Perda de Cabeça – Perda de Pressão
Na análise prática de sistemas de tubulação, a quantidade mais importante é a perda de pressão devido a efeitos viscosos ao longo do comprimento do sistema, bem como perdas de pressão adicionais decorrentes de outros equipamentos tecnológicos como válvulas, cotovelos, entradas de tubulação, conexões e T .
A princípio, uma equação de Bernoulli estendida deve ser introduzida. Essa equação permite que a conta da viscosidade seja incluída de maneira empírica e quantifique isso com um parâmetro físico conhecido como perda de carga .
A perda de carga (ou perda de pressão) representa a redução na carga total ou na pressão (soma da carga de elevação, carga de velocidade e carga de pressão) do fluido à medida que flui através de um sistema hidráulico. A perda de carga também representa a energia usada na superação do atrito causado pelas paredes do tubo e outros equipamentos tecnológicos. A perda de carga é inevitável em fluidos móveis reais. Está presente devido ao atrito entre as partículas de fluido adjacentes à medida que elas se movem uma em relação à outra (especialmente em fluxo turbulento).
A perda de carga que ocorre nos tubos é dependente da velocidade do fluxo, diâmetro e comprimento do tubo , e um fator de atrito baseado na rugosidade do tubo e no número de Reynolds do fluxo. Embora a perda de carga represente uma perda de energia , ela não representa uma perda de energia total do fluido. A energia total do fluido conserva como conseqüência da lei de conservação de energia . Na realidade, a perda de carga devido ao atrito resulta em um aumento equivalente na energia interna (aumento da temperatura) do fluido.
A maioria dos métodos para avaliar a perda de carga por atrito é baseada quase exclusivamente em evidências experimentais . Isso será discutido nas próximas seções.
Classificação da perda de cabeça
A perda de carga de um sistema de tubulação é igual à produzida em uma tubulação reta, cujo comprimento é igual aos tubos dos sistemas originais mais a soma dos comprimentos equivalentes de todos os componentes do sistema.
Como pode ser visto, a perda de carga do sistema de tubulação é dividida em duas categorias principais, “ grandes perdas ” associadas à perda de energia por comprimento de tubo e “ pequenas perdas ” associadas a curvas, conexões, válvulas, etc.
- Perda de carga principal – devido ao atrito em tubulações e dutos.
- Menor perda de carga – devido a componentes como válvulas, conexões, dobras e T.
A perda de carga pode então ser expressa como:
h perda = Σ h principais_perdições + Σ h menores_perdições
Resumo:
- Perda de carga ou perda de pressão são a redução na carga total (soma da cabeça potencial , cabeça de velocidade , e cabeça de pressão ) de um fluido causado pelo atrito presente no movimento do fluido.
- Perda de carga e perda de pressão representam o mesmo fenômeno – perdas por atrito em tubulações e perdas em componentes hidráulicos, mas são expressas em unidades diferentes .
- A perda de carga do sistema hidráulico é dividida em duas categorias principais :
- Perda de Cabeça Maior – devido ao atrito em tubos retos
- Menor perda de carga – devido a componentes como válvulas, curvas…
- A equação de Darcy pode ser usada para calcular grandes perdas .
- Uma forma especial da equação de Darcy pode ser usada para calcular pequenas perdas .
- O fator de atrito para o fluxo de fluido pode ser determinado usando um gráfico Moody .
Por que a perda de cabeça é muito importante?
Como pode ser visto na figura, a perda de carga é a principal característica de qualquer sistema hidráulico. Nos sistemas em que uma certa vazão deve ser mantida (por exemplo, para fornecer refrigeração ou transferência de calor suficiente a partir do núcleo do reator ), o equilíbrio da perda de carga e da carga adicionada por uma bomba determina a vazão através do sistema.
Perda de Cabeça Maior – Perda por Fricção
Veja também: Perda de cabeça maior – perdas por atrito
As principais perdas associadas à perda de energia de atrito por comprimento do tubo dependem da velocidade do fluxo, comprimento do tubo, diâmetro do tubo e um fator de atrito baseado na rugosidade do tubo, e se o fluxo é laminar ou turbulento (ou seja, Reynolds número do fluxo).
