Quando o fluido flui através de um tubo haverá uma queda de pressão que ocorre como resultado da resistência ao fluxo. Também pode haver um ganho/perda de pressão devido a uma alteração na elevação entre o início e o fim da tubagem. Esta diferença de pressão global ao longo da tubagem está relacionada com vários factores:
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h2>Cálculo da queda de pressão num tubo
Para calcular a perda de pressão num tubo é necessário calcular uma queda de pressão, geralmente na cabeça do fluido, para cada um dos itens que causam uma alteração na pressão. Contudo, para calcular a perda de atrito numa tubagem, por exemplo, é necessário calcular o factor de atrito a utilizar na equação de Darcy-Weisbach que determina a perda de atrito global.
O próprio factor de fricção depende do diâmetro interno do tubo, da rugosidade interna do tubo e do número de Reynold que, por sua vez, é calculado a partir da viscosidade do fluido, densidade do fluido, velocidade do fluido e diâmetro interno do tubo.
Existe, portanto, um número de sub-cálculos que devem ter lugar para calcular a perda de fricção global. Trabalhando ao contrário, temos de conhecer a densidade e propriedades de viscosidade do fluido, conhecer o diâmetro e propriedades de rugosidade da tubagem, calcular o número de Reynold, utilizá-lo para calcular o factor de atrito usando a equação de Colebrook-White, e finalmente ligar o factor de atrito à equação de Darcy-Weisbach para calcular a perda por atrito na tubagem.
Após calcularmos a perda por atrito na tubagem, temos então de considerar possíveis perdas de encaixe, alteração na elevação e qualquer cabeça da bomba adicionada. A soma destas perdas/ganhos dar-nos-á a perda de pressão global na tubagem. As secções seguintes consideram cada cálculo por sua vez.
Cálculos de perdas por fricção na tubagem
Temos agora de calcular cada um dos itens necessários para determinar as perdas por fricção na tubagem. Os links na lista seguinte fornecem mais detalhes sobre cada cálculo específico:
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O nosso software Pipe Flow calcula automaticamente a perda por fricção em tubos usando a equação de Darcy-Weisbach, uma vez que este é o método de cálculo mais preciso para fluidos não compressíveis, e também é aceite como indústria exacta para fluxo compressível, desde que sejam cumpridas certas condições.
Cálculos de Perda de Encaixe da Tubagem
Perda de energia devido a válvulas, encaixes e curvas é causada por alguma perturbação localizada do fluxo. A dissaptação da energia perdida ocorre numa secção finita mas não necessariamente curta da tubagem, contudo, para cálculos hidráulicos é prática aceite considerar a totalidade desta perda na localização do dispositivo.
Para sistemas de tubagem com tubagens relativamente longas, é frequente que as perdas de encaixe sejam menores em relação à perda de pressão global na tubagem. Contudo, algumas perdas locais, tais como as produzidas por uma válvula parcialmente aberta, são frequentemente muito significativas e nunca podem ser qualificadas como perdas menores, e estas devem ser sempre incluídas.
A perda que uma conexão específica de tubagem introduz é medida utilizando dados experimentais do mundo real e estes são depois analisados para determinar um factor K (um coeficiente de perda local) que pode ser utilizado para calcular a perda da conexão, uma vez que varia com a velocidade do fluido que passa através dela.
Os nossos programas de software de fluxo de tubagem facilitam a inclusão automática das perdas na conexão e outras perdas locais no cálculo da perda de pressão, uma vez que vêm com uma base de dados de conexões pré-carregadas que contém muitos factores K padrão da indústria para várias válvulas e conexões diferentes, em vários tamanhos diferentes.
br> Tudo o que o utilizador tem de fazer é seleccionar a conexão ou válvula apropriada, e depois escolher ‘Guardar’ para adicionar isto à tubagem, e tê-la incluída no cálculo das perdas de pressão na tubagem.
Esta ligação fornece mais informações sobre a Adaptação de Factores K e a Equação de Perda de Acessórios.
Cálculos de Perda de Componentes da tubagem
Há frequentemente muitos tipos diferentes de componentes que precisam de ser modelados num sistema de tubagem, tais como um permutador de calor ou um refrigerador. Alguns componentes podem introduzir uma perda de pressão fixa conhecida, contudo é mais provável que a perda de pressão varie com o caudal que atravessa o componente.
