UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
EXPERIMENTO DE PERDA DE CARGA
ITATIBA 2017 1
UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
EXPERIMENTO DE PERDA DE CARGA Giovane Franzine
002201500699
João Paulo Ribeiro
002201500689
Leonardo Panachi
002201500531
Tiago D. F. Nogueira
002201500922
Trabalho elaborado para apresentação à disciplina Hidráulica de Condutos Forçados do Curso de Engenharia Civil da Universidade São Francisco, sob orientação da M.ª Cristina das Graças Fassina, como requisito para obtenção de média semestral.
ITATIBA 2017 2
Lista de figuras e tabelas Figura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 Figura 5 Figura 6
07 08 08 08 08 09
Tabela 1 Tabela 2 Tabela 3 Tabela 4
14 14 14 14
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Sumário Introdução Objetivo Metodologia Materiais Métodos Resultados Cálculos Realizados Conclusão Referência
05 06 07 07 09 10 11 15 16
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Introdução O estudo da perda de carga em condutos forçados, onde a pressão interna é diferente da pressão atmosférica, é de suma importância para o correto dimensionamento de sistemas de bombeamento e de tubulações, perda de carga pode ser definida como sendo a perda de energia que o fluido sofre durante o escoamento em uma tubulação. Sempre que um fluido se desloca no interior de uma tubulação ocorre atrito deste fluido com as paredes internas desta tubulação, ocorre também uma turbulência do fluido com ele mesmo, este fenômeno faz com que a pressão que existe no interior da tubulação vá diminuindo gradativamente à medida com que o fluido se desloque, esta diminuição da pressão é conhecida como “Perda de Carga”. Desta forma a perda de carga seria uma restrição à passagem do fluxo do fluido dentro da tubulação, esta resistência influenciará diretamente na altura manométrica de uma bomba hidráulica e sua vazão volumétrica. A perda de carga distribuída onde as paredes dos dutos causam uma perda de pressão distribuída ao longo do comprimento do tubo, fazendo com que a pressão total vá diminuindo gradativamente ao longo do comprimento e por isso e denominada de Perda de Carga Distribuída. Já a perda de carga localizada pode ser calculada em diversos tipos de conexões, aparelhos ou particularidades em determinados pontos da tubulação.
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Objetivo O presente relatório tem como objetivo revisar os conceitos t eóricos de perda de carga, usando um modelo hidráulico no laboratório no qual foi feito os experimentos de acordo com 3 vazões diferentes fornecidas, e demonstrar a importância de suas aplicações em sistemas hidráulicos, levando em conta as perdas por atrito e por componentes instalados nas tubulações, bem como proporcionar experiência, entendimento das formas de transformação de energia e sua importância para o dimensionamento e operação de sistemas hidráulicos.
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Metodologia Esta pratica foi realizada com auxílio de uma bancada composta por tubulações, conexões, e instrumentos de medidas de vazão e pressão, afim de obter resultados referentes a perde de cargas, conforme descrito no item 3.1 e procedimentos conforme métodos descritos no item 3.2.
3.1 Materiais Foi utilizado uma bancada didática para experimento de perda de carga, onde é composta por, 7 tubulações de diferentes diâmetros e materiais dentre eles cobre, PVC e aço galvanizado. Sistemas de análise de perda de carga localizada, dentre eles: registros de gaveta, esfera, filtros, rugosidades variadas, curvas de raios curto e longo, cotovelos, expansão e contração súbita, possibilitando escoamentos alternativos ao longo do sistema. Ponto de aquisição de pressão do tipo pneumática ao longo das tubulações. Manômetro Bourdon para monitoramento de pressão. Tubo de Venturi confeccionado em acrílico. Reservatório para medição volumétrica. Piezômetro de três linhas (XL10) Medidor de pressão software (MDD30V2).
diferencial
com
aquisição
de
dados
e
Rotâmetro, medidor de vazão.
