Perda-carga-e-dimensionamento-reservatorio.pdf

Cálculo de perda de carga dimensionamento do reservatório reservatório

Prof. Eduardo Yuji Sakurada

Florianópolis, 7 de dezembro de 2016

e

Titles you can't find anywhere else

Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.







Sumário 1

Introdução ..................................................................... ....................................................................................................................................... .................................................................. 2

2

Fator de atrito () ........................................................................................... ............................................................................................................................ ................................. 3

3

Perda de carga distribuída ...................................................................... ............................................................................................................... ......................................... 4

4

Perda de carga localizada ......................................................... ................................................................................................................ ....................................................... 4

5

4.1

Perda de carga nas conexões .................................................................... .................................................................................................. .............................. 4

4.2

Perda de carga nas válvulas da linha de pressão ............................................................ .................................................................... ........ 6

4.2.1

Válvula direcional ...................................................................... ............................................................................................................... ......................................... 6

4.2.2

Válvula redutora de vazão .................................................................... .................................................................................................. .............................. 7

4.2.3

Válvula de retenção simples .............................................................. ............................................................................................... ................................. 8

4.2.4

Válvula de retenção retenção com desbloqueio desbloqueio hidráulico .............................................................. 8

4.2.5

Válvula de sequência .............................................................. .......................................................................................................... ............................................ 9

Procedimento organizado ...................................................................... ............................................................................................................... ......................................... 9 5.1

Perda de carga por singularidades ......................................................... .......................................................................................... ................................. 9

5.2

Perda de carga nas válvulas ......................................................... ................................................................................................... .......................................... 10

5.3

Perda de carga total ......................................................... .............................................................................................................. ..................................................... 10

6

Perda térmica ............................................................... ................................................................................................................................ ................................................................. 10

7

Exercício exemplo .......................................................... .......................................................................................................................... ................................................................ 11

8

Dimensionamento do reservatório ................................................................... ............................................................................................... ............................ 13 8.1

Superfície de troca térmica ......................................................... ................................................................................................... .......................................... 13

8.2

Exemplo ................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................ 14







1 Introdução O dimensionamento apresentado nesta apostila segue as orientações d o livro “Automação Hidráulica” de Arivelto Bustamante Fialho. Este documento apresenta os cálculos de perda de carga que ocorrem na linha de pressão do sistema hidráulico e também aborda o dimensionamento do reservatório em função da capacidade de troca de calor. No regime laminar, o fluido tem seu perfil de velocidades representado por camadas, que se deslocam uma sobre as outras. As camadas de fluido em contato com a superfície do tubo estão paradas. As camadas seguintes possuem um deslocamento relativo e progressivo. Assim, a camada que está posicionada na linha de centro do tubo, possui a velocidade máxima da seção transversal. O atrito resultante do deslizamento das camadas, umas sobre as outras, produz a chamada perda de carga. Assim, parte da energia cinética do fluido é dissipada em forma de calor por causa do atrito. Além do atrito existente entre as camadas de fluido, existem componentes hidráulicos (conexões e válvulas) que dificultam o escoamento do fluido, e consequentemente, geram mais perdas de carga. Portanto, a perda de carga pode ser de dois tipos:  Perda de carga distribuída.  Perda de carga localizada. A equação ( equação ( 1 ) é usada para calcular a perda de carga (distribuída + localizada) na linha de pressão do sistema.

 5... ∆ = . .10

(1)

Em que: -  = Fator de atrito [adimensional]. -  = = Massa específica do fluido em [kg/m 3] é igual a 881,1 para o óleo SAE-10. - v = = Velocidade de escoamento do fluido recomendado [cm/s] para linha de pressão. - dt = = Diâmetro interno do tubo comercial em [cm]. - Lt = L 1+L2 = Comprimento total da tubulação [cm] - L1 = Comprimento da tubulação retilínea [cm] - L2 = Comprimento equivalente das singularidades [cm] - P = Perda de carga na tubulação [ bar] -

  = Fator de conversão

Ao utilizar a equação ( equação ( 1 ) deve-se cuidar com o valor do diâmetro a ser adotado. As tubulações são comercialmente especificadas de acordo com o seu diâmetro externo, no entanto, o valor que deve ser usado na equação se refere ao diâmetro interno. A Tabela 1 apresenta os valores de diâmetros externos e internos das tubulações fornecidas pela empresa Ermeto.







