redes de tubulaÇÃo unicamp/feq/dtf/eq541 fenômenos de ... · unicamp/feq/dtf/eq541 fenômenos de...

41
sporte I - Profa. Katia Tannous Capítulo XII - Cálculo do Escoamento no Interior Dutos REDES DE TUBULAÇÃO Parte III Unicamp/FEQ/DTF/EQ541 Fenômenos de Trans 1 REDES DE TUBULAÇÃO

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Page 1: REDES DE TUBULAÇÃO Unicamp/FEQ/DTF/EQ541 Fenômenos de ... · Unicamp/FEQ/DTF/EQ541 Fenômenos de Transporte I - Profa. Katia Tannous Capítulo XII - Cálculo do Escoamento no Interior

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

Capítulo XII - Cálculo do Escoamento no Interior Dutos

REDES DE TUBULAÇÃO

Parte III

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

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ransport

e I

1

REDES DE TUBULAÇÃO

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SISTEMAS DE TUBOS

Constituídos de:

� Elementos: trechos de tubo (D constante)

� Componentes: válvulas, tês, cotovelos, redutores, etc.

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

**Bomba (adicionam energia); turbinas (extraem energia)

Tipos de sistemas mais simples:

� tubos em série série

� tubos em paraleloparalelo

� tubos ramificadosramificados2

Unic

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/DT

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Unic

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/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

�Muitos sistemas contém todos estes tipos de configurações todos estes tipos de configurações e

envolvem cálculos mais complexo.

� A maioria dos problemas de sistemas de tubo a serem

3

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

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enos d

e T

ransport

e I

analisados são aqueles em que a vazão na descarga vazão na descarga dos tubos é a dos tubos é a

variável desconhecida ou perda de carga do variável desconhecida ou perda de carga do sistemasistema.

�Trataremos aqui somente da análise dos sistemas com

escoamento permanente e incompressível.escoamento permanente e incompressível.

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g

v

D

Lfh DL 2

2

=

PERDAS EM SISTEMAS DE TUBOS

Perdas

� cisalhamento na parede dos elementoselementos de tubo � é distribuída ao longo do comprimento do tubo

Darcy-Weisbach

Unic

am

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EQ

/DT

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ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

(1)

gDfh DL 2

=

�� componentescomponentes da tubulação � é localizada e representa descontinui -nuidades discretas na linha de energia do sistema.

g

vKhL 2

2

Σ=4

Unic

am

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EQ

/DT

F/E

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e I

2g

v

D

Lfh

2eq

DL =ou (2)

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As perdas podem ser escritas da seguinte forma:

x

L RQh =

Coeficiente de resistência (e, Re, L, D )

Expoente

Vazão de descarga

Unic

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p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

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e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

PERDAS EM ELEMENTOS DE TUBOS

(3)

� Combinando com Darcy-Weisbach: e

Coeficiente de resistência (e, Re, L, Dt)

52

8

Dg

LfR D

π= 2=x

5

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I

Para análise de sistemas de tubos, é mais conveniente expressar o comportamento de

f utilizando fórmulas empíricas aproximadas. Assim, o fator de fricção pode ser

obtido analiticamente em termos do número de ReynoldsReynolds e da rugosidaderugosidade relativarelativa..

Perda de carga ao longo do comprimento L do tubo

(4)

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290

17452703251

+

=

,

DRe

,D

e,ln,f

290

5

1745270071

+

=

,

Re,

D

e,ln

gD

L,R

Unic

am

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EQ

/DT

F/E

Q541 F

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ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

Correlações para fD e R

� Swamee-Jain (1976):

Combinando com R de Darcy:

(5)

mxDC

LKR 1=

810D/e01,0 −>>8105000 << Re

� valem para a faixa de

6

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

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ransport

e I

� Hazen-Williams:

x = 1,85

m = 4,87

C = f(rugosidade) � coeficiente de Hazen-Williams – Tabela 1

K1 depende do sistema de unidades � SI: K1 = 10,59 e UI K1 = 4,72

(7)

(6)

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Tabela 1: Valores nominais do coeficiente C de Hazen-Williams

Tipo de tubo C

Unic

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/DT

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ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

T

7

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EQ

/DT

F/E

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ransport

e I

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Comparação entre as correlações para fD e R

Unic

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EQ

/DT

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ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

Dados válidos para escoamento de água (20ºC) em tubo de concreto de D=1m

Esta é a equação que descreve as curvas do Diagrama de Moody nafaixa de transição entre o regime laminar e o totalmente rugoso 8

