TRABALHO PRÁTICO SOBRE ESCOAMENTO E FATOR DE ATRITO EM TUBULAÇÕES

Publicado em 29 de setembro de 2015 por Luis Guilherme Seidel

UNIVATES

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

 

 

 

 

 

 

 

 

TRABALHO PRÁTICO SOBRE ESCOAMENTO E FATOR DE ATRITO EM TUBULAÇÕES

 

Bernardo Vinicius Purper

Carlos Eduardo Rech

Douglas Felipe Diefenthäler

Hilário Weber

Luis Alberto Menezes

Luis Guilherme Seidel

Samuel Henrique Schneider

 

 

 

 

Lajeado, Junho de 2015

Bernardo Vinicius Purper

Carlos Eduardo Rech

Douglas Felipe Diefenthäler

Hilário Weber

Luis Alberto Menezes

Luis Guilherme Seidel

Samuel Henrique Schneider

 

 

 

 

TRABALHO PRÁTICO SOBRE ESCOAMENTO E FATOR DE ATRITO EM TUBULAÇÕES

 

Trabalho prático realizado na disciplina de Mecânica de Fluídos, do Curso de Engenharia Mecânica, do Centro Universitário UNIVATES, como parte da terceira nota da disciplina.

 

Professor: M.Sc. Lober Hermany

 

 

 

 

 

 

Lajeado, Junho de 2015

 

LISTA DE TABELAS

 

Tabela 1 - Valores para vazão e pressão em tubulação rugosa com Ø = 3/4 de polegada 9

Tabela 2 - Valores para vazão e pressão em tubulação lisa com Ø = 3/4 de polegada 12

Tabela 3 - Valores para vazão e pressão em tubulação lisa com Ø = 1/2 polegada 13

 

 

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

 

Figura 1 - Gráfico do fator de Atrito 10

Figura 2 - Uso de corante para verificação do tipo de escoamento no tubo 11

 

 

SUMÁRIO

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. OBJETIVO

 

Realizar um experimento para determinar, por meio de cálculos, a relação entre a vazão de escoamento e o fator de atrito da tubulação, utilizando, no ensaio,de equipamentos como hidrômetro, medidor de pressão, bomba, tubulações e válvulas, e comparando os resultados obtidos com os valores tabelados no diagrama de Moody.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. METODOLOGIA

 

Foram realizadas nove medições de vazão e diferencial de pressão numa tubulação de diâmetro e comprimento conhecidos, porém com rugosidade desconhecida e, também, uma medição em tubulações lisas, a primeira com o mesmo diâmetro e a segunda com diâmetro diferente da primeira. Assim foram tabelados os valores encontrados e aplicadas as fórmulas estudadas nesta disciplina afim de plotar os valores no gráfico (número de Reynolds x Fator de atrito) e, por fim, validar os valores encontrados àqueles estudados em aula.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. CARACTERÍSTICAS

 

  • Fluido: Água

  • Massa específica da água: aproximadamente 1000 kg/m³ (quilogramas por metro cúbico)

  • Temperatura do experimento: temperatura ambiente (17°Celsius)

  • Comprimento da tubulação: 1128milímetros

  • Diâmetro do tubo 1: ¾ de polegada

  • Diâmetro do tubo 2: ¾ de polegada

  • Diâmetro do tubo 3: ½ de polegada

  • Superfície interna do tubo 1: Rugosa

  • Superfícieinterna do tubo 2: Lisa

  • Superfícieinterna do tubo 3: Lisa

  • Medidor de vazão: Hidrômetro analógico da marca LAO com vazão de Qn= 1,5 m³/h (metros cúbicos por hora) e vazão mínima de 0,030 m³/h (metros cúbicos por hora).

  • Medidor de Pressão: digital, resolução 0,1 psi

  • Bomba de água e acessórios, conforme modelo do equipamento.

 

 

 

 

 

 

 

  1. DESENVOLVIMENTO

 

Para preparar o experimento foram realizados ajustes nas válvulas e conexões do equipamento, acionado a bomba de água e realizado a primeira medição de vazão, com um cronômetro e lendo no relógio de vazão o apontamento de 10 litros em “x” tempo (segundos), marca na qual o cronômetro parava; em seguida foi realizado a inversão das válvulas direcionando o fluxo do fluido para a tubulação (diâmetro ¾de polegada – rugosa) e foi coletado a leitura do gradiente de pressão desta tubulação. Os dados encontrados foram tabelados e o procedimento foi repetido para as nove vazões estabelecidas.

Logo após foi calculado o número de Reynoldse, também a perda de carga, para posteriormente encontrar a velocidade média e fator de Atrito desta tubulação.

