Perda de carga e resistência hidráulica
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Calcular as quedas de pressão e as resistências hidráulicas
A perda de energia no escoamento de um fluido está relacionada com a viscosidade do líquido, mas a viscosidade em si não é o único fator que determina a perda de carga. Mas pode argumentar-se que a magnitude da perda de carga é quase sempre proporcional ao quadrado da velocidade média do fluido.
Esta hipótese é confirmada pelos resultados da maior parte dos trabalhos experimentais e das experiências especialmente efectuadas. Por esta razão, as perdas de carga são geralmente calculadas em função da carga de velocidade (energia cinética específica do escoamento). Assim :
Naturalmente, as paredes sólidas impedem a livre circulação do líquido. Consequentemente, com o movimento relativo de superfícies fluidas e sólidas, surge inevitavelmente uma resistência hidráulica. Parte da energia do fluxo é gasta para superar a resistência resultante.
Esta perda de energia é designada por perda hidráulica específica ou perdas de carga. As perdas hidráulicas estão principalmente associadas à superação das forças de atrito no escoamento e dependem de uma série de factores, sendo os principais :
- A forma geométrica do tubo
- A velocidade do fluido
- A rugosidade das paredes sólidas do escoamento
- O tipo de fluxo
- A viscosidade do líquido
- Algumas outras propriedades operacionais do líquido
Lperdas de água são praticamente independentes da pressão no líquido.
Se considerarmos um tubo com duas secções transversais 1 e 2 com a mesma área de secção transversal а, a diferença de altura de nivelamento Z1 e Z2a perda de energia específica pode ser considerada como
A experiência mostra que, em muitos casos, as perdas de energia são diretamente proporcionais ao quadrado do caudal do fluido, pelo que, em hidráulica, é habitual exprimir a energia perdida como fracções da energia cinética atribuída ao peso unitário do líquido.
Onde Ɛ̧ é o coeficiente de atrito.
O coeficiente de resistência pode, portanto, ser definido como o rácio entre a altura perdida e a altura da velocidade.
Perdas de carga singulares nas resistências hidráulicas locais
Resistência hidráulica
Resistências hidráulicas locais são as secções do sistema hidráulico onde existem curvas, obstáculos, dilatações ou contracções que provocam uma alteração brusca do perfil do fluxo. Exemplos de resistências locais incluem curvas no eixo do tubo, alterações na área da secção transversal de qualquer equipamento hidráulico, juntas de tubos, etc.
Alargamento súbito de um tubo :
A expansão súbita do canal pode ser frequentemente observada na junção de secções de condutas. O valor do coeficiente de perda de pressão é determinado com precisão suficiente a nível teórico.
O fluxo de líquido que circula num tubo de menor diâmetro d, caindo num tubo de maior diâmetro, não toca imediatamente nas paredes da nova secção do tubo, mas apenas numa secção transversal de 2-2′.
Na área entre as secções 1 – G e 2-2′, forma-se uma zona em que o líquido quase não participa no movimento através dos tubos, formando um fluxo de vórtice local, onde sofre deformação. Por esta razão, uma parte da energia cinética do fluido em movimento é gasta para manter a fusão e a deformação “parasitárias” do líquido. Os valores das velocidades médias do líquido nas secções podem ser determinados a partir da condição de continuidade.
Podemos então dizer que a perda de altura durante uma expansão súbita do fluxo é igual à altura da velocidade correspondente à velocidade perdida.
Expansão suave de um tubo (difusor) :
A expansão suave do tubo é designada por difusor. O fluxo de fluido no difusor é complexo. À medida que a secção transversal viva do fluxo aumenta gradualmente, a velocidade do fluido diminui em conformidade e a pressão aumenta.
Estreitamento súbito de um tubo :
Com um estreitamento súbito do canal, o fluxo de líquido desprende-se das paredes.
Nesta região de escoamento, formam-se duas zonas de intensa formação de vórtices (tanto numa secção larga do tubo como numa secção estreita), originando, tal como no caso anterior, perdas de carga. Esta é constituída por dois componentes (perdas por fricção e perdas por retração).