Unic

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/DT

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e I

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f∑

242

22

22

2

2 84

222QK

DgQ

Dg

KQ

gA

K

g

vKhL ⋅Σ⋅=⋅

Σ=⋅

Σ=Σ=

ππ

Unic

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ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

PERDAS EM SISTEMAS DE TUBOS

Perdas localizadas (em componentes)

Em alguns casos, é melhor expressar como comprimento equivalente:

(8)

D

fLK D

e=∑

[ ] 22

52

eDL QRQ

Dgπ

LL8fh ⋅=⋅

+=

Coeficiente de Resistência Médio

Tubo Componentes (ou acidentes)

9

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/DT

F/E

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e I

Substituindo:

(9)

(10)

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SISTEMA DE TUBOS EM SÉRIE

2N2

N

N222

2

2212

1

1

BA

Q2gA

ΣKRQ

2gA

ΣKRQ

2gA

ΣKRz

γ

pz

γ

p

+++

++

+=

+−

+ LEnergiaEnergia

Unic

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EQ

/DT

F/E

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e I -

Pro

fa. K

atia

Tannous

PrincípioPrincípio: : identificar todas as variáveis desconhecidas e escrever um número equivalente de equações, independentes a serem resolvidas.

N21BA2gA2gA2gAγγ

∑∑==

+=

+=

+−

+

N

1i

2

2i

i

N

1i

2i2

i

i

BA

Q2gA

ΣKRQ

2gA

ΣKRz

γ

pz

γ

p

QQQQQ Ni ====== LL21

RRii calculado eq. (6) ou eq. (4)+calculado eq. (6) ou eq. (4)+MoodyMoody

Massa:Massa:Q = todos os tubos!!

Unic

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/DT

F/E

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10Diferença de carga ou

nível piezométrico

(11)

(12)

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Unic

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EQ

/DT

F/E

Q541 F

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e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

EXEMPLOEXEMPLO

Para o sistema abaixo, encontre a potência requerida para bombear 100 l/s de

líquido (d=0,85 e ν=10-5m2/s). A bomba é operada numa eficiência de 75% e

dados adicionais são dados na Tabela abaixo.

2

11

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/DT

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ransport

e I

K2=1 Ke=0,25

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SISTEMA DE TUBOS EM PARALELO

ΣKpp

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e I -

Pro

fa. K

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annous

EnergiaEnergia: :

Massa:Massa:

2ii

2i2

i

i

BA

QRQ2gA

ΣKRz

γ

pz

γ

p=

+=

+−

+

N,,i K1=∑=

=N

i

iQQ1

12

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e I

(13)

AA vazãovazão dede entradaentrada éé conhecida,conhecida, masmas aa distribuiçãodistribuição dasdas vazõesvazões ee pressãopressão

piezométricapiezométrica sãosão desconhecidasdesconhecidas !!

(14)

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Resolução do sistema de equações

Inserindo a variável W (nível piezométrico):

As vazões podem ser escritas (eq. 13):

( ) ( )BA

zpzpW +−+= γγ

i

iR

WQ =

Unic

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Pro

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(15)

(16)

Substituindo na Eq. Continuidade:

Evidenciando a variável desconhecida:

∑∑==

==N

ii

N

i i RW

R

WQ

11

1

2

1

1

=

∑=

N

iiR

QW

13

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(17)

(18)

(W (W é igual para todos os tubos)é igual para todos os tubos)

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Resolução: Método iterativo

1. Para uma primeira estimativa, assumir que o escoamento em todas a linhas está

na regiãoregião totalmentetotalmente rugosa,rugosa, necessitando somente o conhecimento da

rugosidade relativa para determinação do fatorfator dede fricçãofricção ff em cada tubo.

2. Com o valor de fi , calcular e determinar:

WQ =

2

1

1

=

∑=

N

iiR

QW

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EQ

/DT

F/E

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e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

iR

3. Calcular Qi para cada tubo:

4. Atualizar os valores de fi de cada tubo utilizando os valores de Qi obtidos no

passo anterior e a Equação 5 de Swamee-Jain.

5. Repetir os passos 2 e 4 até que as variáveis desconhecidas W e Qi não variem

de acordo com a tolerância desejada.

i

iR

WQ =

1 =iiR

14

Unic

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EQ

/DT

F/E

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e I

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EQ

/DT

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e I -

Pro

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EXEMPLOEXEMPLO

Encontre a distribuição da vazão e a queda na linha piezométrica para o arranjo

em paralelo de três tubos conforme a Figura abaixo. A vazão é Q = 0,02 m3/s e ν

= 10-6 m2/s.

