modulo 3 - mecânica dos fluidos
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Slides sobre Cálculo de perda de carga em tubosTRANSCRIPT
Mecânica de Fluidos II
02/2015
Prof. Lourival Mendes, Dr. Eng.Departamento de Ciências Térmicas e Fluidos - DCTEFSala 2.05 MD [email protected]
Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Introdução
O objetivo do estudo de escoamento em dutos e tubos é avaliar as variações de pressão que resultam do escoamento incompressível em tubos, dutos e sistemas de fluxo. Estas variações são em função de variações de elevação e/ou velocidades. Até o momento estudamos a aplicação da Equação de Bernoulli em escoamentos sem atrito, no caso de escoamentos reais a preocupação principal é com os efeitos do atrito.
As perdas podem ser divididas em perdas distribuídas e perdas localizadas. O desenvolvimento destas equações será para escoamentos com perfil de velocidade constante plenamente desenvolvido.
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Considerações de energia no Escoamento em Tubos
Aplicando a equação de energia no V.C.
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Considerações de energia no Escoamento em Tubos
A equação representa a variação da energia mecânica por unidade de massa entre as seções 1 e 2, ou seja a conversão irreversível da energia mecânica na seção 1 em energia térmica (u
2 – u
1) e perda de energia por
transferência de calor. A soma é conhecida como perda total.
Para o caso de escoamento sem atrito recuperamos Bernoulli, pois α = 1.
( P1ρ +α1
V̄ 12
2+g z1 )−( P2
ρ +α2
V̄ 22
2+g z2)=(u2−u1)−q̇=hlt
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Considerações de energia no Escoamento em Tubos
A equação anterior representa a perda de energia por unidade de massa, mas historicamente expressa-se a perda de energia por unidade de peso do líquido que flui e assim obtemos a perda de carga, que basta dividir a equação anterior por g.
Assim temos:
( P1γ +α1
V̄ 12
2g+z1)−( P2
γ +α2
V̄ 22
2g+z2 )=h p
h p=h pl+hpd
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Distribuídas – Fator de Atrito
Considerando o escoamento permanente incompressível entre as seções 1 e 2 do tubo inclinado de área transversal constante podemos relacionar através de uma análise de dimensional que
Além disso,
De forma que para um tubo horizontal
Δ p
ρV̄ 2 =φ ( lD ,eD,Re )
( P1γ +z1 )−( P2
γ +z2)=hp
gh pV̄ 2 =φ ( lD ,
eD,Re )
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Distribuídas – Fator de Atrito
Experiências mostram que a perda de carga adimensional é diretamente proporcional a L/D. Portanto podemos escrever
O que nos permite adicionar o número ½ e obter a perda de carga adimensional em termos de energia cinética por unidade de massa.
A função φ2 é definida como fator de atrito, f, tal que:
Eq. de Darcy-Weisbach
gh pV̄ 2 =
lD
φ1 ( eD ,Re )
g hp1 /2 V̄ 2 =
lD
φ2 ( eD ,Re )
f≡φ2 (Re ,eD ) h p=f
lDV̄ 2
2 g
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Distribuídas – Fator de Atrito
Para o escoamento laminar temos:
Para o escoamento turbulento em geral utiliza-se a equação de Colebrook:
Sugere-se utilizar a fórmula proposta por Swamee e Jain como uma primeira tentativa e assim realizar um baixo número de iterações
ou
Esta fórmula implícita foi plotada por Moody, gerando o diagrama de Moody
f laminar=64Re
1f 1/2=−2,0 log ( ϵ/d
3,7+
2,51Re f 1/2 )
f o=0,25 [ log ( ϵ/d3,7+
5,74Re0,9 ) ]
−2
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f o=1,325 [ ln (0,27 (ϵd )+
5,74Re0,9 ) ]
−2
Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Distribuídas – Fator de Atrito
Precisão de ± 15%
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Distribuídas – Fator de Atrito
Uma alternativa ao diagrama de Moody é a equação de Haaland
Esta equação possui uma variação da ordem de 2% em relação à de Colebrook
A equação de Swami e Jain é válida dentro da faixa:
10-8 < ε/D < 0,01 e 5000 < Re < 108
1
f 1/2=−1,8 log [ 6,9Re
+( ϵ/d3,7 )
1,11
]
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Distribuídas – Fator de Atrito
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Distribuídas – Fator de Atrito
Exemplo 6.6 White 6º ed.