Tabela 1 – Diâmetro Diâmetro de tubos comerciais (Ermeto)

2 Fator de atrito ( ) O fator de atrito ou coeficiente de resistência de Darcy-Weisbach, é um parâmetro adimensional que é utilizado para calcular a perda de carga em uma tubulação. Seu valor pode variar com a rugosidade relativa









64  75  90 

Tabela 2 - Fator de atrito.

Para tubos rígidos e temperatura constante Para tubos rígidos e temperatura variável ou para tubos flexíveis e temperatura constante. Para tubos flexíveis e temperatura variável

3 Perda de carga distribuída A perda de carga distribuída ocorre na tubulação em função do comprimento linear em cm.

4 Perda de carga localizada A perda de carga localizada pode ocorrer nas conexões (luvas, curvas, registros, reduções etc) e nas válvulas.

4.1

Perda de carga nas conexões

As perdas de carga nas conexões podem ser obtidas das Tabelas 3 e 4, cujos valores são obtidos em comprimento equivalente [L2]. Também pode-se obter os valores com os fabricantes de conexões. Tabela 3 - Comprimentos equivalentes (perda de carga por singularidade).







Tabela 4 - Comprimentos equivalentes ( perda de carga por singularidade). Continuação...

A Figura 1 apresenta alguns tipos de conexões citados nas Tabela nas Tabela 3 e Tabela 4. Figura 1 – Ilustração Ilustração dos tipos de conexões.

http://www.easymec.net/Def









4.2

Perda de carga nas válvulas da linha de pressão

Durante a passagem do fluido por meio das válvulas, ocorrem perdas de pressão e estas devem ser contabilizadas no dimensionamento. Os gráficos para obtenção das perdas de carga são obtidos dos catálogos de fabricantes das válvulas. A seguir, serão apresentados os gráficos das válvulas direcionais, válvulas de sequência, válvula redutora de vazão e válvula de retenção.

4.2.1

Válvula direcional Inicialmente é preciso verificar a configuração interna da válvula, ou seja, como as vias se comunicam para diferentes posições de operação da válvula. Para cada configuração é associada uma letra do alfabeto. A Figura 2 apresenta um exemplo das configurações. Figura 2 - Configurações das válvulas direcionais







Após ter a configuração interna da válvula, é necessário verificar a direção do fluxo (P para A, P para B, A para T, B para T). Com isso, descobre-se qual das curvas do gráfico P ressão x Vazão devem ser consultadas. A Figura 3 apresenta o gráfico Pressão x Vazão para diferentes configurações de válvulas direcionais. Figura 3 - Válvula direcional Rexroth







Figura 4 - Válvula redutora de vazão Rexroth

A medida que o número correspondente à “Posição do estrangulamento em rotações” aumenta, para uma mesma vazão, ocorre uma queda da perda de carga. Quando a válvula está com grande abertura, o número tende ao 5, e quando está fechada, tende a zero.

4.2.3

Válvula de retenção simples A Figura 5 apresenta uma válvula de retenção simples e o gráfico de Vazão x Perda de carga. A curva indicada por zero corresponde a uma válvula de retenção sem mola. As curvas indicadas por 1, 2, 3 e 5 correspondem à válvulas cujas pressões de abertura cor respondem à 1, 2, 3 e 5 respectivamente.

Figura 5 - Válvula de retenção simples.







Figura 6 - Válvula de retenção com desbloqueio hidráulico.

4.2.5

Válvula de sequência A Figura 7 apresenta uma válvula de sequência com comando direto. Esta válvula possui um by-pass, o que faz com que quando o óleo vem do ponto B, passa pela retenção e sai em Y, próximo do ponto A. Nesse caso, para medir a perda de carga, deve-se adotar a curva 1 (Sentido B->A). Para o fluido que faz o caminho de A para B, deve-se utilizar a curva 2 para obter a perda de carga. Figura 7 - Válvula de sequência.







Tabela 5 - Perda de carga por singularidades da linha de pressão

Singularidade

Quantidade

Comprimento unidade (cm)

por Comprimento equivalente total (cm)

Total L2 = O comprimento total Lt é calculado com o comprimento da tubulação retilínea (L1) e o comprimento equivalente das singularidades (L2).