Embora a perda de carga represente uma perda de energia , ela não representa uma perda de energia total do fluido. A energia total do fluido conserva como conseqüência da lei de conservação de energia . Na realidade, a perda de carga devido ao atrito resulta em um aumento equivalente na energia interna (aumento da temperatura) do fluido.
Pela observação, a maior perda de carga é aproximadamente proporcional ao quadrado da vazão na maioria dos fluxos de engenharia (vazão de tubulação turbulenta e totalmente desenvolvida).
A equação mais comum usada para calcular as principais perdas de carga em um tubo ou duto é a equação de Darcy – Weisbach (forma de perda de carga).
Onde:
- Δh = perda de carga devida ao atrito (m)
- f D = fator de atrito de Darcy (sem unidade)
- L = comprimento do tubo (m)
- D = diâmetro hidráulico do tubo D (m)
- g = constante gravitacional (m / s 2 )
- V = velocidade média do fluxo V (m / s)
- Considere que o comprimento do tubo ou canal é dobrado , a perda de carga de atrito resultante dobrará .
- Em vazão constante e comprimento do tubo, a perda de carga é inversamente proporcional à quarta potência de diâmetro (para fluxo laminar) e, assim, reduzir o diâmetro do tubo pela metade aumenta a perda de carga em um fator de 16. Isso é um aumento muito significativo na perda de carga e mostra por que tubos de diâmetro maior levam a requisitos de energia de bombeamento muito menores.
- Como a perda de carga é aproximadamente proporcional ao quadrado da vazão, então se a vazão for duplicada , a perda de carga aumentará em um fator de quatro .
- A perda de carga é reduzida pela metade (para fluxo laminar) quando a viscosidade do fluido é reduzida pela metade .
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Com exceção do fator de atrito de Darcy , cada um desses termos (velocidade do fluxo, diâmetro hidráulico , comprimento de um tubo) pode ser facilmente medido. O fator de atrito de Darcy leva em consideração as propriedades de densidade e viscosidade do fluido, além da rugosidade do tubo . Esse fator pode ser avaliado pelo uso de várias relações empíricas ou pode ser lido em gráficos publicados (por exemplo, gráfico Moody ).
Menor perda de carga – perda de pressão local
Veja também: Perda de carga menor – Perda de pressão local
Na indústria, qualquer sistema de tubulação contém diferentes elementos tecnológicos como dobras , conexões , válvulas ou canais aquecidos . Esses componentes adicionais aumentam a perda de carga geral do sistema. Tais perdas são geralmente denominadas perdas menores, embora geralmente representem uma parte importante da perda de carga . Para sistemas de tubulação relativamente curtos, com um número relativamente grande de dobras e conexões, pequenas perdas podem facilmente exceder grandes perdas (especialmente com uma válvula parcialmente fechada que pode causar uma maior perda de pressão do que um tubo longo, na verdade quando uma válvula é fechada ou fechada). quase fechada, a perda menor é infinita).
As perdas menores são comumente medidas experimentalmente . Os dados, especialmente para válvulas, dependem um pouco do projeto do fabricante.
Geralmente, a maioria dos métodos usados na indústria define um coeficiente K como um valor para determinado componente tecnológico.
Como o atrito do tubo, as menores perdas são aproximadamente proporcionais ao quadrado da vazão e, portanto, podem ser facilmente integradas à equação de Darcy-Weisbach . K é a soma de todos os coeficientes de perda no comprimento do tubo, cada um contribuindo para a perda de carga geral.
Os métodos a seguir são de importância prática nos cálculos de perda de pressão local:
- Método de comprimento equivalente
- Método K – Método do Coeficiente de Resistência
- Método 2K
- Método 3K
Veja também: Perda de carga menor – Perda de pressão local
Perda de carga do fluxo de fluido bifásico
Veja também: Queda de pressão bifásica
Ao contrário das quedas de pressão monofásicas, o cálculo e a previsão de quedas de pressão bifásicas são um problema muito mais sofisticado e os métodos principais diferem significativamente. Dados experimentais indicam que a queda de pressão de atrito no fluxo bifásico (por exemplo, em um canal de ebulição) é substancialmente maior do que no fluxo monofásico com o mesmo comprimento e taxa de fluxo de massa. As explicações para isso incluem um aparente aumento da rugosidade da superfície devido à formação de bolhas na superfície aquecida e maiores velocidades de fluxo.
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