ÁREA: Ensino de Química
TÍTULO: PROPOSTA DE AULA TEÓRICO - PRÁTICA: VARIAÇÃO DA PERDA DE CARGA EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DA TUBULAÇÃO
AUTORES: MANFRIN, M. G. (UEG) ; OLIVEIRA, Y. J. (UEG) ; ALBERNAZ, J. C. (UEG) ; CARDOSO, R. P. G. (UEG) ; COSTA, O. S. (UEG) ; MEDEIROS, M. M. (UEG)
RESUMO: RESUMO: Esta proposta de aula visa à integração de teoria e prática para o ensino de cursos de Química Industrial e Engenharia Química, sobre perda de carga em Mecânica dos Fluidos. Nesta aula abordam-se os seguintes tópicos: noções sobre perda de carga, observação do escoamento por meio de ensaios em sistema hidráulico dotado de três tubulações, a primeira retilínea, a segunda com redução e outra não-retilínea; escolha dos parâmetros a serem medidos; identificação dos modelos matemáticos representativos dos fenômenos observados. Verificou-se tratar-se de aula de fácil planejamento e realização, no qual promoveu a intensa participação do aluno, conduzindo a uma seqüência fundamental de observações de fenômenos de transporte, raciocínio lógico e aplicação de conhecimentos de cálculo.
PALAVRAS CHAVES: aula prática, perda de carga, vazão.
INTRODUÇÃO: INTRODUÇÃO: A didática é uma ciência fundamentada nas estratégias de ensino e aprendizagem, e metodologias práticas. Por isso, ela pode ser considerada um elemento transformador da teoria em prática (LIBANEO, 2000).
O desenvolvimento de soluções práticas envolvendo o uso da energia para o escoamento de fluidos em tubulações é aplicável em diferentes ramos da indústria. Em toda tubulação há fatores que interferem no escoamento de um fluido. Essa interferência pode ser quantizada através do cálculo da perda de carga, perda de energia na forma de calor que não pode ser recuperada para energia cinética e/ou potencial (GILES, 1970; QUINTELA, 1981).
Essa perda se deve à viscosidade do fluido em escoamento e ao atrito deste com as paredes da tubulação, o qual é ocasionado pela rugosidade do conduto (altura das asperezas). Quanto maior essas asperezas, maior é a turbulência do escoamento e, então, maior a perda de carga (QUINTELA, 1981).
Quando a tubulação não é retilínea, deve-se levar em conta o comprimento equivalente no cálculo do seu tamanho, que é o comprimento referente aos acessórios como conexões, curvas, joelhos, registros e outros (ANDRADE, 2000).
Este trabalho é uma proposta de aula para os cursos de Química Industrial e Engenharia Química, sobre perda de carga em Mecânica dos Fluidos, visando à integração de teoria e prática, anomalia recorrente em muitas estruturas curriculares. Nesta proposta foram abordados: noções sobre perda de carga, observação do escoamento por meio de ensaios em sistema hidráulico dotado de duas tubulações, uma retilínea e outra não-retilínea; escolha dos parâmetros a serem medidos; identificação dos modelos matemáticos representativos dos fenômenos observados.
MATERIAL E MÉTODOS: MATERIAL E MÉTODOS: O equipamento necessário aos ensaios foi construído com uma bombona de 50 L, para servir de reservatório d´água, onde foram acoplados, na parte inferior, três tipos de tubulações, a primeira retilínea (1), a segunda com redução de diâmetro (2) e a terceira não-retilínea, contendo curvas (3). Ao longo de cada tubulação, foram instalados piezômetros igualmente espaçados e no final adaptaram-se torneiras.
Os ensaios de escoamento de água foram realizados nas tubulações 1 e 3, de diâmetro constante, individualmente, onde manteve-se o nível d´água constante no reservatório de carga hidráulica H. Os parâmetros mensurados foram: alturas de água nos piezômetros (h); comprimentos (L e Leq); volumes de água (V); diâmetros das tubulações (D); vazões (Q) de escoamento; áreas (A); velocidades de escoamento (v); coeficientes de perda de carga (f); viscosidade cinemática (); números de Reynolds (Re) e as perdas de cargas (hp).
