Máquinas Hidráulicas

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Como o escoamento dos fluidos nos condutos era muito desconhecido, Osborne Reynolds teve o interesse em observar este comportamento dos fluidos. Ele desenvolveu um equipamento para analisar os fluidos, que consistia em um tubo transparente inserido em um recipiente com paredes de vidro e na entrada do tubo têm-se um ponto de introdução de um corante e uma torneira para regulagem da vazão. Após inúmeros testes com este equipamento, Reynolds chegou à seguinte conclusão: que trabalhando com diferentes diâmetros e temperaturas, o melhor critério para se determinar o tipo de movimento em uma canalização não se prende exclusivamente à velocidade, mas ao valor de uma expressão sem dimensões, na qual se considera, também, a viscosidade do líquido.

[pic 3]

Onde:

Re: número de Reynolds

v: velocidade do fluido (m/s)

D: diâmetro da canalização (m)

μ: viscosidade cinemática (m2/s)

Se o escoamento obtiver Re menor que 2000, o movimento das camadas do fluido será em forma laminar. Se o Re maior que 4000, o movimento das camadas do fluido será desordenadas (turbulento).

Através dos tipos de escoamentos das tubulações, denomina-se perda de carga de uma instalação a resistência oferecida pelas tubulações e acessórios ao escoamento do fluído. No estudo dos fluidos em movimento, a viscosidade é um importante fator a ser considerado. Segundo AZEVEDO NETTO (1998, p. 114):

Quando, por exemplo, um líquido flui de (1) para (2), na canalização indicada na Fig. 7.9, parte da energia inicial se dissipa sob a forma de calor; a soma das três cargas em (2) (teorema de Bernoulli) não se iguala à carga total em (1). A diferença h, que se denomina perda de carga, é de grande importância nos problemas de engenharia e por isso tem sido objeto de muitas investigações.

Segue abaixo a figura que descreve a situação acima:

[pic 4]

Figura 7.9 - Perda de Carga

Quando o escoamento se faz em regime laminar, a resistência é devida à viscosidade. Ainda que essa perda de energia seja designada como perda por atrito, não se deve supor que ela seja devida a uma forma de atrito. Não há movimento do fluido nas paredes dos tubos. A velocidade se eleva de zero até o seu valor máximo junto ao eixo do tubo. Sendo assim, é possível imaginar uma série de camadas em movimento, com velocidades diferentes e responsáveis pela dissipação da energia. Quanto ao escoamento em regime turbulento, a resistência é o efeito das forças devidas à velocidade e à inércia. A distribuição de velocidades na canalização depende diretamente da turbulência sendo influenciada pelas condições das paredes do tubo.

A perda de carga na instalação pode ser classificada em: contínua e localizada. Sendo que a contínua consiste na perda de carga nos trechos retos de canalizações. Já a localizada, nos acessórios das tubulações. Existem alguns fatores que influem de forma direta na perda de carga como: a natureza do fluido, o estado superficial da parede (o material que constitui o tubo), o diâmetro da tubulação, a natureza do regime de escoamento (se laminar ou turbulento), entre outros.

Além disso, outros fatores devem ser considerados como, por exemplo:

- O material empregado na fabricação do tubo: relacionado ao estado superficial da parede é função do material.

- O processo de fabricação do tubo: resistência oferecida dependendo do seu processo de fabricação.

- Revestimentos especiais: empregados para eliminar ou minimizar o efeito da corrosão, entre outras coisas.

- Estado de conservação das paredes: tubo que sofre limpeza periódica apresenta melhores condições.

- Idade da tubulação: com o passar dos tempos, a rugosidade das paredes dos tubos aumenta e, com a deposição progressiva das substâncias contidas nos fluidos, há uma redução da secção de escoamento, advindo daí uma redução na capacidade de transporte da tubulação.

A equação de Bernoulli, conforme BRUNETTI (2008, p. 89), pode ser enunciada da seguinte maneira: Se, entre duas seções do escoamento, o fluido for incompressível, sem atritos, e o regime permanente, se não houver máquina nem trocas de calor, então as cargas totais se manterão constantes em qualquer seção, não havendo nem ganhos nem perdas de carga.

Deste modo, a equação de Bernoulli pode ser descrita da seguinte forma:

[pic 5]

Onde:

h =altura da partícula de fluído ;[pic 6]

P = pressão do fluxo do fluído;[pic 7]

v = velocidade linear da partícula de fluído ;[pic 8]

g= aceleração da gravidade, idealizado 9,81;[pic 9]

γ = peso específico da substância ;[pic 10]

ΔH = diferença de perda de carga entre dois pontos.

Como no caso deste experimento o tubo é horizontal, logo, a diferença de altura da partícula de fluído é igual a zero. A velocidade de entrada também será desconsiderada nessa equação. Então, a equação dada acima pode ser resumida da seguinte forma:

[pic 11]

Esta equação é definida como perda de carga experimental. A ideia de perda de carga é introduzida para balancear a equação acima, uma vez que, o seu objetivo não é o de explicar o paradeiro da energia que é dissipada pelo fluído ao longo do seu escoamento (BRUNETTI, 2008).

Já a perda de carga analítica é definida pela fórmula:

[pic 12]

Onde:

ΔH = diferença de perda de carga entre dois pontos;

v = velocidade linear da partícula de fluído (m/s);

g = aceleração da gravidade, idealizado 9,81(m/s²);

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