Calcule a perda de carga e a queda de pressão em 61 metros de um tubo horizontal de ferro fundido asfaltado de 152 mm de diâmetro transportando água com velocidade de 1,83 m/s
Assumindo água a 20º C
fonte: http://www.gilsonitesuppliers.co.uk/industry/4588508543
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Distribuídas – Fator de Atrito
Exemplo 8.6 Fox 8º ed.
Petróleo escoa através de um trecho horizontal do oleoduto em uma vazão de 2,944 m³/s com diâmetro interno de 1,22 m e com rugosidade equivalente ao do ferro galvanizado. A pressão máxima permitida é de 8,27 MPa e a mínima requerida para manter os gases dissolvidos no petróleo é de 344,5 kPa. O petróleo tem densidade de 930 kg/m³ e viscosidade de 1,68.10-2 Ns/m2. Para estas condições determine o espaçamento máximo possível entre as estações de bombeamento. Se a eficiência da bomba é de 85%, determine a potência que deve ser fornecida a cada estação de bombeamento.
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Distribuídas – Fator de Atrito
Exemplo 6.9 White 6º ed.
Óleo com ρ = 950 kg/m3 e ν = 2.10-5 m2/s, escoa através de um tubo de 30 cm de diâmetro e 100 m de comprimento com uma perda de carga de 8 m. A rugosidade relativa é ε/d = 0,0002. Determine a velocidade média e a vazão.
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Localizadas
Além das perdas por atrito do tipo Moody calculada para o comprimento dos tubos, existem perdas adicionais chamadas de perdas localizadas, decorrentes de:
1) Entrada e saída de tubos2) Expansão e contração3) Curvas, cotovelos, tês e outros acessórios4) Válvulas abertas ou parcialmente fechadas
As perdas são medidas experimentalmente e correlacionadas com os parâmetros do escoamento em tubos, tal que:
ΔhP=V 2
2g ( fLD +∑ K )
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Localizadas
Obs. 1 - As perdas devem ser somadas separadas caso o diâmetro do tubo varie pois deve variar com V2.
Obs. 2 - O comprimento L é o comprimento total da linha de centro do tubo incluindo eventuais curvas
Obs. 3 - É possível definirmos a perda localizada como um comprimento equivalente de tubo retilíneo
ΔhP=V 2
2g ( fLD +∑ K )
hPl=fLeDV 2
2g
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Localizadas – Entradas e Saídas
A entrada mal projetada pode causar uma apreciável perda de carga. As perdas de entrada são altamente dependentes da geometria da entrada, mas as perdas de saída não.
Quinas vivas ou saliências na entrada causam grandes zonas de separação do escoamento e grandes perdas.
Ksaida
= 1,0
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Localizadas – Expansões e Contrações
Se a entrada é a partir de um reservatório finito, chama-se contração brusca, CB, entre dois tamanhos de tubo. Se a saída é para um tubo de tamanho finito é chamada de expansão brusca, EB.
K EB=(1−d2
D2 )2
KCB=0,42 (1−d2
D2 )
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Localizadas – Expansão Gradual
O escoamento em uma expansão gradual a velocidade diminui e a pressão aumenta. A perda de carga pode ser alta se o ângulo for grande. A perda de carga é devido ao atrito e a não recuperação da pressão. Assim a perda de carga, baseada na velocidade de entrada fica
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Localizadas – Curvas em Tubos
A perda de carga em uma curva é maior do que a aquela para escoamento completamente desenvolvido em um trecho retilíneo de igual comprimento. A perda adicional é, principalmente, resultado do escoamento secundário.
