Portfólio Fenomenos de Transporte Rubem Nero

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ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO - M1CI2 
 
RUBEM NERO GOMES XAVIER - 238312021 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PORTFÓLIO DE FENÔMENOS DE TRANSPORTE 
PERDA DE CARGA DISTRIBUÍDA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Guarulhos 
2021 
 
 
 
 
 
 
RUBEM NERO GOMES XAVIER 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PORTFÓLIO DE FENÔMENOS DE TRANSPORTE 
PERDA DE CARGA DISTRIBUÍDA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Trabalho apresentado ao Curso Engenharia de Controle 
e Automação do Centro Universitário ENIAC para a 
disciplina de Fenômenos de Transporte. 
 
Prof. José Eduardo Salgueiro Lima 
 
 
 
 
 
 
 
 
Guarulhos 
2021 
 
 
1. Objetivo Geral 
Analisar o comportamento do escoamento da água em tubulações de 
diferentes diâmetros e materiais, medindo a perda de carga em cada caso. Assim, 
verificar também a influência da variação da vazão de escoamento sobre o sistema 
estudado. 
 
1.1 Objetivos Específicos 
 Verificar a relação de dependência entre a perda de carga e a vazão; 
 Determinar o número de Reynolds para cada caso estudado e sua 
implicação na análise dos dados, bem como o tipo de escoamento 
(laminar, de transição, ou turbulento); 
 Utilizar a equação da continuidade para determinar a velocidade de 
escoamento de um determinado fluido; 
 Analisar como o material utilizado na fabricação dos condutos 
influencia na queda de pressão de um fluido em movimento; 
 Comparar os resultados obtidos nas medições com os valores 
teóricos esperados. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.0 Referencial Teórico 
 
2.1 Segurança 
Para a realização deste experimento você não precisará utilizar 
equipamentos de proteção individual (EPIs). Antes de iniciar a operação do sistema, 
verifique se as válvulas estão na posição correta, se as mangueiras para medição da 
perda de carga estão plugadas, e se a bomba que você irá utilizar está habilitada. 
 
2.2 Cenário 
A bancada didática de Mecânica dos Fluidos e Bombas é composta por 
tubulações de PVC, acrílico, e cobre com diferentes diâmetros, acessórios para 
medição de perda de carga localizada, bombas responsáveis pelo deslocamento 
forçado do fluido e medidores de pressão diferenciais. Outros acessórios e 
componentes secundários, além dos já citados, serão descritos a seguir: 
 
 Linhas de Perda de Carga Distribuída: São compostas por 4 
tubulações de PVC (diâmetro 32mm), PVC (diâmetro 25mm), Cobre 
(diâmetro 28mm) e Acrílico (diâmetro 25mm). Possuem 2 pontos de 
medição de pressão distando 1 metro entre eles. 
 Acessórios de Perda de Carga Localizada: Diversos dispositivos 
utilizados na montagem de sistemas de tubulações (joelhos, curvas, 
expansões, contrações, válvulas, filtros, etc) são apresentados no 
equipamento didático. Conectores pneumáticos estão posicionados 
antes e depois de cada um deles, para que a queda de pressão 
localizada possa ser mensurada. 
 Medidores de Vazão: São dispositivos destinados à obtenção da 
vazão do escoamento do fluido. O Tubo de Venturi e a Placa de 
Orifício, presentes no equipamento, são 2 deles. Através da perda de 
carga entre 2 pontos destes acessórios, é possível obter a vazão 
aplicando a equação da conservação da energia. Além desses, existe 
ainda um medidor do tipo rotâmetro, que permite a aquisição da 
vazão de água através do sistema utilizando um êmbolo e uma escala 
graduada, pelo princípio do equilíbrio de forças. 
 
 
 
 Medidores de pressão: Na bancada se encontram 4 tipos de 
medidores de pressão. O manômetro em U, o manômetro digital, os 
manômetros de Bourdon e os manovacuômetros. Todos eles serão 
abordados de forma mais aprofundada no sumário teórico e roteiro 
dos experimentos. 
 Quadro Elétrico: Reservado ao controle elétrico do sistema. Contém 
um inversor de frequência destinado a realizar o controle das bombas 
centrífugas. Possui as funções de liga/desliga, botão de emergência e 
controle de vazão. 
 Bombas: Tipo centrífuga de 0,5CV de potência e ligação elétrica 220V 
trifásica. São utilizadas para succionar a água do reservatório inferior, 
tendo como recalque o sistema em estudo. São fornecidas duas 
bombas de mesmo modelo. 
 Tanque de acrílico: Reservatório apoiado sobre a mesa destinado a 
realizar acúmulo de água através do fechamento da válvula de 
retorno ao tanque inferior.Em algumas aplicações industriais, nas 
quais ocorre o deslizamento de duas superfícies metálicas, além da 
lubrificação adequada, é necessário que essas superfícies 
apresentem alta dureza. Em um processo de usinagem, por exemplo, 
trabalha-se com ligas de aço relativamente macias para redução dos 
tempos de processo. 
 
