Experimente para determinar a mudança na velocidade do fluxo nos tubos

1 – INTRODUÇÃO

Com o objetivo de Analisar, para diferentes vazões, as perdas de carga distribuídas e localizada em tubulações, elaborou-se o experimento a seguir dentro das normas exigidas pela ABNT. Procurando a maior precisão possível no manejo de cada equipamento, do experimento e dos indivíduos do grupo, fazendo com que os participantes deste, tenham contato na prática com o que se vê na teoria, em seguida comparar os resultados obtidos na prática com os teóricos.

2 – DESENVOLVIMENTO

Ao escoar por um conduto forçado, o fluido é submetido a variações de pressão, decorrentes de variação na elevação da tubulação, da velocidade de escoamento ou ainda do atrito do fluido com a face interna da parede do conduto.

A área da física que estuda esse fenômeno é a Mecânica dos Fluidos, que divide o escoamento quanto à natureza do fluido, relacionada à sua viscosidade, em escoamentos viscosos e não-viscosos. Todos os fluidos possuem viscosidade, mas, para diversas aplicações em engenharia, assumir a hipótese de viscosidade nula, simplifica as análises e oferece resultados satisfatórios.

A viscosidade tem uma influência sobre o perfil de velocidades ao longo de uma dada seção transversal de uma tubulação em análise. Tomando-se como referência o escoamento de um determinado fluido sobre uma placa de comprimento semi-infinito, observa-se a ocorrência de dois regimes distintos quanto à estrutura das linhas de fluxo. No escoamento laminar ou no regime laminar, o fluido se move em camadas, com velocidade constante. As partículas movem-se de forma ordenada, mantendo sempre a mesma posição relativa.

Quando a estrutura dessas linhas de fluxo desenvolve movimentos tridimensionais aleatórios, nas quais os vetores de velocidade das partículas possuem componentes tridimensionais aleatórios, em adição à velocidade média, o escoamento é dito turbulento.

Em tubulações, a variação na velocidade de escoamento está associada não só às diferentes áreas das seções transversais do tubo, como ocorre nas reduções e ampliações, mas também ao grau de aspereza e de regularidade de sua superfície interna.

Em ambos os casos, essa variação na velocidade provoca uma perda de energia hidráulica, denominada de perda de carga, que pode ser dividida em:

- Perda localizada (devido a singularidades, tais como ampliações, reduções, curvas, válvulas com área transversal não constante);

- Perda distribuída (devido ao atrito do fluido com as paredes do conduto, ao longo de toda a sua extensão, com área transversal constante).

A camada de fluido que permanece em contato com as paredes de um determinado corpo dentro de um escoamento é definida como Camada Limite, sendo esse conceito desenvolvido em 1904, por Ludwing Prandtl. Essa camada é medida a partir do contato da mesma com o referido corpo (onde apresenta velocidade nula) até um ponto tal que a velocidade do fluido apresente noventa e nove por cento da velocidade de entrada do fluido no escoamento. Esse fenômeno de variação de velocidade ocorre devido à viscosidade do fluido (atrito viscoso).

No caso em estudo, que trata do escoamento de fluidos incompressíveis ao longo de tubulações, a natureza do escoamento (laminar ou turbulento) é determinada pelo parâmetro número de Reynolds (nome dado em homenagem a Osborne Reynolds, físico e engenheiro hidráulico irlandês), dado pela seguinte expressão:

A perda de carga é classificada em perda de carga contínua, linear ou distribuída (ΔHD) e em perda de carga singular ou localizada (ΔHS). As perdas de carga distribuídas ocorrem devido ao escoamento em trechos retilíneos de tubulaçã o, enquanto que as singulares são originadas em trechos curvos, em peças e dispositivos especiais instalados na linha em estudo. As perdas distribuídas ocorrem devido ao atrito entre as diversas camadas do escoamento e ainda ao atrito entre o fluido e as paredes do conduto (efeito da viscosidade e da rugosidade). A razão entre a perda de carga distribuída (ΔHD) e o comprimento do conduto L, representa o gradiente ou a inclinação da linha de carga e é denominada perda de carga unitária j.

j = ΔHD/L

As perdas localizadas ocorrem devido à descontinuidade do conduto, chamada singularidade, que gera turbulência adicional e maior dissipação de energia. Exemplo de singularidades são cotovelo, curva, tê, alargamento, redução, registro. Essas perdas podem ser obtidas pelo Comprimento Equivalente ou pelo Método do kS.

2.1 Conteúdo Teórico

Um fluido não ideal, ao escoar no interior de um duto, está submetido ao atrito entre as paredes do tubo e entre suas camadas. Logo, a energia inicial do fluido diminui gradativamente, ou seja, ocorre uma perda de carga (∆h) em seu percurso. Considera-se um tubo de diâmetro D, por onde passa uma vazão Q:

Partindo-se da equação de Bernoulli, dada por:

ou

= velocidade do fluido ao longo do conduto

= aceleração da gravidade

= altura com relação a um referencial

= pressão ao longo do recipiente

= massa específica do fluido

O escoamento em uma tubulação pode exigir a passagem do fluido através de vários acessórios, curvas ou mudanças súbitas de área. Perdas de carga são encontradas, sobretudo, devido à separação do escoamento.

As perdas de carga localizadas tradicionalmente são calculadas de duas formas:

H1 = K.V²/2

Onde o coeficiente de perda K deve ser determinado experimentalmente para cada situação, ou

H1 = f.Le/D.V²/2