Figura 1- Bancada Didática 7
Figura 2 – Medidos de Pressão Diferencial
Figura 3 – Rotâmetro
Figura 4 – Conexões (Joelho 45º, curva 90º)
Figura 5 – Tubos (liso, rugoso, ¾” e ½”) 8
Figura 6 - Piezômetro
3.2 Métodos
Primeiro foi estabelecido três tipos de vazões (1500, 2500 e 3500 litros por hora) para realização dos ensaios. Método de análise com medidor de pressão diferencial digital para tubo liso. A bomba hidráulica foi acionada para início do experimento. Após isso foi realizado regulagem de vazão no rotâmetro, foi escolhido o tubo de ¾” liso de comprimento 1,36 metros, em seguida o registro foi aberto e o fluido foi direcionado ao medidor de pressão diferencial por meio de mangueiras em dois pontos distintos (início e fim), assim foi verificado a perda de carga total distribuída em metros. Este ensaio foi realizado três vezes com vazões distintas.
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Método de análise com medidor de pressão diferencial digital, para tudo rugoso. Outro ensaio foi realizado com tubo de ¾” rugoso, onde foi aplicada a mesma metodologia afim de obter a perda de carga distribuída em metros. Este ensaio foi realizado três vezes com diferentes vazões. Método de análise utilizando piezômetro, para obtenção de perdas de carga localizadas em duas peças diferentes. A bomba hidráulica foi acionada para início do experimento. Após isso foi realizado regulagem de vazão no rotâmetro, foram escolhidos duas peças para análise de perda de carga localizada (joelho de 45º e curva de 90º), foram colocadas mangueiras antes e depois de cada conexão, em pontos conhecidos, afim de verificar a pressão inicial de final de cada ponto, esta análise foi feita com ajuda de um piezômetro onde obteve o valor de três colunas d’agua em milímetros, assim obtendo em cálculos o resultado da perda de carga localizadas em cada peça.
Resultados Para determinação dos valores das Tabelas abaixo foram utilizadas as seguintes fórmulas: 1,75
J
0,000824
Q D
4,75
J=∆H/L
Le=∆H/J*
*J obtido no experimento perda de carga distribuída referente ao tubo liso (J= ∆H/L) ∆H = Perda de Carga (m) D = Diâmetro do Conduto (m) Q = Vazão (m³/s) J = Perda de Carga Unitária (m/m) Le = Comprimento Equivalente (m)
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Transformações de unidades de medidas: D = 21mm = 0,021m Q = 1500 l/h = 4,16 x10-4 m³/s Q = 2500l/h = 6,94 x10-4 m³/s Q= 3500l/h = 9,72 x10-4 m³/s L = 136 cm = 1,36m
Cálculos Realizados: Perda de carga unitária (Tubo liso ¾”)
Para Q=4,16x10-4 m³/s J = 0,1/1,36 = J = 0,0735 m/m
Para Q=6,94x10-4 m³/s J = 0,2/1,36 = J = 0,1471 m/m
Para Q=9,72x10-4 m³/s J = 0,5/1,36 = J = 0,3676 m/m
Perda de carga unitária FLAMANT (Tubo liso ¾”)
Para Q=4,16x10-4 m³/s J = 0,000824 x (0,000416^1,75) / (0,021^4,75) = J = 0,0930 m/m
Para Q=6,94x10-4 m³/s J = 0,000824 x (0,000694^1,75) / (0,021^4,75) = J = 0,2279 m/m
Para Q=9,72x10-4 m³/s J = 0,000824 x (0,000972^1,75) / (0,021^4,75) = J = 0,4109 m/m
Perda de carga unitária (Tubo rugoso ¾”) 11
Para Q=4,16x10-4 m³/s J = 0,15/1,36 = J = 0,1103 m/m
Para Q=6,94x10-4 m³/s J = 0,45/1,36 = J = 0,3309 m/m
Para Q=9,72x10-4 m³/s J = 0,80/1,36 = J = 0,5882 m/m
Perda de carga localizadas (Cota1 – Cota2) Conexão 1:
Para Q=4,16x10-4 m³/s ∆H = 583-532 = 51mm => 0,051m
Para Q=6,94x10-4 m³/s ∆H = 729-623 = 106mm => 0,106m
Para Q=9,72x10-4 m³/s ∆H = 945-745 = 200mm => 0,200m
Comprimento Equivalente (Cota 1 – Cota2) (Le = ∆H/J)
