TÍTULO: PERDA DE CARGA EXPERIMENTAL DE LÍQUIDO EM SAÍDA DE TUBULAÇÃO LIVRE E SUBMERSA CATEGORIA: CONCLUÍDO ÁREA: ENGENHARIAS E ARQUITETURA SUBÁREA: ENGENHARIAS INSTITUIÇÃO: UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA AUTOR(ES): NAYARA MOTA OLIVEIRA SOUZA, GUILHERME BATIROLA STANGHERLIN, LUIZ FERNANDO GILLES, OSCAR COSTA DE SOUZA, RAUL MATHEUS PINHEIROS DA SILVA ORIENTADOR(ES): DEOVALDO DE MORAES JÚNIOR, MARLENE SILVA DE MORAES COLABORADOR(ES): ALVARO LUIZ MOREIRA CONRADO, BEATRIZ MELLO DO NASCIMENTO, FABIANA LIMA DE SOUZA, LARISSA GONÇALVES, LARISSA PEIXOTO, RODRIGO FREIRE
1. RESUMO É mister o estudo da perda de carga de líquidos em singularidades, por ser função direta dos custos de bombeamento e, como consequência, do custo do produto final. O trabalho visou determinar experimentalmente a perda de carga em função da vazão da saída livre e submersa de água em duto de PVC horizontal com diâmetro interno de 16 milímetros. A pressão antes da saída da tubulação foi quantificada por um piezômetro. Os resultados indicaram uma diferença menor que 1% entre os dois tipos de singularidades.
2. INTRODUÇÃO A vazão é a quantidade de massa ou volume que escoa durante um intervalo de tempo em uma seção transversal da tubulação. O cálculo deste parâmetro é essencial na área de engenharia, principalmente na execução ou planejamento de projetos. Há várias maneiras de se obter resultados dessa grandeza como o método das coordenadas, dispositivos que provocam diferença de pressão e o método da coleta da vazão por unidade de tempo. Outro objeto de estudo é a perda de carga ou diminuição de energia de um fluido ao longo de seu percurso que pode ser quantificado por manômetros ou piezômetro (MORAES, MORAES, 2011).
3. OBJETIVO Visou o presente estudo obter resultados das perdas de carga na saída de um duto horizontal livre e submerso em função da vazão.
4. METODOLOGIA O método das coordenadas para a medida da vazão é apresentado por Netto (1998). A Equação 1 determina a vazão através do jato de fluido na saída da tubulação como demonstra a Figura 1. Mede-se a distância em que o jato do fluido percorre ao chegar ao nível do tanque e a altura em que a tubulação se encontra. Q = πd2 4. X. g 2.Y (1) Sendo: Q a vazão volumétrica, (m³/s) D o diâmetro interno da tubulação, (m) g a aceleração da gravidade, (m/s²) X a distância horizontal do jato, (m) Y a altura da descarga em relação ao nível do fluido, (m) Figura 1 Distância (x) e altura (y) que o jato do fluido sai da tubulação. A vazão obtida pelo método das coordenadas foi verificado pela técnica da massa por unidade de tempo. Uma coluna piezométrica foi instalada na tubulação próxima a entrada do tanque de descarga na distância de dez vezes o diâmetro interno da tubulação. A Equação 2 foi utilizada para calcular a perda de carga na tubulação (perda de carga distribuída). l w = L + L eq 0,00086 Q1,75 D4,75 (2)
Uma perda de carga adicional após o piezômetro foi adicionada por uma placa de orifício (Figuras 2, 3 e 4). Figura 2 Placa de orifício dentro da tubulação demonstrando a vena contracta Figura 3 Placa de orifício entre as flanges na tubulação. Figura 4 Modelos distintos de placa de orifício. Segundo Netto (1998), a perda de carga em uma tubulação submersa será a mesma em uma tubulação com descarga livre.
5. DESENVOLVIMENTO Utilizou-se dois tanques de acrílico, um para sucção e outro para descarga, com capacidade de 91 litros e 25,83 litros, respectivamente, uma bomba centrífuga de acoplamento magnético (modelo NH 10PX H; rotor aberto de 4mm, fabricante BOMAX), tubulações de PVC cristal de ½ polegada, fluido água em temperatura ambiente (22ºC), placas de orifício de 6,2; 8,65 e 11,45mm, tomadas de piezômetros foram instaladas a distância de dez vezes o diâmetro interno da saída de canalização, e o orifício tem 1/10 do diâmetro da tubulação. Figura 5. Figura 5 Unidade experimental: 1) Bomba centrífuga; 2) Tomadas de piezômetro; 3) Tanque de acrílico de 25,86 litros; 4) Dutos de PVC cristal; 5) Tanque de acrílico de 91 litros.
6. RESULTADOS A altura de coluna de líquido no piezômetro foi observada em duas situações: tubo livre e tubo submerso, Figuras 8 e 9. No mesmo tubo colocou-se placa de orifício para verificar a alteração na altura do líquido na tomada piezométrica. As relações entre os diâmetros dos orifícios das placas com o diâmetro interno do duto equivalem a: 0,38; 0,54 e 0,71 e são denominados beta. Como as tabelas 1 e 2 e as figuras 6 e 7. A tabela indica uma diferença de perda de carga desprezível para as condições estudadas. Tabela 1: Relações entre o beta, vazão volumétrica e altura piezométrica para tubos emerso e submerso. Descarga livre Submerso Beta Q (m³/h) h (m) h (m) 0,38 0,485 0,87 0,85 0,54 0,608 0,425 0,43 0,71 0,717 0,1 0,11 Altura Coluna Líquido (m/s) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 vazão (m³/s) Descarga livre h (m) Linear (Descarga livre h (m)) Submerso h (m) Linear (Submerso h (m)) Figura 6 Relações entre o beta, vazão volumétrica e altura piezométrica para tubos emersos e submersos.
Tabela 2 Dados das vazões pelos métodos das coordenadas e massa por unidade de tempo. Método das coordenadas (Série 1) Método da coleta (Série 2) Beta Vazão (m³/h) Velocidade (m/s) Vazão (m³/h) Velocidade (m/s) 0,38 0,485 0,665 0,398 0,546 0,54 0,608 0,835 0,685 0,940 0,71 0,717 0,984 0,630 0,865 1,2 1 Velocidade (m/s) 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Vazão (m³/h) Série1 Série2 Linear (Série1) Linear (Série2) Figura 7 Gráfico da velocidade em função da vazão pelos métodos das coordenadas e da coleta massa por tempo. Figura 8 Descarga de livre. Figura 9 Tubo submerso.
7. CONCLUSÃO O presente trabalho permitiu concluir que: a) O diâmetro da placa de orifício aumenta e a vazão tem crescimento proporcional ao mesmo. b) A altura do piezômetro diminui com o aumento do diâmetro da placa de orifício; c) De acordo com literatura usada como referência Netto, (1998), MORAES, MORAES (2011), a saída livre e a submersa de um tubo de descarga não interfere na diminuição de energia do material escoado informações comprovadas pelo presente estudo.
8. REFERÊNCIAS NETTO, Azevedo, et al. Manual de Hidráulica. Sâo Paulo: Edgard Blucher 8ed, 1998. MORAES Jr.D. MORAES, M.S. Laboratório de operações unitárias I. Santos: edição dos autores, 2011.