ÁREA: Ensino de Química
TÍTULO: PROPOSTA DE AULA PRÁTICA: AVALIAÇÃO DA PERDA DE CARGA EM FUNÇÃO DO NÚMERO DE REYNOLDS
AUTORES: REZENDE, G. C. (UEG) ; MANFRIN, C. G. (UEG) ; SANTOS, F. M. (UEG) ; OLIVEIRA, R. Z. (UEG) ; COSTA, O. S. (UEG)
RESUMO: O dimensionamento da perda de carga no transporte de fluidos tem grande aplicação prática. Observou-se experimentalmente a correlação entre a perda de carga contínua e o número de Reynolds por meio de uma tubulação retilínea. A perda de carga foi determinada por meio das equações de Bernoulli e Darcy-Weisbach, constatando-se que a perda de carga aumenta com o aumento da turbulência do escoamento. Esta relação parece seguir uma tendência linear crescente na faixa observada, com um coeficiente de correlação maior que 0,99. Tal aula conseguiu demonstrar eficientemente aos alunos de Química Industrial, como calcular na prática a perda de carga utilizando essas duas equações, além de diferenciar conceitos que muitas vezes ficam confusos na teoria, como número de Reynolds e fator de atrito.
PALAVRAS CHAVES: perda de carga, número de reynolds, aula prática
INTRODUÇÃO: O transporte de fluidos tem aplicação em inúmeras atividades, por isso o estudo de seus fenômenos é de grande interesse. Muitas vezes o aluno de Química Industrial fica confuso em meio de tantos conceitos distintos, por isso aliar a teoria relacionada com esses fenômenos à prática pode vir a ser uma solução vitoriosa (SOUZA et al., 2004).
No escoamento de um fluido real através de um duto são considerados vários fatores que levam a perda de energia mecânica: o atrito na parede do tubo, sua viscosidade e as variações no diâmetro do duto, velocidade e pressão do fluido. Parte da energia potencial do fluido é transformada em outros tipos de energia, como o calor e a esta diferença se dá o nome de perda de carga (MILIAVACA et al., 2004).
Considerando-se dois pontos distintos de um fluido em movimento, aplica-se a equação proposta por Daniel Bernoulli para o cálculo da perda de carga, a qual se fundamenta num balanço de energia.
A equação de Darcy-Weisbach tem origem empírica e leva em conta o fator de atrito, viscosidade e o comprimento percorrido pelo fluido. Pode ser utilizada no cálculo de perda de carga contínua tanto em regimes laminares, quanto em regimes turbulentos, alterando o fator de atrito.
O número de Reynolds classifica o tipo de escoamento, exprimindo uma relação entre forças de inércia e viscosidade.
Este trabalho tem por objetivo ensinar o aluno de Química Industrial a calcular a perda de carga contínua na prática por meio da simulação em sistema hidráulico, verificando também, qual o melhor método para o cálculo (equação de Bernoulli ou de Darcy-Weisbach) e encontrar uma correlação entre a perda de carga e o número de Reynolds.
MATERIAL E MÉTODOS: Os experimentos foram realizados em um sistema hidráulico constituído por um reservatório de 50 L de polietileno e três tubulações de pvc de 1,185 m de comprimento, das quais apenas a do tubo retilíneo foi ensaiada.
Inicialmente colocou-se o equipamento sobre um suporte de modo que suas tubulações ficassem niveladas, adotando como plano de referência o eixo central dos tubos. Em seguida, encheu-se o reservatório com água até a altura inicial de 0,46 m. Abriu-se o registro, mantendo-se a vazão constante nesta altura ajustando o fluxo de entrada de água no reservatório. Repetiu-se o mesmo procedimento para um total de 10 alturas diferentes, sendo que cada ensaio foi feito em duplicata.
O tempo de escoamento de aproximadamente 0,001 m3 de água foi cronometrado a fim de se calcular a vazão volumétrica. Pelo menos 8 medidas de vazão foram efetuadas, dos quais obteve-se a média. Assim, a cada altura de carga hidráulica obteve-se a vazão média do escoamento. A partir da vazão, da equação da continuidade e da área da seção transversal da tubulação, estimou-se a velocidade de saída de água para cada carga hidráulica. Essa velocidade foi utilizada nos cálculos da perda de carga pela equação de Bernoulli.
Na equação de Darcy-Weisbach, foi utilizada a velocidade média nos pontos de entrada e saída de água da tubulação, e o comprimento equivalente da mesma, considerando as conexões “Tês” presentes na trajetória do fluido. O fator de atrito empregado na equação racional para escoamentos situados na zona laminar foi calculado por meio da relação f = 64/Re, sendo f = fator de atrito e Re = número de Reynolds, ambos adimensionais. Desta forma, a perda de carga foi avaliada em função das cargas hidráulica impostas ao reservatório.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: Analisando os dados obtidos, pôde-se perceber que com o aumento da altura da coluna de água no reservatório, tanto a vazão, quanto a velocidade, número de Reynolds e perda de carga aumentaram.
Toda a faixa de altura de coluna d´água ensaiada resultou num escoamento laminar. A relação entre número de Reynolds e perda de carga contínua calculada pela equação de Bernoulli e pela equação de Darcy-Weisbach está representada nas figuras 1.
A perda de carga em função do número de Reynolds para ambos os gráficos apresentou uma forte correlação linear crescente até Re = 1.456, onde se observou que, quanto maior o número de Reynolds, maior a perda de carga contínua. Provavelmente isto se deve ao aumento da turbulência do escoamento, onde mais energia é perdida, pois o choque entre as partículas do fluido e entre estas com a parede da tubulação vai sendo intensificado. Já os pontos localizados na faixa de Reynolds 1.613 a 1.695 parecem não acompanhar a mesma tendência de inclinação observada na faixa de 1.191 a 1.456, onde o escoamento deve estar passando do regime laminar para o regime turbulento.
CONCLUSÕES: Com esta aula prática foi possível a percepção do aluno de como pode ser simples a determinação da perda de carga em um sistema hidráulico, auxiliando-o a entender os diferentes fatores que atuam nas equações utilizadas para o cálculo.
Em ambos os gráficos houve uma boa aproximação dos dados em relação ao modelo linear. Porém não se pode afirmar qual gráfico descreve melhor a perda de carga em função do número de Reynolds, pois como o intervalo de dados abrange apenas a zona laminar de escoamento, não se sabe qual o comportamento da curva em um escoamento turbulento.
AGRADECIMENTOS:
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: MILIAVACA, A.; CUNHA, J. T.; DIETRICH, L. B.; MAGALHÃES, T. S. Medição de perda de carga distribuída em tubulações. Porto Alegre, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Departamento de Engenharia Mecânica, 2004.
SOUZA, V. C. B.; SOUZA, R. C.; SANTOS, J. P. L. Manual básico de uso do dispositivo de determinação de perda de carga. Maceió, Universidade Federal de Alagoas, Centro de Tecnologia, Departamento de Águas e Energia. 2004.
