (gaveta aberta) K=0,2 Para velocidade igual a 5,44m/s, temos: 1 𝐿 ∆𝑝𝑒 = 𝑓 ( . 𝜌. 𝑣 2 . ) 2 𝐷 1 7 ∆𝑝𝑒 = 0,05 ( . 977. (5,442 ). ) 2 0,06 ∆𝑝𝑒 = 86050,8052 𝑘𝑔 𝑠. 𝑚 Para velocidade igual a 18,75m/s, temos: 1 90,88 ∆𝑝𝑒 = 0,011 ( . 977. (18,752 ). ) 2 0,032 ∆𝑝𝑒 = 5474893,098 𝑘𝑔 𝑠. 𝑚 Para velocidade igual a 30,61m/s, temos: 1 8,72 ∆𝑝𝑒 = 0,01 ( . 977. (30,612 ). ) 2 0,025 ∆𝑝𝑒 = 1629177,104 𝑘𝑔 𝑠. 𝑚 Para 1ª torneira, temos: 1 0,2 ∆𝑝𝑒 = 0,03 ( . 977. (47,772 ). ) 2 0,020 19 ∆𝑝𝑒 = 341296,0472 𝑘𝑔 𝑠. 𝑚 Para 2ª torneira, temos: 1 0,2 ∆𝑝𝑒 = 0,03 ( . 977. (47,772 ). ) 2 0,020 ∆𝑝𝑒 = 341296,0472 𝑘𝑔 𝑠. 𝑚 ∆𝑝𝑒(𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙) = 7872686,102 𝑘𝑔 𝑠. 𝑚 1 ∆𝑝𝐿 = ∑ 𝐾𝑒 ( . 𝜌. 𝑣 2 ) 2 Para velocidade igual a 5,44m/s, temos: 1 ∆𝑝𝑙 = 01,5 ( . 977. (5,442 )) 2 ∆𝑝𝑙 = 22128,6144 𝑘𝑔 𝑠. 𝑚 Para velocidade igual a 18,75m/s, temos: 1 ∆𝑝𝑙 = 12 ( . 977. (18,752 )) 2 ∆𝑝𝑙 = 2103046,875 𝑘𝑔 𝑠. 𝑚 Para velocidade igual a 30,61m/s, temos: 1 ∆𝑝𝑙 = 8,85 ( . 977. (30,612 )) 2 ∆𝑝𝑙 = 4133663,238 𝑘𝑔 𝑠. 𝑚 Para 1ª torneira, temos: 20 1 ∆𝑝𝑙 = 0,2 ( . 977. (47,772 )) 2 ∆𝑝𝑙 = 227512,6981 𝑘𝑔 𝑠. 𝑚 Para 2ª torneira, temos: 1 ∆𝑝𝑙 = 0,2 ( . 977. (47,772 )) 2 ∆𝑝𝑙 = 227512,6981 𝑘𝑔 𝑠. 𝑚 ∆𝑝𝑙(𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙) = 6713864,124 𝑘𝑔 𝑠. 𝑚 ∆𝑝 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = ∆𝑝𝑒 + ∆𝑝𝑙 ∆𝑝 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 7872686,102 + 6713864,124 ∆𝑝 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 14586550,23 ~ 1.5. 107 𝑘𝑔 𝑠. 𝑚 𝑘𝑔 𝑠. 𝑚 21 CONSIDERAÇÕES FINAIS Ao término deste trabalho, pode observar na prática como se processo a perda de carga em uma tubulação. Este estudo foi de grande valia para melhor aprendermos a utilizar as tabelas e aplicar os valores de coeficientes e tabelas, além de tomarmos melhor conhecimento das fórmulas. Pode- se perceber a complexidade dos cálculos que serão realizados na vida profissional do engenheiro. 22 REFERÊNCIA BIBLOIOGRÁFICA BRAGA, Camilla Cantuária. Perda de carga. Disponível em: <http://www.ebah.com.br/busca.buscar.logic?q=Perda%20de%20carga+Engenharia %20de%20Produ%C3%A7%C3%A3o>. Acesso em 19 jun 2011. FOX, Robert W. et al. Introdução à mecânica dos fluídos. Rio de Janeiro: Anthares, 2006. ROMA, Woodrow Nelson Lopes. Fenômenos de Transporte para Engenharia. 2.ed. São Carlos: RiMa, 2006. 23