3

15

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SISTEMA DE TUBOS RAMIFICADOS

Unic

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EQ

/DT

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e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

oA rede ramificada é constituída de 3 3

elementos conectadoselementos conectados por uma única junção.

o Em contraste com o sistema em paralelo,

não existem loops fechados não existem loops fechados neste sistema.

oAnálise é arbitrária, mas com coerência a

16

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

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e T

ransport

e I

oAnálise é arbitrária, mas com coerência a

direção do escoamento em cada elemento de

tubo.

oA eq. eq. eenergia nergia para cada elemento pode ser

escrita usando o conceito de comprimento conceito de comprimento

equivalenteequivalente para contabilizar as perdas perdas

localizadas.localizadas.

Escoamento por gravidade

Escoamento acionado por bomba

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e I -

Pro

fa. K

atia T

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211 QRz

pz

p

BA

=

+−

+

γγ

2QRzp

zp

=

+−

+Energia:

OsOs níveisníveis dede energiaenergia piezométricapiezométrica nosnos pontospontos A,A, C,C, ee DD sãosão conhecidos,conhecidos,

masmas nono pontoponto BB ouou junçãojunção estaesta energiaenergia éé desconhecidadesconhecida ;;

AA direçãodireção ee distribuiçãodistribuição dasdas vazõesvazões tambémtambém sãosão desconhecidasdesconhecidas..

(19)

17

Unic

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p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

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e I

233 QRz

pz

p

CB

=

+−

+

γγ

222 QRz

pz

p

DB

=

+−

+

γγ

0321 =−− QQQ

Assume-se uma direção arbitrária

4 equações: 3 BE e 1 BM4 equações: 3 BE e 1 BM4 4 incógnitas: incógnitas: 3 Q e W3 Q e WBB

Massa:na junção B

(20)

(21)

(22)

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Resolução: Método iterativo

1. Assumir uma vazão Q1 no elemento 1 com ou sem uma bomba e determinar o nível

piezométrico na junção B resolvendo o BE (eq. 19) em A-B;

2. Calcular as vazões Qi nas ramificações usando o BE (eqs. 20 e 21) em B-C e B-D;

3. Substituir os valores de Qi no BM (eq. 22) para checar o balanço da continuidade.

4. Geralmente, o BM na junção não será zero e, por isso, uma nova estimativa de Q1

deve ser feita tal que ∆Q = Q - Q -Q < ξ (tolerância). Os passos 2 e 3 são

Unic

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p/F

EQ

/DT

F/E

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e I -

Pro

fa. K

atia T

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deve ser feita tal que ∆Q = Q1 - Q2 -Q3 < ξ (tolerância). Os passos 2 e 3 são

repetidos até que se obtenha as vazões dentro do limite de tolerância desejado.

18

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

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e I

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/DT

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e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

EXEMPLO 1EXEMPLO 1

Determine as vazões Qi e o nível piezométrico (carga piezométrica) Hna junção. Assuma fatores de fricção constantes.

4

AC

D

19

Unic

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EQ

/DT

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e I

A

B

C

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EQ

/DT

F/E

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ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

EXEMPLO 2EXEMPLO 2

Para o sistema abaixo, determine as vazões a distribuição de vazão, Qi ,

de água e o nível piezométrico H na junção B. A potência fornecida ao

fluido é constante e igual a γQHB=20kW. Assuma os fatores de fricção

constantes.

20

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

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ransport

e I

A B

C

D

Tabela 5: Dados do sistema de tubos

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ANÁLISE DE REDES DE TUBOS

� Rede de tubos com sete tubos, dois reservatórios e uma bomba (Figura abaixo).

� Assume-se que o nívelnível piezométricopiezométrico emem AA ee FF sãosão conhecidosconhecidos; estes pontos são

chamados dede nósnós dede nívelnível fixofixo.

� Vazões de saída estão presentes nos nós C e D. Os nós C e D, juntamente com os

nós B e E, são chamados nósnós internosinternos ouou junçõesjunções.

� As direçõesdireções dosdos escoamentoescoamento nãonão sãosão conhecidasconhecidas inicialmente, mas assume-se

Unic

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p/F

EQ

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F/E

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e I -

Pro

fa. K

atia T

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� As direçõesdireções dosdos escoamentoescoamento nãonão sãosão conhecidasconhecidas inicialmente, mas assume-se

arbitrariamente uma direção.