A maioria dos fabricantes fornecerá uma curva de desempenho do componente que descreve as características de perda de cabeça de verus de caudal do seu produto. Estes dados são então utilizados para calcular a perda de pressão causada pelo componente para um caudal especificado, mas o caudal em si será também dependente da perda de pressão a jusante do componente, pelo que é muito difícil modelar o desempenho da perda de carga do componente sem a utilização de software apropriado, tal como o Pipe Flow Expert.
Perda de pressão devido à alteração da elevação
Fluxo num tubo ascendente
Se a elevação inicial de um tubo for inferior à elevação final, então sobre a fricção e outras perdas haverá uma perda de pressão adicional causada pelo aumento da elevação, que medida na cabeça do fluido é simplesmente equivalente ao aumento da elevação.
i.e. a uma elevação de fluido mais elevada, há menos pressão adicionada devido à profundidade e peso reduzidos do fluido acima desse ponto.
Fluxo numa tubagem em queda
Se a elevação inicial de uma tubagem for superior à elevação final, então, bem como o atrito e outras perdas, haverá um ganho de pressão adicional causado pela queda na elevação, que medida na cabeça do fluido é simplesmente equivalente à queda na elevação.
i.e. numa elevação inferior do fluido há mais pressão adicionada devido ao aumento da profundidade e peso do fluido acima desse ponto.
Energia e Gradações Hidráulicas
A elevação de um fluido dentro de uma tubagem, juntamente com a pressão na tubagem num ponto específico, e a cabeça de velocidade do fluido, pode ser somada para calcular o que é conhecido como a Linha de Grau Energético.
A Linha de Grau Hidráulico pode ser calculada subtraindo a cabeça de velocidade do fluido da EGL (Energy Grade Line), ou simplesmente somando apenas a elevação do fluido e a pressão na tubagem nesse ponto.
Cálculos da cabeça da bomba
Com um sistema de tubagem há frequentemente uma bomba que adiciona pressão adicional (conhecida como ‘cabeça da bomba’) para superar perdas por fricção e outras resistências. O desempenho de uma bomba está normalmente disponível no fabricante, em termos da curva de desempenho da bomba, que traça um gráfico do caudal versus a altura manométrica produzida pela bomba para uma gama de valores de caudal.
Desde que a altura manométrica produzida pela bomba varia com o caudal, encontrar o ponto de funcionamento na curva de desempenho da bomba nem sempre é uma tarefa fácil. Se adivinhar um caudal e depois calcular a cabeça da bomba adicionada, isto, por sua vez, afectará a diferença de pressão na tubagem, que por sua vez afecta realmente o caudal que iria ocorrer.
Se utilizar o nosso Pipe Flow Expert Software, então encontrará o ponto exacto de funcionamento na curva da bomba para si, assegurando que os caudais e pressões equilibram-se em todo o seu sistema para dar uma solução precisa ao seu projecto de tubagem.
No entanto, se calcular a cabeça da bomba adicionada na sua tubagem, esta cabeça de fluido adicional deve ser adicionada de volta a qualquer queda de pressão que tenha ocorrido na tubagem.
Cálculo da queda de pressão em toda a tubagem
A pressão no final da tubagem em consideração é dada pela seguinte equação (onde todos os itens são especificados em m Cabeça do Fluido):
P = P – Perda de fricção – Perda de acessórios – Perda de componentes + Elevação + Cabeça da bomba
onde
p>>br>P = Pressão no fim da tubagem
P = Pressão no início da tubagem
Elevação = (Elevação no início da tubagem) – (Elevação no fim da tubagem)
Cabeça da bomba = 0 se nenhuma bomba estiver presente
A queda de pressão ou antes a diferença de pressão dP (pode ser um ganho) entre o início e o fim de uma tubagem é portanto dada por esta equação:
dP = Perda de fricção + Perda de acessórios + Perda de componentes – Elevação – Cabeça da bomba
onde
br>P = Pressão no fim da tubagem
P = Pressão no início da tubagem
Elevação = (Elevação no início da tubagem) – (Elevação no fim da tubagem)
Cabeça da bomba = 0 se nenhuma bomba estiver presente
Nota dP é normalmente especificada como um valor positivo relacionado com a queda de pressão. Um valor negativo indicaria um ganho de pressão.