Q

tempo

Q (m3/s)

V (m/s)

Re

Δ p (psi)

Δ p (Pa)

ρ

g

H

Fator de Atrito

10

10,3

0,000971

3,406575

64895,25

2,3

15857,95

1000

9,81

1,616508

0,04615588

10

10,21

0,000979

3,436603

65467,29

2

13789,52

1000

9,81

1,40566

0,039437214

10

10,78

0,000928

3,25489

62005,66

1,8

12410,57

1000

9,81

1,265094

0,039567151

10

11,94

0,000838

2,93867

55981,66

1,3

8963,188

1000

9,81

0,913679

0,035057162

10

13,03

0,000767

2,692841

51298,62

1

6894,76

1000

9,81

0,70283

0,032115418

10

14,38

0,000695

2,440036

46482,69

0,8

5515,808

1000

9,81

0,562264

0,031291941

10

15,5

0,000645

2,263724

43123,94

0,6

4136,856

1000

9,81

0,421698

0,027267128

10

18,31

0,000546

1,916315

36505,79

0,4

2757,904

1000

9,81

0,281132

0,025366551

10

24,31

0,000411

1,443345

27495,72

0,2

1378,952

1000

9,81

0,140566

0,022357573

 

Tabela 1 - Valores para vazão e pressão em tubulação com Ø = ¾ de polegada

 

Onde

 

Os valores do número de Reynolds e do fator de atrito foram usados para elaboração do gráfico ilustrado na Figura 1, através do qual se observou um comportamento semelhante ao tabelado no diagrama de Moody.

 

Figura 1 - Gráfico do fator de Atrito

 

 

 

 

 

 

  1. CARACTERÍSTICA DO EXPERIMENTO

 

    1. Etapa 1 – Determinação do número de Reynolds

 

Ao injetar um corante azul na tubulação observou-seque o escoamento tem regime turbulento nessa tubulação, com onúmero de Reynolds maior que 2000,conforme demonstrado na figura 02. Para conseguir um escoamento em regime laminar, foi necessário regular a vazão em 0,053 m³/s (metros cúbicos por segundo) e, assim onúmero Reynoldsfoi igual a 1012.

 

Figura 2 - Uso de corante para verificação do regime do escoamento no tubo.

 

 

    1. Etapa 2 - Perda de Carganum tubo lisocom Ø = ¾ de polegada

 

Para determinar a perda de carga num tubo liso, foi aplicado o mesmo procedimento e, assim, coletadas as informações e calculados o númeroReynoldse perda de Carga. Após os valores calculados para o diferencial de pressão e número de Reynolds foram comparadoscom os do diagrama de Moody.

Q

tempo

Q (m3/s)

V (m/s)

Re

Δ p (psi)

Δ p (Pa)

ρ

g

h

Fator de Atrito

10

9,88

0,001012

3,551389

67.654

1,5

10342,14

1000

9,81

1,054245

0,027696819

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabela 2 - Valores para vazão e pressão em tubulação lisa com Ø = ¾ de polegada

 

Onde

1,128

 

Observou se que o diferencial de pressão Δ p (Pa) encontrado no experimento, divergiu ao valor calculado pelo diagrama de Moody. A causa da divergência pode ter ocorrido por fatores como o tubo não ser totalmente liso, com rugosidades que ocasionam atritos, possibilidade de ter variações no medidor de vazão, alteração da massa específica do fluido devido a contaminação, erro de medição dos instrumentos, maiores perdas de carga devido as válvulas e curvas.

 

    1. Etapa 3 - Perda de Carga num tubo liso Ø = ½polegada

 

Para a perda de carga num tubo liso foi aplicado o mesmo procedimento e coletado as informações e aplicado formulas de Reynolds e cálculo de perda de Carga; e foi comparado valores obtidos do diferencial de pressão Δ p com valores encontrados pelo diagrama de Moody.

Q

tempo

Q (m3/s)

V (m/s)

Re

Δ p (psi)

Δ p (Pa)

ρ

g

h

Fator de Atrito

10

9,88

0,001012

7,994033

101.524

3,9

26889,56

1000

9,81

2,741036

0,009475

 

Tabela 3 - Valores para vazão e pressão em tubulação lisa com Ø = ½ polegada.

 

Onde

1,128

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. RESULTADOS

 

Observou se que

  • De acordo com o gráfico da figura 01, quanto maior for o número de Reynolds, maior será o fator de atrito.

  • Quanto maior a rugosidade do tubo, maior o fator de atrito.

  • A perda de carga para uma situação de mesma vazão(Q), porém com diâmetros diferentes, conforme as etapas 2 e 3, é maior no tubo de menor diâmetro.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. CONCLUSÃO

 

Em vista dos resultados apresentados, leva-se a acreditar que o fator de atrito está intimamente ligado ao número de Reynolds e a velocidade de escoamento, visto que o aumento da turbulência na tubulação assim como a rugosidade e velocidade do escoamento, causam a elevação do fator de atrito.

Já a perda de carga aumenta com a diminuição do diâmetro tubular e diminui com a redução da velocidade e número de Reynolds. Assim, para conseguirmos o uma tubulação com um escoamento mais eficiente, ou seja, com menor perda de carga, para os diversos fins de transporte de líquidos, devemos diminuir o fator de atrito ao máximo, usando tubulações lisas com o menor número de falhas, válvulas e curvas ou junções.