A vazão (Q) foi calculada por meio da medida do volume (V) escoando em um determinado tempo, medida em quadruplicata, e a perda de carga contínua (hp) foi calculada pela equação de Darcy-Weisbach. A perda de carga na tubulação 1, foi medida considerando-se o comprimento (L) da tubulação desde a base do reservatório até cada piezômetro. Já na tubulação 3, considerou-se o comprimento equivalente (Leq) para calcular as perdas de carga. A velocidade (v) foi estimada pela equação da continuidade, por meio da média aritmética das vazões calculadas anteriormente e a área (A) da seção transversal da tubulação. O fator de atrito (f) foi estimado em função do número de Reynolds (Re) e rugosidade relativa (), utilizando-se o diagrama de Moody. O Re foi determinado em função da velocidade (v) do escoamento, diâmetro (D) da tubulação e viscosidade cinemática da água ().
RESULTADOS E DISCUSSÃO: RESULTADOS E DISCUSSÃO: Pela Figura 1, observou-se a diminuição das alturas dos piezômetros conforme se afastam do reservatório, ou seja, houve maior perda de carga. Isso condiz com a teoria, pois ao longo de uma tubulação sem mudança de diâmetro (como a tubulação 1), a perda de carga deve aumentar gradativamente. A diferença de altura entre os piezômetros foi pequena devido à proximidade entre eles.
Já na tubulação 3, observou-se uma diferença devido às curvas ao longo da tubulação. Como a tubulação permanece reta no piezômetro 1, este não sofreu efeito da curva nem do comprimento equivalente. Porém, no piezômetro 2, o qual é precedido por dois joelhos de 90°, percebeu-se que a altura do piezômetro aumentou. Isso aconteceu porque ao fazer a curva, o fluido (a água, neste caso) sofreu perda de energia cinética, diminuindo sua velocidade. Assim, o escoamento ocorreu de maneira mais lenta e houve acúmulo de água, fazendo com que a perda de carga fosse menos efetiva. No piezômetro 3 também houve o efeito de joelhos de 90°, diminuindo sua perda de carga e aumentando sua altura. Porém, como ele estava mais afastado do reservatório, sua perda de carga deveria ser maior. Como resultado, o piezômetro 2 teve a maior altura e o piezômetro 3 poderia ter uma altura maior ou menor que o 1, entretanto sempre menor que o 2.
A Figura 2 indicou um gradual aumento da perda de carga ao longo da tubulação como também o aumento da diferença da mesma em cada piezômetro. Observou-se a mesma tendência entre a perda de carga pelos piezômetros e a obtida pela equação de Darcy-Weisbach, sendo esta uma variação crescente e linear ao longo das tubulações. É provável que com uma tubulação mais extensa essa tendência permaneça.
CONCLUSÕES: CONCLUSÕES: Nesta proposta de aula teórico-prática de fácil planejamento e realização, ficou evidenciada a intensa participação dos alunos, em que a observação visual do fenômeno alicerçou a teoria sobre perda de carga e os conduziu a uma seqüência de raciocínios lógicos. Os alunos constataram que a perda de carga cresceu ao longo das tubulações e que a perda de carga em condutos retilíneos foi menor do que em dutos contendo curvas. Verificaram também a existência de uma relação crescente da perda de carga ao longo da tubulação.
AGRADECIMENTOS:
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: ANDRADE, L., CARVALHO, J. A. 2000. Software para Suporte Hidráulico. Congresso e Mostra de Agroinformática, Paraná.
GILES, R. V. 1970. Mecânica dos Fluidos e Hidráulica. Editora McGraw-Hill do Brasil, Rio de Janeiro, p. 143, 401p.
LIBANEO, J. C. 2004. A didática e a aprendizagem do pensar e do aprender: a teoria histórico-cultural da atividade e a contribuição de Vasili Davydov. Rev. Bras. Educ., n.27, p.5-24.
QUINTELA, A.C. 1981. Hidráulica. Calouste Gulbenkian, Lisboa.