 =  +  5.2

(2)

Perda de carga nas válvulas

A Tabela 6 pode ser utilizada para calcular a perda de carga nas válvulas da linha de pressão. Os valores podem ser obtidos com os fabricantes nos gráficos de Vazão x Perda de carga. Tabela 6 - Perda de carga nas válvulas da linha de pressão

Válvula

Quantidade

Perda de carga Perda de carga por unidade (bar) total (bar)

Total dP =

5.3

Perda de carga total A perda de carga total (PT) na linha de pressão será obtida por

 = +



(3)

Onde P é obtida com a equação ( equação ( 1 ) e dP é proveniente da Tabela da Tabela 6.

A finalização do cálculo acontece se a seguinte condição for satisfeita:

 >+ ∆

(4)









Em que:  PT = Perda de carga total [bar], equação ( equação ( 3 )  QB = Vazão fornecida pela bomba hidráulica [l/min]  Q = Perda térmica [kcal/h]  1,434 = Fator de conversão

7 Exercício exemplo Determinar a perda de carga total (PT) e a perda de carga térmica (Q) para o cilindro do sistema abaixo. Dados: (1) Válvula de controle direcional do tipo G (2) Válvula redutora de vazão DRV 8 (posição ( posição 5) PN = 150 bar PTb = 60 bar L1 = 5 m lineares com diâmetro de 5/8” (parede 0,15cm) L2 = 2 tês de passagem direta, 2 curvas 90  de raio longo, 2 cotovelos 90 de raio médio

Vazão máxima do sistema = 40 l/min Viscosidade do óleo:  = 0,45 St (ou 0,45 cm²/s ) Tubos rígidos de temperatura variável







Lt = L1 + L2 Lt = _______________________ _______________________

4º Passo Determinar a perda de carga na linha de pressão

 5... ∆ = . .10

a) Diâmetro interno da tubulação Diâmetro externo da tubulação = ___________________ ___________________ Diâmetro interno (dt) [cm] = ________________

b) Velocidade recomendada para o fluido para 150 bar [cm/s]

v = 121,65 .  , V = ____________________ ____________________ c) Número de Reynolds

= v. 







6º Passo Verificação da condição funcional do sistema

>+ 

7º Passo Cálculo da dissipação térmica (Perda de Potência) [kCal/h]

=1,434.Δ. q = ____________________ ____________________

8 Dimensionamento do reservatório As funções do reservatório são basicamente as do armazenamento do fluido e seu resfriamento por condução e convecção. Existem, portanto, dois pontos a serem analisados:  

Qual o volume mínimo necessário de fluido a ser armazenado no reservatório. Qual a área mínima de superfície necessária para a troca térmica, que permite que a temperatura do óleo baixe para a sua viscosidade ideal de trabalho.

Como regra prática, costuma-se adotar a seguinte regra prática: “O volume de fluido armazenado no reservatório deve ser o suficiente para suprir o sistema por um período de no mínimo três minutos antes que haja o seu retorno, completando o ciclo. ”







8.2

Exemplo

Dimensionar um reservatório para um sistema que opera com uma vazão de bomba QB = 40 l/min e gera uma quantidade de calor q = 3000 kcal/h. A temperatura de operação do sistema hidráulico é de T 2 = 40 oC e a temperatura ambiente é aproximadamente T 1  30 oC.

 ≥3  .40 

=>

 ≥3.  ≥ 

ou 0,120 m3

Cálculo da área para a troca térmica

=..(  )  = .( ) =

  . . (  .℃ ℃− ℃)

=>

S = 23,07 m 2

Imaginando um reservatório prismático, cujas relações dimensionais sejam 3L:2L:1L, e desconsiderando a área referente à tampa superior, que não entra em contato com o fluido, e por isso não participa da superfície de troca térmica. Na realidade participa, mas apenas pelo fenômeno da radiação. S = 2.(3L.L) + 2.(2L.L) + (3L.2L) = 16 L 2 S = 23,07 m 2 = 16 L2

Perda-carga-e-dimensionamento-reservatorio.pdf

Recommend Documents