21

Unic

am

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EQ

/DT

F/E

Q541 F

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e T

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e I

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BalançoBalanço dede EnergiaEnergia parapara cadacada tubotubo ((77 equações)equações)

BalançoBalanço dede massamassa emem cadacada nónó internointerno ((44 equações)equações))

A → B ( ) 2111 QRQHHH BombaBA =+−

B → D 222 QRHH DB =−

C → D 233QRHH DC =−

B → C 244 QRHH CB =−

C → E 255QRHH EC =−

E → D 266 QRHH DE =−

F → E 277 QRHH EF =−

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

BalançoBalanço dede massamassa emem cadacada nónó internointerno ((44 equações)equações))

CurvaCurva dada BombaBomba ((11 equaçãoequação)) -- aproximaçãoaproximação

B 0421 =−− QQQ

D DQQQQ =++ 632

C CQQQQ =−− 534

E 0765 =+− QQQ

( ) 2121101 QaQaaQH Bomba ++= 22

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I

(23)

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Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

� As variáveis desconhecidas são: Q1,...,Q7, HB, HC, HD, HE e Hbomba .

� 1212 variáveisvariáveis desconhecidasdesconhecidas para um sistema de 1212 equaçõesequações para

serem resolvidas simultaneamente.

�Uma vez que as equaçõesequações de energia e a equação das bombas sãosão

23

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I

nãonão-- lineareslineares, é necessário recorrer a algum tipo de soluçãosolução porpor

interaçãointeração sucessivasucessiva.

�As 12 eqs. podem ser reduzidas em número combinando as eqs. de

energia ao longo de caminhos específicos no circuito de tubo.

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Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

Dois caminhos fechados, ou loops internos,

podem ser identificados. O escoamento é

considerado positivo no sentido horário em

cada loop. Os balançosbalanços dede energiaenergia escritosescritos

0536 =+− WWW

0423 =+− WWW

2iii QRW =

Designemos a variável Wi como sendo a

queda do nível piezométrico em um elemento

de tubo i:

(24)

(25)

(26)

24

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I

parapara cadacada loop,loop, II ee IIII são:

6

32

54

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Para se levar em conta as vazões nos tubos 1 e 7, um caminho pode ser

definido ao longo dos nós A, B, D, E e F. Com a adição do termo da

potência da bomba, o balanço de energia de A até F é:

7621 WWWWHHH FBombaA −−+=−+

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

(27)

62

1

7

25

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I

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Substituindo a equação da bomba e a equação do fator de fricção nas

relações de energia das Equações 25, 26 e 27, obtém-se o seguinte

conjunto de equações reduzidas:

0266

255

233 =++− QRQRQR

0244

233

222 =++− QRQRQR

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

0443322 =++− QRQRQR

( ) 0277

266

222

212110

211 =−+++−+++− FA HHQRQRQRQaQaaQR

26

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I

Somadas às equaçõesequações dada continuidadecontinuidade, tem-se um sistema dede 77 incógnitasincógnitas

(Q1, ..., Q7) ee setesete equaçõesequações para resolver.

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EQUAÇÕES GENERALIZADAS PARA REDES DE TUBOS

1. Equação da Continuidade no j-ésimo nó interno:

� o índice j se refere aos tubos conectados ao nó e Qe representa uma vazão externa

� Convenção do sinal algébrico: positivo para um escoamento entrando no nó e negativo para um escoamento saindo do nó

( ) 0=−±Σ ejj QQ

Pro

fa. K

atia T

annous

2. Balanço de energia ao longo de um loop interno:

� o índice i se refere ao tubos que pertencem ao loop

� Existirá um relação para cada um dos loops

� Convenção do sinal algébrico: positivo é usado se o escoamento no elemento de tubo está no sentido horário; do contrário, é negativo.

( ) [ ] 0Wii =±Σ

27

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

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Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

3. Balanço de energia ao longo de um caminho único ou pseudoloop

conectando dois nós fixos:

• onde ∆H é a diferença de magnitude do nível piezométrico dos

( ) ( )[ ] 0=∆+−±Σ HHWiBombaii

28

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I

dois nós fixos no caminho ordenado no sentido horário através

de um tubo imaginário no pseudoloop.

• Convenção do sinal algébrico: positivo é usado se o escoamento

no elemento de tubo está no sentido horário; do contrário, é

negativo.