Estreitamento suave de um tubo
O canal é suavemente estreitado utilizando uma secção cónica chamada confusor. As perdas de carga no confusor ocorrem quase como resultado do atrito, uma vez que praticamente não há formação de vórtices no confusor. O coeficiente de perda de carga no confusor pode ser determinado pela fórmula:
Para um ângulo de cone grande > 50°, o coeficiente de perda de pressão pode ser determinado introduzindo um coeficiente de correção km na fórmula.
Entrada normal da mangueira
A partir dos tanques onde os líquidos são armazenados, a tubagem de descarga entra na chamada versão normal, ou seja, quando o eixo do tubo de derivação da tubagem está normalmente localizado na parede lateral do tanque. Este tipo de resistência hidráulica pode também ser atribuído às resistências associadas à alteração da dimensão do canal. As dimensões do novo canal são infinitesimais em relação às dimensões do canal original com a secção transversal da albufeira.
Neste caso, dentro do tubo de derivação do jato, o líquido que flui do tanque enche toda a secção do tubo, não imediatamente, mas apenas a uma certa distância da entrada. Na zona de estagnação, parte do líquido gira e o vórtice resultante gera g adicional.
O rácio de perda de carga é aproximadamente metade da altura da velocidade: Ɛ̧ = 0,5
Saída do tubo num líquido parado
Trata-se de um elemento comum na ligação entre a parte sob pressão da conduta e o reservatório. O tubo de entrada da tubagem está normalmente localizado na parede lateral do reservatório. Este tipo de resistência hidráulica pode também ser considerado como uma espécie de expansão súbita do fluxo de fluido para uma secção infinitamente grande. Na maioria dos casos, o valor do coeficiente de perda de carga é considerado igual à carga de velocidade.
Cotovelo retangular de 90°
Por resistência hidráulica, entende-se o local de ligação de condutas do mesmo diâmetro, em que os eixos das condutas não coincidem, formando um certo ângulo entre si. Este ângulo é chamado de ângulo de rotação do canal, porque aqui a direção do movimento do líquido muda. Os fundamentos físicos do processo de conversão da energia cinética durante a rotação do fluxo são bastante complexos e só devem ser considerados como o resultado destes processos. Assim, durante a passagem, forma-se um padrão de fluxo complexo com duas zonas de movimento de fluido de vórtice. É de notar que este cotovelo como elemento de ligação é extremamente indesejável devido à perda significativa de cabeça neste tipo de ligação.
Rotação suave do canal
Este tipo de resistência hidráulica pode ser considerado economicamente mais favorável em termos da magnitude das perdas de carga, uma vez que neste caso praticamente não existem zonas perigosas para a formação de movimentos intensos de fluido. No entanto, devido ao facto de, quando o fluxo é rodado, surgirem forças centrífugas que contribuem para a separação das partículas líquidas da parede do tubo, surgem sempre zonas de vórtice. Além disso, neste caso, há refluxos de líquido dirigidos da parede interna do tubo para a parede externa do tubo.
Válvula
As válvulas de gaveta são frequentemente utilizadas como meio de regular as características do fluxo de fluido (caudal, altura, velocidade). Se houver uma válvula no tubo, o fluxo à volta da válvula abranda consideravelmente. Este fluxo leva ao aparecimento de vórtices perto das matrizes da válvula. O coeficiente de perda de pressão depende do grau de fecho da válvula: a/d
Registo
As válvulas de gaveta são frequentemente utilizadas como meio de regular as características do fluxo de fluido (caudal, altura, velocidade). Se houver uma válvula no tubo, o fluxo à volta da válvula abranda consideravelmente. Este fluxo leva ao aparecimento de vórtices perto das matrizes da válvula. O coeficiente de perda de pressão depende do grau de fecho da válvula
Válvulas de controlo e filtros
Os coeficientes de perda de carga são geralmente determinados experimentalmente.