2.3 Perda de Carga 
A Perda de Carga é um dos parâmetros de maior interesse no estudo do 
escoamento em tubulações, visto que ela está diretamente relacionada com a 
potência de bombeamento necessária em um sistema hidráulico. A perda de carga 
geralmente é segregada em 2 tipos, sendo eles a perda distribuída ou contínua e a 
localizada. As variáveis que influenciam na queda de pressão são a viscosidade do 
fluido, a velocidade do escoamento, o comprimento, diâmetro e a rugosidade do 
conduto. 
O número adimensional de Reynolds permite associar um valor numérico ao 
tipo de escoamento, e é muito utilizado nos projetos de sistemas hidráulicos e 
aerodinâmicos, principalmente. 
 
 
 
3. Pré Teste 
 
1) Em relação ao fator de atrito (f) para escoamento interno em tubulações, é 
incorreto afirmar que: 
a) para um determinado diâmetro de tubulação e fluido escoando, existem 
vazões para as quais o fator de atrito depende apenas do número de Reynolds; 
b) para determinados diâmetros de tubulação, com um fluido designado 
escoando, existem vazões e materiais para os quais o fator de atrito não depende do 
número de Reynolds; 
c) o fator de atrito sempre aumenta com a rugosidade do material. 
 
Resposta: Alternativa C, visto que dependendo do número de Reynolds e do 
diâmetro da tubulação, o fator de atrito pode diminuir com o aumento da rugosidade. 
 
2) A respeito do número de Reynolds, é correto afirmar: 
a) é o único parâmetro necessário para que a perda de carga teórica em um 
escoamento seja determinada, independente do tipo de escoamento; 
b) permite determinar o tipo de escoamento que ocorre em um conduto, e 
pode ser obtido utilizando apenas a vazão do fluido, sua viscosidade cinemática e o 
diâmetro interno da tubulação; 
c) o escoamento é considerado laminar quando o número de Reynolds é 
igual a 1500 metros por segundo. 
 
Resposta: Alternativa B, visto que o número de Reynolds permite dizer se o 
escoamento é laminar, de transição, ou turbulento e pode ser obtido utilizando 
apenas os parâmetros vazão do fluido, viscosidade cinemática do fluido e o diâmetro 
interno da tubulação. 
 
3) A respeito da equação da conservação da energia, é correto o que se 
afirma em: 
a) sua manipulação permite a obtenção da perda de carga entre 2 pontos do 
escoamento interno de um fluido, englobando a queda de energia causada por 
quaisquer fatores; 
b) o seu desenvolvimento é creditado a Lewis Ferry Moody; 
 
 
c) permite determinar, separadamente, as perdas de cargas distribuídas e 
localizadas. 
 
Resposta: Alternativa A, visto que diferentemente das equações específicas 
para cada tipo de perda de carga e escoamento, a equação da conservação da 
energia consegue mensurar as perdas por todos os fatores, sem conseguir segregar 
sua origem (localizada ou distribuída). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4. Descrição do Experimento 
 
4.1 Materiais Utilizados 
 Tubulação de PVC 32 mm; 
 Tubulação de PVC 25 mm; 
Tubulação de cobre 28 mm; 
 Tubulação de acrílico 25 mm; 
 Manômetro em U; 
 Rotâmetro; 
 Válvulas; 
 Quadro elétrico; 
 Bombas. 
 
4.2 Procedimentos 
 
Inicialmente são posicionadas as válvulas das bombas na seguinte posição: 
válvulas A1 e B2 abertas e válvulas B1 e A2 fechadas. 
 
Após o posicionamento das válvulas das bombas, posicionamos as válvulas 
das linhas, de acordo as configurações abaixo: 
 
Linha 1 - Tubo de PVC 32mm 
• Válvulas abertas: C2, V03 
• Válvulas fechadas: V04, V05, V06, V07, V08, V09, V10, V11 
 
Linha 2 - Tubo de PVC 25mm 
• Válvulas abertas: C2, V04 
• Válvulas fechadas: V03, V05, V06, V07, V08, V09, V10, V11 
 
Linha 3 - Tubo de Cobre 28mm 
• Válvulas abertas: C2, V05 
• Válvulas fechadas: V03, V04, V06, V07, V08, V09, V10, V11 
 
 
 
Linha 4 - Tubo de Acrílico 25mm 
• Válvulas abertas: C2, V06 
• Válvulas fechadas: V03, V04, V05, V07, V08, V09, V10, V11 
 
Após a configuração das linhas, conectamos as mangueiras de tomada de 
pressão na linha a qual o experimento será realizado. A distância entre os pontos de 
tomada de pressão é de um metro em qualquer uma das linhas. 
 
Antes de ligar a bomba, é necessário verificar se o botão de emergência 
retentivo não está acionado. Assim, habilitamos a bomba 2, posicionamos o 
potenciômetro de vazão no centro da sua escala e ligamos o sistema. 
 
O potenciômetro é utilizado para variar a vazão e assim a perda de carga 
correspondente, ao se finalizar a leitura de dados em uma linha, é necessário 
desligar a bomba 2 e desconectar as mangueiras, e novamente configurar as 
mangueiras para realizar a prática em outra linha, e por fim, religar a bomba de 
acordo o mesmo procedimento visto anteriormente. 
 