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Localizadas – Válvulas e Acessórios
As perdas em válvulas e acessórios também podem ser expressas em termos de um comprimento equivalente de tubo retilíneo.
a) Válvula de gaveta
b) Válvula globo
c) Válvula em ângulo
d) Válvula de retenção
e) Válvula de disco
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Perdas Localizadas – Válvulas e Acessórios
As perdas em válvulas e acessórios também podem ser expressas em termos de um comprimento equivalente de tubo retilíneo.
a) Válvula de gaveta
b) Válvula globo
c) Válvula em ângulo
d) Válvula de retenção
e) Válvula de disco
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Localizadas – Válvula Gaveta
São utilizadas para passagem (interrompem ou estabelecem) do fluxo e não controle do escoamento !!
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Localizadas – Válvula Globo
Válvula Globo são utilizadas para controle pois épossível estabelecer uma relação entre a % de abertura e a porcentagem da vazão em qualquer posição de abertura parcial
Mesmo completamente abertas possuem restrição de escoamento devido ao projeto da passagem interna permitindo uma maior ou menor vazão
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Localizadas – Válvula de Controle
A válvula de gaveta está representada apenas para efeito comparativo!O corpo da válvula é quase sempre semelhante ao da válvula globo
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Localizadas – Válvula de Controle
A válvula de gaveta está representada apenas para efeito comparativo!O corpo da válvula é quase sempre semelhante ao da válvula globo
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Localizadas – Válvula em Ângulo
Válvula em Ângulo – Mesmo modo defuncionamento da Válvula Globo
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Localizadas – Válvulas de Retenção
Válvulas de retenção bloqueiam o escoamentode fluir na direção contrária ao especificadoprotegendo o equipamento, pois o fluxo contrárioforça a retenção de assentar no selo. Além disso,quando não há escoamento o peso da retençãobloqueia o fluxo.
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Localizadas – Válvula de Disco
Válvulas de Disco mesmo princípio de operaçãoda válvula gaveta porém para fluidos sujeitos aaderência no final de curso e operação em altapressão, por exemplo linhas de vapor SH.
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Localizadas – Válvula Redutora de Pressão
São empregadas quando se deseja reduzir a pressão à jusante da tubulação. Seu funcionamento é comandado por uma válvula piloto e a válvula principal. Tanto a válvula piloto como a válvula principal são ajustadas por meio de molas de tensão regulável de acordo com a pressão desejada
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Localizadas – Válvula Redutora de Pressão
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Perdas Localizadas – Dutos Não Circulares
As correlações empíricas para escoamento em tubos também podem ser empregadas para cálculos que envolvem dutos não circulares, desde que suas seções retas não sejam demasiadamente grandes. Portanto dutos de seção quadradas ou retangulares podem ser considerados se a razão entre a altura e largura for inferior a cerca de 3 ou 4. Dessa forma podemos definir um diâmetro hidráulico, tal que:
Onde A é a área da seção transversal e P é o perímetro molhado.
O uso do diâmetro hidráulico para o diagrama de Moody implica em erros aprox. de 15% para as faixas turbulentas e da ordem de 40% para a faixa laminar.
Dh=4AP
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Exemplo 8.5 Fox 4º Ed.
Um trecho de 100 m de tubo liso horizontal está ligado a um grande reservatório. Que profundidade, d, deve ser mantida no reservatório para que a vazão em volume seja 0,0084 m3/s de água? O diâmetro interno do tubo liso é 75 mm. A entrada é de cantos vivos a 90º e a água descarrega para a atmosfera.
Assumindo água a 20ºCρ = 999 kg/m3 e µ = 1,0 10-3 kg/m/s
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Exemplo 8.7 Fox 8º Ed.
Um sistema de proteção contra incêndio é suprido por uma torre de água por meio de um tubo vertical com 24 metros de altura. O tubo mais longo no sistema tem 183 metros e é feito de ferro fundido com 20 anos de idade ε/d = 0,0025. O tubo contém uma válvula gaveta rosqueada. Outras perdas localizadas podem ser desconsideradas. O diâmetro do tubo é de 100 mm. Determine a vazão máxima em volume através do tubo. ρ = 999 kg/m3 e µ = 1 10-3 kg/m/s
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Exercício 6.52 white 6º Ed.