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Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

Se FF éé oo númeronúmero dede nósnós fixosfixos no sistema, existirá (F-1) equações para

caminhos distintos. Seja PP o número de elementos de tubo numa rede, JJ

o número de nós internos e LL o número de loops internos.

1−++= FLJP

29

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I

1−++= FLJP

No exemplo inicial, temos J = 4, L = 2 e F = 2, tal que P = 4 + 2 + 2 – 1 =7

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LINEARIZAÇÃO DA EQUAÇÃO DA ENERGIA

A equação abaixo é uma relação geral do balanço de energia e pode seraplicada a qualquer caminho ou loop interno de uma rede de tubos.

( ) ( )[ ] 0=∆+−±Σ HHWiBombaii

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

Se é aplicada a um loop fechado, ∆∆∆∆H é zero e, se nenhuma bomba existe no

caminho ou loop, Hbomba é igual a zero. No desenvolvimento da

linearização, esta equação será usada para representar qualquer loop ou

caminho na rede de tubos. Inicialmente, define-se a função f (Q) contendo

os termos não lineares W(Q) e HBomba(Q):

( ) ( ) ( ) ( )QHQRQHQWQ Bomba

x

Bomba −=−=φ 30

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I

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Retendo somente os primeiros dois termos do lado direito da equação e abrindo a variável φ(Q):

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous( ) ( ) ( )

( )L+

−+−+=

2

20

2

2

00

00

QQ

dQ

dQQ

dQ

dQQ

QQ

φφφφ

Esta equação pode ser expandida em série de Taylor assumindo a seguinte

forma, na qual Q0 é uma estimativa de Q.

Note que esta aproximação para a função φφφφ(Q) é linear em relação a Q.

Introduzindo-se um parâmetro G:

( ) ( )( )

( )01

000

0

QQdQ

QdHQRxQHQRQ

Q

Bombax

Bomba

x −

−+−≅ −φ

( )

0

10

Q

Bombax

dQ

QdHQRxG −= −

31

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I

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Finalmente, a equação φ(Q) é substituída na equação da energia de um loop

Substituindo a equação de energia de um loop generalizado:

na qual W0 = W(Q0) e HBomba 0 = HBomba (Q0).

( ) ( ) ( ) ( )GQQHWGQQQHQRQ BombaBomba

x

000000 −+−=−+−=φ

Un

ica

mp

/FE

Q/D

TF

/EQ

54

1 F

en

ôm

en

os d

e T

ran

sp

ort

e I -

Pro

fa. K

atia

Ta

nn

ou

s

( ) ( ) ( )[ ] ( )[ ] 0000 =∆+⋅−Σ+−±Σ HGQQHW iiiiBombaii

( ) ( )[ ] 0=∆+−±Σ HHWiBombaii

Finalmente, a equação φ(Q) é substituída na equação da energia de um loop

generalizado

resultando uma equação da energia linearizada:

Un

ica

mp

/FE

Q/D

TF

/EQ

54

1 F

en

ôm

en

os d

e T

ran

sp

ort

e I

32

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O segundo termo da equação não contém o sinal de mais ou menos uma

vez que Gi é uma função monotônica crescente da correção da vazão.

Considerando Q nas relações acima pode-se assumir valores negativos

ou positivos, e são freqüentemente substituídos por e

respectivamente, em algoritmos.

x0Q

1x0Q − 1x

00 QQ−1x

0Q−

Un

ica

mp

/FE

Q/D

TF

/EQ

54

1 F

en

ôm

en

os d

e T

ran

sp

ort

e I -

Pro

fa. K

atia

Ta

nn

ou

s

respectivamente, em algoritmos.

A equação linearizada da energia forma a base do método de Hardy

Cross e outros métodos de resolução de sistemas lineares.

Un

ica

mp

/FE

Q/D

TF

/EQ

54

1 F

en

ôm

en

os d

e T

ran

sp

ort

e I

33

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MÉTODO DE HARDY CROSS

Seja (Q0)i a estimativa das vazões de uma iteração prévia e seja Qi as novas

estimativas das vazões. Em cada loop, é definido o ajuste dos escoamentos ∆∆∆∆Qj daseguinte forma:

( )( )iij QQQ 0−Σ=∆

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

onde o índice j se refere ao loop analisado e

o índice i, aos elementos de tubo que

pertencem ao loop.

