01 CONCEITO
Quando um líquido escoa de um ponto para outro no interior de um tubo,
ocorrerá sempre uma perda de energia, denominada perda de pressão (Sistemas de
ventilação ou exaustão) ou perda de carga (Sistemas de bombeamento de líquidos).
Esta perda de energia é devida principalmente ao atrito do fluído com uma camada
estacionária aderida à parede interna do tubo. O emprego de tubulações no
transporte de fluídos pode ser realizada de duas formas: tubos fechados e canais
abertos. Em suma, perda de carga é a energia perdida pela unidade de peso do
fluido quando este escoa.
No cotidiano a perda de carga é muito utilizada, principalmente em
instalações hidráulicas. Por exemplo, quanto maior as perdas de cargas em uma
instalação de bombeamento, maior será o consumo de energia da bomba. Para
estimar o consumo real de energia é necessário que o cálculo das perdas seja o
mais preciso possível.
“... no caso de escoamentos reais, a preocupação principal são os
efeitos do atrito. Estes provocam a queda da pressão, causando uma
"perda", quando comparado com o caso ideal, sem atrito. Para simplificar
a análise, a "perda" será dividida em distribuídas (devidas ao atrito em
porções de área constante do sistema) e localizadas (devidas ao atrito
através de válvulas, tês, cotovelos e outras porções do sistema de área
não-constante). (...) Como os dutos de seção circular são os mais
comuns nas aplicações de engenharia, a análise básica será feita para
geometria circular. Os resultados podem ser estendidos a outras formas
pela introdução do diâmetro hidráulico, (...) A perda de carga total (Hp) é
considerada como a soma das perdas distribuídas (hf) devidas aos
efeitos de atrito no escoamento completamente desenvolvido em tubos
de seção constante, com as perdas localizadas (hs) devidas a entradas,
acessórios, mudanças de área etc. Conseqüentemente, consideramos
as perdas distribuídas e localizadas em separado". (FOX, PRITCHARD E
MCDONALD, 2006)
02 TIPOS DE PERDAS
Podemos classificar as perdas de duas formas: Perdas de carga distribuídas
ou Primárias e Perdas de carga localizadas ou Secundárias. A perda de carga total é
considerada como a soma das perdas.
A perda de carga distribuída se deve aos efeitos do atrito no escoamento
completamente desenvolvido em tubos de seção constante. Já a perda de carga
localizada se deve ao fato dos vários acessórios que uma tubulação deve conter
como: válvulas, registros, luvas, curvas, etc.
2.1 Perda de cargas distribuídas
"Poucos problemas mereceram tanta atenção ou foram tão investigados
quanto o da determinação das perdas de carga nas canalizações. As
dificuldades que se apresentam ao estudo analítico da questão são
tantas que levaram os pesquisadores às investigações experimentais"
(AZEVEDO NETO ET AL., 2003).
Assim foi que meados do século 19 os engenheiros hidráulicos Remi P.G.
Darcy (1803-1858) e Julius Weisbach (1806-1871), após inúmeras experiências
estabeleceram uma das melhores equações empíricas para o cálculo da perda de
carga distribuída ao longo das tubulações, porém foi só em 1946 que Rouse vem a
chamá-la de "Darcy-Weisbach", porém este nome não se torna universal até perto
de 1980. A equação de Darcy-Weisbach é também conhecida por fórmula Universal
para cálculo da perda de carga distribuída.
A parede dos dutos retilíneos causa uma perda de pressão distribuída ao
longo do comprimento do tubo, fazendo com que a pressão total vá diminuindo
gradativamente ao longo do comprimento.
2.2 Perda de cargas localizadas
Como dito anteriormente, o escoamento num sistema de tubos pode
necessitar passar por uma diversidade de acessórios, curvas ou mudanças súbitas
de área. Perdas de carga adicionais são encontradas, sobretudo, como resultado da
separação do escoamento. A energia é eventualmente dissipada pela mistura
violenta nas zonas separadas. Essas perdas serão menores e denominadas perdas
localizadas se o sistema consistir em longos trechos de seção constante.