O escoamento no tubo é produzido pelo ar pressurizado no reservatório. Que pressão manométrica é necessária para fornecer uma vazão de 60 m3/h de água a 20ºC:
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Exercício 6.76 white 6º Ed.
Uma pequena turbina extrai 400 W de potência do escoamento da água. Ambos os tubos são de ferro forjado. Calcule a vazão Q em m3/h.
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Sistemas com Múltiplos Tubos - Série
Se podemos resolver as equações para um único tubo, então podemos resolvê-las para qualquer sistema, mas algumas regras são básicas para facilitar os cálculos, sendo similar aos circuitos elétricos.
Regra 1 - A vazão em um conjunto de tubos em série é a mesma em todos os tubos. (equação da continuidade)
Regra 2 -A perda de carga total através do sistema é igual à soma das perdas de carga em cada tubo.
Para o desenvolvimento de uma metodologia genérica é conveniente expressar a perda por atrito no elemento de tubo da seguinte forma:
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Sistemas com Múltiplos Tubos - Série
Onde: hL – perda de carga, R – Coeficiente de Resistência, Q – Vazão
volumétrica (descarga) no tubo, β – expoente.
Tal que substituindo a equação de Darcy-Weisbach temos:
Com β = 2
hL=RQβ
hL=fLDV 2
2g=f
LD
Q2
2g A2R=f
L2gD A2 =
8 f Lgπ2D5
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Sistemas com Múltiplos Tubos - Série
Para análise de redes de tubos é conveniente expressar o comportamento de f por meio de fórmulas empíricas equivalentes aproximadas em que o fator de atrito possa ser obtido diretamente como função do nº de Reynolds e da Rugosidade Relativa. Dessa forma, utilizaremos a fórmula de Swamee e Jain
Com relação à perda localizada devemos expressar a mesma em função da vazão ao invés da velocidade, tal que
f=1,325 [ ln (0,27 ϵ/d+5,74Re0,9 ) ]
−2
hPL=KV 2
2g=K
Q2
2g A2
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Sistemas com Múltiplos Tubos - Série
Conforme discutido no exercício 6.52 os efeitos da energia cinética na entrada e saída podem ser desconsiderados em função do comprimento da tubulação. Estes termos serão significantes somente quando as velocidades forem altas, tal que a equação de energia se resume a:
Em que o Ri é o coeficiente de resistência do tubo i
( PAγ + zA )−( PBγ +zB )=∑i=1
N
Qi2 (Ri+ ∑ K
2g A i2 )
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Exemplo 11.2 – Potter 4º Ed.
Para o sistema abaixo determine a potência necessária para bombear 100 L/s de líquido para um reservatório pressurizado a 200 kPa man. A bomba opera com uma eficiência de 75%.
Dados:d = 0,85 (densidade relativa)ν = 10-5 m2/s
Linha 1: L = 10 m, D = 0,20 m, e = 0,05 mm, K1 = 0,5, K
v = 2
Linha 2: L = 500 m, D = 0,25 m, e = 0,05 mm, Ke = 0,25, K
2 = 1
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Sistemas com Múltiplos Tubos - Paralelo
Regra 3 - A vazão em um conjunto de tubos em paralelo é a soma das vazões individuais dos tubos. (equação da continuidade)
Regra 4 - A perda de carga no sistema é a mesma que em cada tubulação individual.
Da mesma forma que no caso em série, supõe-se que a energia cinética é pequena em comparação com a queda de pressão, assim para uma linha temos:
( P Aγ + zA )−( PBγ +zB )=Qi
2 (Ri+ ∑ K
2g Ai2 )
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Sistemas com Múltiplos Tubos - Paralelo
Definindo:
Temos
Sabemos que
W=( P Aγ +z A )−( PBγ +zB )R̄i=Ri+
∑ K
2g Ai2=Ri+
8∑ K
gπ2Di4=
8
gπ2Di4 ( f LDi
+∑ K )
W=R̄iQi2 Qi=√WR̄i
Q=∑Qi=∑ √WR̄i=√W∑ 1
√ R̄iW=(
Q
∑ 1
√ R̄i )2
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Sistemas com Múltiplos Tubos - Paralelo
Assim o procedimento de cálculo para determinar a perda de carga e as vazões volumétricas (descargas) fica da seguinte forma:
1) Adote valores de fi para o regime totalmente rugoso para cada linha
2) Calcule para cada tubo e calcule W
3) Calcule Qi em cada tubo
4) Atualize a estimativa dos fatores de atrito em cada linha usando os valores de Q
i atuais
5) Repita os passos 2 – 4 até que as incógnitas W e Qi não variem
segundo uma tolerância desejada
R̄i
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Exemplo 11.3 Potter 4º Ed.