Para Q=4,16x10-4 m³/s Le = 0,051/0,0735 = 0,6938m
Para Q=6,94x10-4 m³/s Le = 0,106/0,1471 = 0,7206m
Para Q=9,72x10-4 m³/s Le = 0,200/0,3676 = 0,5441m
Perda de carga localizadas (Cota2 – Cota3) 12
Conexão 2:
Para Q=4,16x10-4 m³/s ∆H = 532-498 = 34mm => 0,034m
Para Q=6,94x10-4 m³/s ∆H = 623-549 = 74mm => 0,074m
Para Q=9,72x10-4 m³/s ∆H = 745-598 = 147mm => 0,147m
Comprimento Equivalente (Cota2 – Cota3) (Le = ∆H/J)
Para Q=4,16x10-4 m³/s Le = 0,034/0,0735 = 0,4626m
Para Q=6,94x10-4 m³/s Le = 0,074/0,1471 = 0,5031m
Para Q=9,72x10-4 m³/s Le = 0,147/0,3676 = 0,3999m
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TUBO LISO 3/4"
PERDA DE CARGA TOTAL
PERDA DE CARGA UNITARIA (J) (m/m)
PERDA DE CARGA UNITARIA (J) (m/m) FLAMANT
Diâmetro (mm)
COMPRIMENTO (L) (m)
VAZAO (m3 /S)
21
1,36
0,000416
0,1
0,0735
0,093
21
1,36
0,000694
0,2
0,1471
0,2279
21
1,36
0,000972
0,5
0,3676
0,4109
(∆H) (m)
Tabela 1 – Tubo liso ¾”
TUBO RUGOSO 3/4" PERDA DE CARGA UNITARIA (J) (m/m)
Diâmetro (mm)
COMPRIMENTO (L) (m)
VAZAO (m3 /S)
PERDA DE CARGA TOTAL
21
1,36
0,000416
0,15
0,1103
21 21
1,36 1,36
0,000694 0,000972
0,45 0,8
0,3309 0,5882
(∆H) (m)
Tabela 2 – Tubo Rugoso ¾”
JOELHO 45º Diâmetro (mm): 21 VAZAO (m3 /S)
CURVA DE 90º Diâmetro (mm): 21
PERDA DE COMPRIMENTO CARGA EQUIVALENTE LOCALIZADA (Le=∆H /J) (m) (∆H) (m)
0,000416 0,000694 0,000972
0,051 0,106 0,2
Tabela 3 – Joelho de 45º
0,6938 0,7206 0,5441
PERDA DE COMPRIMENTO VAZAO CARGA EQUIVALENTE (m3 /S) LOCALIZADA (Le=∆H /J) (m) (∆H) (m)
0,000416 0,000694 0,000972
0,034 0,074 0,147
0,4626 0,5031 0,3999
Tabela 4 – Curva de 90º
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Conclusão
A partir dos cálculos realizados e comparando os resultados obtidos no ensaio com a teoria, pode-se constatar que a perda de carga continua é diretamente proporcional ao comprimento da canalização. Existem várias características que interferem na perda de carga, como o tipo do tubo, o diâmetro, entre outros fatores. Um tubo rugoso tem a perda de carga maior do que um tubo liso, por conta do atrito resultante em seu interior, isso pode ser comparado ao escoamento superficial, onde a agua percorre um trecho c imentado (liso) e outro de pedra com a superfície irregular (rugoso), no trecho liso ela tem menos atrito com a superfície, causando pouca perda de energia dinâmica, diferente do que ocorre no trecho rugoso. Existe também a perda de carga localizada, que é calculada quando a peças especiais (Válvula, registro, medidor de pressão) ou conexões (ampliações reduções, cotovelo, joelho, tês) no sistema, onde estas devido sua forma geométrica, elevam a turbulência dentro do conduto, resultando em perdas de cargas, o que pode ser observado na tabela construída sobre a perda de cargas localizada de joelho de 45º e curva de 90º. Portanto concluímos que análise da perda de carga é muito importante para poder fazer o correto dimensionamento de tubulações e sistemas de bombeamento, como por exemplo as adutoras, assim mantendo sempre uma vazão necessária para suprir o projeto.
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Referências
http://www.labtrix.com.br/bancada-didatica/fluidos-e-hidraulica/xl26.1bancada-de-mecanica-dos-fluidos-com-aquisicao-de-dados http://www.esalq.usp.br/departamentos/leb/disciplinas/Fernando/leb472/A ula_7/Perda_de_carga_Manuel%20Barral.pdf
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