Este tipo de perda de carga ocorre sempre que o escoamento do fluido sofre
algum tipo de perturbação, causada, por exemplo, por modificações na seção do
conduto ou em sua direção. Tais perturbações causam o aparecimento ou o
aumento de turbulências, responsáveis pela dissipação adicional de energia. As
perdas de carga nesses locais são chamadas de perdas de carga localizadas, ou
perdas de carga acidentais, ou perdas de carga locais, ou ainda, perdas de carga
singulares. Alguns autores denominam as mudanças de direção ou de seção de
singularidades.
Em suma, pode-se dizer que este tipo de perda é causado pelos acessórios
de canalização isto é, as diversas peças necessárias para a montagem da tubulação
e para o controle do fluxo do escoamento, que provocam variação brusca da
velocidade, em módulo ou direção, intensificando a perda de energia nos pontos
onde estão localizadas. O escoamento sofre perturbações bruscas em pontos da
instalação tais como em válvulas, curvas, reduções, expansões, emendas entre
outros.
03 CÁLCULOS DAS PERDAS
Em um sistema para identificar a perda de carga total somamos a Perda de
carga distribuída mais Perda de Carga Localizada. Representada pela fórmula:
Hp1-2 = Hpd + Hpl
3.1 Perda de carga distribuída
Para o cálculo desta perda pode-se utilizar inúmeras expressões que foram
determinadas experimentalmente, porém aqui está a Fórmula Universal ou de
Darcy-Weisbach:
Hpd = λ . (L/D) . ((V ao quadrado)/2g)
D Onde:
L comprimento do tubo
D diâmetro do tubo
V velocidade média do escoamento do fluido
g aceleração da gravidade
λ fator de resistência ao escoamento ou fator de atrito, que pode ser obtido da
nas fórmulas a seguir (regime laminar ou turbulento).
É conveniente relembrar que um escoamento pode ser classificado duas
formas, turbulento ou laminar. No escoamento laminar há um caminhamento
disciplinado das partículas fluidas, seguindo trajetórias regulares, sendo que as
trajetórias de duas partículas vizinhas não se cruzam. Já no escoamento turbulento
a velocidade num dado ponto varia constantemente em grandeza e direção, com
trajetórias irregulares, e podendo uma mesma partícula ora localizar-se próxima do
eixo do tubo, ora próxima da parede do tubo.
Em geral, o regime de escoamento na condução de fluídos no interior de
tubulações é turbulento, exceto em situações especiais, tais como escoamento a
baixíssimas vazões e velocidades.
REGIME LAMINAR:
λ para escoamento em regime laminar: lembrar também que se Re<2000 o
escoamento é laminar e o coeficiente de atrito independe da rugosidade, sendo:
λ = 64/Re
REGIME TURBULENTO
λ para escoamento em regime turbulento onde Re>2000 : existirá a
necessidade de calcular a rugosidade específica e utilizar o Diagrama de Moody
com ε/D e Re.
Como:
λ = f ((ρ . V . D)/µ, k/D )
ou seja, λ é função do número de Reynolds e da rugosidade relativa (k/D), estas
informações devem ser levantadas. Onde: k= Rugosidade absoluta.
Muitas vezes o escoamento não ocorrerá em uma tubulação que apresentam
seção circular, desta forma devemos utilizar o diâmetro hidráulico para cálculo do
número de Reynolds, da rugosidade relativa e das perdas primárias.
Dh = 4 . A/P
Onde:
A= Área da seção transversal.
P= Perímetro da seção.
3.2 Perda de carga localizada
Para o cálculo das perdas de carga localizadas podemos utilizar a seguinte
fórmula, que depende das dimensões e do tipo de material. Componentes com
valores de ζ Tabelados.
Hpl = ζ . (V ao quadrado)/ 2g
Por exemplo:
Reduções e aberturas - 0,05 a 1
Válvula com 5º de abertura - ζ=0,05
Te - ζ=1,5 a 2,0
Curva - ζ=0,1 a 0,8
Componentes com valores de ζ Tabelados.
Reduções e expansões - 0,05 a 1
Válvulas - ζ=0,05 a 0,5
Tês - ζ=1,5 a 2,0
Curva - ζ=0,1 a 0,8
Luvas e junções - ζ=0,1 a 0,4
Muitas vezes as perdas secundárias são calculadas por meio de tabelas
fornecidas por fabricantes onde estes indicam as perdas de maneira equivalente
dependendo do tipo de elemento.
FONTE: http://www.ebah.com.br/perda-de-carga-fenomenos-de-transporte-pdf-a18207.html# (acessado 18 de outubro de 2009)