Determine as distribuições de escoamento e a queda na linha piezométrica para as três estruturas paralelas mostradas. Use os fatores de atrito variáveis. Fluido com ν = 10-6 m2/s. A descarga de água total é Q = 0,020 m3/s
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Tubo L [m] D [m] e [mm] ΣK
1 100 0,050 0,1 10
2 150 0,075 0,2 3
3 200 0,085 0,1 2
Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Sistemas com Múltiplos Tubos - Interligação
Regra 5 - Se todos os escoamentos são considerados positivos em direção à junção então a soma deles deve resultar em zero. O que significa que um ou dois escoamentos devem estar se afastando
Regra 6 - A pressão deve variar através de cada tubo para resultar na mesma pressão estática na junção
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Sistemas com Múltiplos Tubos - Interligação
Assim a equações de energia para cada elemento fica
4 Equações com 4 Incógnitas (Q1, Q
2, Q
3 e P
J) Assumindo que é conhecido
as pressões nos reservatórios. Lembrando que a presença da bomba altera a equação de energia
( Pγ + z )1−( Pγ + z )
J=Q1
2 R̄1
( Pγ + z )J−( Pγ + z )
2=Q2
2 R̄2
( Pγ + z )J−( Pγ + z )
3=Q3
2 R̄3
Q1−Q2−Q3=0
( Pγ + z )A−( Pγ +z )
B+hB=Qi
2 R̄i
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Sistemas com Múltiplos Tubos - Interligação
Método de Solução:
1) Assumir uma vazão Qi no elemento 1 e calcular a pressão manométrica
na Junção
2) Calcular as vazões Qi baseadas na diferença de pressão entre a junção
e o reservatório
3) Calcular por continuidade o desbalanceamento de vazão no ponto J tal que ∆Q = Q
1 – Q
2 – Q
3
4) Ajustar o escoamento Q1 no elemento e repetir os passos 2-3 até que
∆Q esteja dentro dos limites
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Exemplo 11.4 Potter 4º Ed.
Para o sistema de tubulação de três ramificações mostrado temos os seguintes dados. Determine as taxas de escoamento Q
i e a carga
piezométrica H na junção. Suponha fatores de atrito constantes.
Tubo L (m) D (m) f ΣK
1 500 0,10 0,025 3
2 750 0,15 0,020 2
3 1000 0,13 0,018 7
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Exemplo 11.5 Potter 4º Ed.
Para o sistema de tubulação de três ramificações mostrado temos os seguintes dados. Determine as taxas de escoamento Q
i e a carga
piezométrica H na junção.
A energia de entrada do fluido pela bomba é constanteAssuma fatores de atrito constantes.
Tubo L (m) D (m) f ΣK
1 50 0,15 0,020 2
2 100 0,10 0,015 1
3 300 0,10 0,025 1
γQ H P=20kW
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Análise de Redes de Tubulação
Sistemas de tubulação mais complexos do que os considerados são mais bem analisados quando se formula uma solução para uma rede de tubulação.