4.3 Resultados Obtidos 
 
Após a realização dos procedimentos obtivemos através da configuração 
das linhas os seguintes dados: 
Linha 1: Psi=1850 e U =60 mca 
Linha 2: Psi=1710 e U =180 mca 
Linha 3: Psi=1800 e U =20 mca 
Linha 4: Psi=1700 e U =49 mca 
 
É possível verificar que quanto maior o diâmetro, menor a perda de 
carga. O diâmetro é inversamente proporcional à perda de carga. Quanto 
maior a velocidade do fluido, maior a perda de carga. 
A rugosidade depende diretamente do material do tubo. Os principais fatores 
que interferem nas perdas de carga são: o tipo de fluido escoado, o tipo e formato 
das paredes dos tubos como o diâmetro e seu envelhecimento, o regime de 
escoamento do fluido (laminar, transitório ou turbulento) e a velocidade do 
 
 
escoamento. 
Na Perda de Carga Distribuída ou Primária, a parede dos dutos retilíneos 
causa uma perda de pressão distribuída ao longo do comprimento do tubo, fazendo 
com que a pressão total diminua gradativamente ao longo do comprimento. 
A pressão dinâmica depende de algumas características da tubulação, 
como: Traçado da tubulação e diâmetros adotados. O valor de pressão dinâmica é a 
pressão estática menos o valor das perdas de carga localizadas e distribuídas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5. Pós Teste 
 
1) Qual foi a dependência observada entre a perda de carga, a vazão do 
fluido no sistema e o diâmetro da tubulação, mantendo as outras variáveis 
constantes? 
a) A perda de carga aumentou com a redução da vazão e aumento do 
diâmetro da tubulação; 
b) A perda de carga foi maior com o aumento da vazão e aumento do 
diâmetro da tubulação; 
c) A perda de carga aumentou com a ampliação da vazão do sistema e 
redução do diâmetro da tubulação. 
 
Resposta: Alternativa C, visto que a queda de pressão entre 2 pontos (perda 
de carga), é maior com o aumento da vazão e redução do diâmetro interno da 
tubulação em que um fluido escoa. 
 
2) Para uma mesma vazão, analisando o comportamento da queda de 
pressão entre os pontos de medição, qual das 4 linhas de perda de carga distribuída 
apresentou a maior queda? 
a) A linha de acrílico, uma vez que sua rugosidade é superior à rugosidade 
do PVC; 
b) A linha de PVC 25 mm, uma vez que esta possui o menor diâmetro 
interno; 
c) A linha de acrílico, que apesar de possuir uma rugosidade menor que o 
PVC, têm o diâmetro interno menor, que acabou exercendo maior influência sobre a 
perda de carga. 
 
Resposta: Alternativa C, visto que a linha de acrílico apresentou a maior 
perda de carga entre os pontos de medição, uma vez que seu menor diâmetro 
interno entre as tubulações consideradas exerceu maior influência na queda de 
pressão. 
 
3) No projeto da linha de sucção de uma bomba centrífuga, semelhante à 
existente na bancada didática, deseja-se que a tubulação cause a menor perda de 
 
 
carga possível. Estão disponíveis tubulações de cobre, PVC e acrílico, de diâmetro 
interno 21 mm, 21.7 mm e 26.5 mm, e comprimento 1 m, 1.5 m e 2 m. Qual das 
combinações a seguir melhor atende às condições dispostas? 
a) Tubulação de Acrílico, com 2 m de comprimento, e diâmetro interno 26.5 
mm; 
b) Tubulação de Acrílico, com 1 m de comprimento, e diâmetro interno de 
26.5 mm; 
c) Tubulação de Cobre, com 1 m de comprimento, e diâmetro interno de 26.5 
mm. 
 
Resposta: Alternativa B, visto que é a combinação que causa a menor perda 
de carga entre as disponíveis. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6. Considerações Finais 
 
Ao final do experimento, foi possível verificar que o estudo sobre a Perda 
de Carga em Condutos Forçados é de extrema importância para o projeto de 
sistemas hidráulicos, permitindo a verificação do atrito do fluido em escoamento nas 
tubulações e as perdas existentes a partir dos componentes presente no sistema. A 
Perda de carga distribuída ocorre apenas em trechos de tubulação retilíneo e de 
diâmetro constante. Este tipo de perda ocorre, pois a parede dos dutos retilíneos 
causa uma perda de pressão distribuída ao longo do comprimento da tubulação, 
assim a pressão total vai diminuindo gradativamente. 
A Perda de carga localizada ocorre em trechos da tubulação onde há 
presença de acessórios, como válvulas, curvas, conexões, bombas, entre outros. A 
presença desses acessórios contribui para a alteração do módulo, ou direção da 
velocidade média do escoamento e, assim consequentemente da pressão no local, 
alterando o escoamento, Contribuindo para o aumento da turbulência no 
escoamento do fluido e essa turbulência provoca a perda de carga.