O ajuste é aplicado independentemente em todos os tubos num dado loop oucaminho do sistema. Portanto, a equação da energia linearizada pode ser escritapara cada loop na seguinte forma:

( ) ( ) ( )[ ] 000 =∆+Σ⋅∆+−±Σ HGQHW ijiBombaii

34

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I

Resolvendo a equação para ∆Q , temos:( ) ( ) ( )[ ]

i

iBombaii

jG

HHWQ

Σ

∆−−±Σ−=∆

00

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Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

A solução iterativa de Hardy Cross é descrita nos seguintes passos:

1. Assume-se uma estimativa inicial para a distribuição das vazões que satisfaça a continuidade em cada k-ésimo nó interno:

2. Para cada j-ésimo loop ou caminho , calcula-se:

( ) 0=−±Σ ekk QQ

( ) ( ) ( )[ ]iBombaii HHW

Q∆−−±Σ−

=∆00

O termo Σ∆Qj é usado paraa correção das vazões poiscada elemento de tubopertence a mais de um loopou caminho. Portanto, acorreção será a soma dacorreções obtida em todosos loops aos quais o

35

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I

3. A vazão é atualizada em cada i-ésimo elemento de tubo da rede :

4. Os passos 2 e 3 são repetidos com os valores atualizados das vazões até que a precisão desejada seja alcançada. Um possível critério é:

i

ij

GQ

Σ=∆

( ) ∑∆+= jii QQQ 0

( )ε≤

Σ

−Σ

i

ii

Q

QQ 0

os loops aos quais oelemento de tubo pertence.

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EXEMPLO DO MÉTODO DE HARDY CROSS

Para o sistema de tubos mostrado na figura abaixo, determinar adistribuição de vazão e o nível piezométrico nas junções usando o métodode Hardy Cross.

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

OBS.: As unidades estão em SI

36

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I

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( ) ( )

1234

1234

GGGG

zzWWWWQ BA

I+++

−−±±±±−=∆

Resolução: existem 5 junções (J = 5), oito tubos (P = 8) e dois nós fixos (F = 2).

Portanto o número de loops fechados é L = 8 - 5 - 2 + 1 = 2, somado a mais um

pseudoloop. AA equaçãoequação dede ∆∆QQ éé aplicadaaplicada aosaos loopsloops I,I, IIII ee IIIIII::

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

IQ1

Q2 Q3

Q4

Q7

Q5

Q8Q6III

II

( )

853

853

GGG

WWWQ III

++

±±±−=∆

( )

6782

6782

GGGG

WWWWQ II

+++

±±±±−=∆

37

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I

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O problema é resolvido utilizando uma planilha eletrônica. A seguir, estão

apresentados os cálculos da primeira iteração. Na planilha, o sinal correto é

atribuído a cada W automaticamente usando a relação: 1−=±

xQQRW

IQ1 Q2 Q3

Q4

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

Loop I

Ri Qi Ri Qi |Q|i 2 Ri |Q|i Qi novo

∆H 20

Tubo 4 100 -0,02 -0,04 4 -0,022 SWi = 0,55

Tubo 3 200 -0,06 -0,72 24 -0,064 SGi = 222

Tubo 2 500 -0,13 -8,45 130 -0,137 DQi = -0,0025

Tubo 1 100 -0,32 -10,24 64 -0,32238

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I

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Loop II

Ri Qi Ri Qi |Q|i 2 Ri |Q|i Qi novo

Q2

Q7

Q8Q6 II

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

Ri Qi Ri Qi |Q|i 2 Ri |Q|i Qi novo

Tubo 2 500 0,13 8,45 130 0,137 ΣWi = -1,55

Tubo 8 300 0,07 1,47 42 0,074 ΣGi = 318

Tubo 7 400 -0,04 -0,64 32 -0,035 ∆Qi = 0,0049

Tubo 6 300 -0,19 -10,83 114 -0,185

39

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I

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Loop III

Q5

Q8 III

Q3

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

Loop III

Ri Qi Ri Qi |Q|i 2 Ri |Q|i Qi novo

Tubo 3 200 0,06 0,72 24 0,064 SWi = -0,11

Tubo 5 400 0,04 0,64 32 0,041 SGi = 98

Tubo 8 300 -0,07 -1,47 42 -0,074 DQi = 0,0011

40

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I

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Valores finais das vazões em litros/segundo:

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I -

Pro

fa. K

atia T

annous

41

Unic

am

p/F

EQ

/DT

F/E

Q541 F

enôm

enos d

e T

ransport

e I