As linhas dos reservatórios são conhecidas e são chamadas de nós de carga de pressão fixa. As demandas de escoamento de saída estão presentes nos nós C e D e juntamente com os nós B e E são chamados de nós interiores ou junção. Assim o equacionamento para os sete tubos fica
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Análise de Redes de Tubulação
Equação da Energia: Equação da Continuidade (Nós Interior):
Equação da Curva da Bomba
Onde os coeficientes são conhecidos12 equações com 12 incógnitas não lineares na vazão (requer um método numérico apropriado)
H A−H B+H P (Q1)=R̄1Q12
H B−HD=R̄2Q22
HC−HD=R̄3Q32
H B−HC=R̄4Q42
HC−H E=R̄5Q52
H E−HD=R̄6Q62
H F−H E= R̄7Q72
Q1−Q2−Q4=0Q2+Q3+Q6=QD
Q4−Q3−Q5=QC
Q5−Q6+Q7=0
H P(Q1)=a0+a1Q1+a2Q12
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Análise de Redes de Tubulação – Redução Equações
Podemos identificar 2 malhas interiores nas quais o escoamento é positivo no sentido horário ao longo da malha.
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Análise de Redes de Tubulação – Redução Equações
Conservação da energia nas malhas
Para os tubos 1 e 7 precisamos definir uma pseudomalha com resistência infinita ligando os reservatórios.
Tal que o sistema de equações resulta em:
W=R̄iQi2
W 6−W 3+W 5=0 Malha IW 3−W 2+W 4=0 Malha II
H F−H A−H P+W 1+W 2−W 6−W 7=0
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Análise de Redes de Tubulação – Redução Equações
7 incógnitas (Q1 – Q
7) e 7 equações
Equações não lineares nas perdas de carga e na bomba
R̄6Q62−R̄3Q3
2+ R̄5Q5
2=0
R̄3Q32−R̄2Q2
2+ R̄4Q4
2=0 }Equação Energia Malha Interior
H F−H A+ R̄1Q12+ R̄2Q2
2− R̄6Q6
2−R̄7Q7
2−(a0+a1Q1+a2Q1
2)=0
Q1−Q2−Q4=0Q2+Q3+Q6=QD
Q4−Q3−Q5=QC
Q5−Q6+Q7=0}Continuidade Nó Interior
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Análise de Redes de Tubulação – Generalização
Equação da Continuidade – Nó Interior j
Onde Qi é a vazão nos tubos j conectados a um nó e Q
e é a demanda
externa
O sinal mais ou menos é pertinente ao sentido do escoamento presumido
(+) → Escoamento para dentro da junção(-) → Escoamento para fora da junção
∑j
±Q j−Qe=0
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Análise de Redes de Tubulação – Generalização
Balanço de Energia – Malha Interior ou Pseudomalha i
Onde ∆H é a diferença de magnitude dos dois nós de carga de pressão fixa no caminho ordenado em um sentido horário através do tubo imaginário na pseudo malha.(H
P)
i é a carga através da bomba no tubo i
O sinal mais ou menos é pertinente ao sentido do escoamento presumido
(+) → Escoamento no elemento no sentido horário (-) → Escoamento no elemento no sentido anti-horário
∑i
(±)i [W i−(H P)i ]+ΔH=0
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Análise de Redes de Tubulação – Generalização
Assim nosso sistema de equações se reduz a
Onde J é o número de nós interiores (Equação da Continuidade)L é o número de malhas interiores (Equação da Energia)F é o número de nós de cargas de pressão fixaP é o número de elementos de tubulação na rede
P=J+L+F−1
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Análise de Redes de Tubulação – Hardy Cross
Para a equação genérica de energia podemos representar da seguinte forma, sem reservatório
De forma que expandindo em série de Taylor obtemos a equação linearizada da energia:
Onde o sinal de mais e menos segue a convenção da equação da malha (+) → Escoamento no elemento no sentido horário (-) → Escoamento no elemento no sentido anti-horário
∑i
(±)i [(W 0)i−(H P0)i]+∑i
[Qi−(Q0)i ]Gi+ΔH=0
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∑i
(±)i [W i−(H P)i ]=0
Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Análise de Redes de Tubulação – Hardy Cross
Considerando (Q0)
i a estimativa de descarga da iteração anterior e Q
i a
nova estimativa podemos definir um ajuste ∆Q para cada malha, tal que:
O ajuste é aplicado em todos os tubos em uma dada malha, tal que substituindo na equação da energia linearizada temos:
ΔQ=Qi−(Q0)i
∑i
(±)i [(W 0)i−(H P0)i]+ΔQ∑i
Gi+ΔH=0
ΔQ=
−∑i
(±)i [(W 0)i−(H P0)i ]−ΔH
∑i
Gi
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Análise de Redes de Tubulação – Hardy Cross
Solução Iterativa Hardy Cross
1) Estimativa inicial do escoamento que satisfaça a continuidade, lembrando que para uma determinada malha quanto maior a resistência R do tubo menor deve ser a vazão.
2) Para cada malha calcular ∆Q
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Análise de Redes de Tubulação – Hardy Cross
3) Atualize o escoamento em cada tubo em todas as malhas, tal que:
Onde o termo Σ∆Q é usado uma vez que um determinado tubo pode pertencer a mais de uma malha, ou seja, a correção será a soma das correções de todas as malhas as quais o tubo é comum.
A correção deverá ser feita seguindo a convenção de sinal adotada!
4) Repetir os passos 2 e 3 até que a precisão desejada seja alcançada
Devemos sempre garantir a conservação da massa nos nós.
Qi=(Q0)i+∑ ΔQ
∑∣Qi−(Q0)i∣
∑∣Qi∣⩽ε 0,001<ε<0,005
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Análise de Redes de Tubulação – Hardy Cross
O método de Hardy Cross é uma versão simplificada do método de aproximações sucessivas aplicado a um conjunto de equações linearizadas. Não requer a inversão de matriz e é utilizado para resolver redes relativamente pequenas.
A continuidade deve ser satisfeita pelos escoamentos presumidos e permanecer satisfeita durante o processo de solução. Essencialmente, calcula-se a correção ∆Q para os escoamentos Q
i em cada malha
separadamente e então aplica ∆Q à rede inteira para fazer com que os escoamentos pelas malhas cheguem a valores mais concordantes. Uma vez que as correções de escoamento ∆Q são aplicadas a cada malha independente, a convergência pode ser lenta.
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Exemplo 11.6 – Potter 4º Ed.
Para o sistema de tubulação mostrado determine a distribuição do escoamento e as cargas piezométricas nas junções usando o método Hardy Cross.
Há 5 junções (J = 5), oito tubos (P = 8) e 2 nós de carga de pressão fixa (F = 2) portanto o número de malhas internas fica
mais uma pseudomalhaL=8−5−2+1=2
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Exemplo 11.6 – Potter 4º Ed. - Telas Planilha
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Exemplo 11.6 – Potter 4º Ed. - Telas Planilha
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Exemplo 11.6 – Potter 4º Ed. - Telas Planilha
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Exemplo 11.6 – Potter 4º Ed. - Telas Planilha
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Exercício de Sistema de Redes de Tubulação
Para o sistema de tubulação mostrado determine a distribuição do escoamento e as cargas piezométricas nas junções usando o método Hardy Cross.
mais uma pseudomalhaL=7−4−2+1=2
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Nº Tubo Comprimento (m) Diâmetro (m) Fator de Atrito, f, (-) Área (m²) K
1 305 0,305 0,015 0,072 0,38
2 243 0,203 0,019 0,033 2,89
3 213 0,203 0,019 0,033 2,53
4 228 0,153 0,020 0,018 12,13
5 182 0,203 0,019 0,033 2,17
6 243 0,203 0,019 0,033 2,89
7 274 0,254 0,017 0,051 0,94
Exercício de Sistema de Redes de Tubulação
Dados: ID Nó Demanda (m³/s) Elevação (m)
C1 B 0,056 97
C2 C 0,113 100
C3 D 0,028 95
C4 E 0,085 91
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Exercício de Sistema de Redes de Tubulação - Telas
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Exercício de Sistema de Redes de Tubulação - Telas
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Exercício de Sistema de Redes de Tubulação - Telas
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Cálculo de Perda de Carga em Tubos
Lista de Exercícios
Exercícios do White6.43, 6.44, 6.49, 6.52, 6.58, 6.70, 6.76, 6.84
Exercícios Fox8.77, 8.80, 8.85, 8.89, 8.105, 8.130
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