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FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE RONDÔNIA CAMPUS DE ARIQUEMES DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS MÁRCIA DUTRA DA SILVA DESENVOLVIMENTO EM SCILAB DE UMA PLATAFORMA PARA A PREDIÇÃO DA PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS Ariquemes 2019

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FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE RONDÔNIA

CAMPUS DE ARIQUEMES

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS

MÁRCIA DUTRA DA SILVA

DESENVOLVIMENTO EM SCILAB DE UMA PLATAFORMA PARA A PREDIÇÃO

DA PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS

Ariquemes

2019

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MÁRCIA DUTRA DA SILVA

DESENVOLVIMENTO EM SCILAB DE UMA PLATAFORMA PARA A PREDIÇÃO

DA PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado

ao Departamento de Engenharia de Alimentos

da Fundação Universidade Federal de

Rondônia – UNIR, para obtenção do título de

Bacharel em Engenharia de Alimentos.

Orientador: Prof. Me. Gerson Balbueno Bicca.

Ariquemes

2019

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Dados de publicação internacional na publicação (CIP)

Biblioteca setorial 06/UNIR

S586d

Silva, Márcia Dutra da Desenvolvimento em Scilab de uma plataforma para a predição da perda de carga em tubulações industriais/Márcia Dutra da Silva. Ariquemes-RO, 2019.

54 f. Orientador: Prof. Me. Gerson Balbueno Bicca

Monografia (Bacharel em Engenharia de Alimentos) Fundação Universidade Federal de Rondônia. Departamento de Engenharia de Alimentos, Ariquemes, 2019.

1. Newtonianos. 2. Scilab. 3. Perda de Carga. 4. Interface gráfica I. Fundação Universidade Federal de Rondônia. II. Título.

CDU: 66.021.2

Bibliotecária Responsável: Fabiany M. Andrade, CRB: 11-686.

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RESUMO

Na indústria de alimentos, frequentemente o engenheiro se depara com a necessidade de

selecionar o melhor sistema de bombeamento capaz de deslocar um determinado fluido de um

local para outro através de tubulações. Para que essa tarefa seja realizada, é necessário o

conhecimento da perda de carga devido ao atrito do fluido ao longo da tubulação e também

pelas perdas ocasionadas nos acessórios que compõem o sistema, tais como, válvulas, tês,

uniões, curvas, entre outros. Essa perda de carga é determinada através do cálculo do fator de

atrito e do conhecimento dos coeficientes de perda localizada, respectivamente. A Perda de

carga em tubulações depende fortemente do comportamento reológico do fluido, pois o

mesmo influencia no tipo de bomba a ser utilizada. A literatura mostra que os dados

experimentais de perda de carga em escoamentos de fluidos não newtonianos são muito

escassos em relação aos fluidos newtonianos, tornando essa tarefa ainda mais difícil. O

objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de códigos computacionais para

estimar a perda de carga distribuída e localizada no escoamento de fluidos newtonianos em

tubulações industriais, utilizando o software livre Scilab para a implementação das

correlações. Em conjunto com os códigos computacionais, foi desenvolvida uma interface

gráfica, utilizando o software livre Scilab Gui Designer para facilitar a interação com o

usuário e possibilitar a inserção dos dados necessários de forma simples. Através da interface

criada é possível inserir dados da tubulação, do fluido e das condições do escoamento,

informações estas necessárias para a resolução dos problemas propostos. O sistema

compreende uma seção de sucção antes da bomba e uma seção de descarga após a bomba. A

fim de comprovar a capacidade da ferramenta em resolver estes tipos de problemas, foram

testados diversos exemplos provenientes da literatura e os resultados foram comparados. A

ferramenta demonstrou robustez na resolução dos problemas propostos exigindo pouco tempo

de processamento e sem problemas de convergência. Os resultados gerados podem ser

visualizados diretamente no prompt do Scilab, ou exportado para um arquivo do tipo texto o

qual contém todas as informações necessárias da simulação.

Palavras-chave: Newtonianos, Scilab, Perda de carga, Interface gráfica.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 — Classificação dos fluidos pelo comportamento reológico ..................................... 17

Figura 2 — Classificação de tubulações................................................................................... 19

Figura 3 — Funções de Acessórios no sistema de escoamento ............................................... 20

Figura 4 — Diagrama de Moody .............................................................................................. 24

Figura 5 — Ábaco de Crane Corporation para determinação de comprimento equivalente de

acessórios. ................................................................................................................................. 28

Figura 6 — Sistema de escoamento de fluido: tubulação e acessórios .................................... 29

Figura 7 — Estrutura da Plataforma ......................................................................................... 29

Figura 8 — Interface do Scilab Gui Designer .......................................................................... 31

Figura 9 — Desenvolvimento de códigos através do Scilab Gui designer .............................. 32

Figura 10 — Interface gráfica no Scilab para o cálculo de perda de carga .............................. 33

Figura 11 — Lista de acessórios disponíveis na interface gráfica ........................................... 34

Figura 12 — Valores equivalentes de rugosidade para tubos comerciais novos...................... 34

Figura 13 — Modelo de cálculo de acessórios no Scilab ......................................................... 38

Figura 14 — Sistema de Bombeamento de água 1 ................................................................... 39

Figura 15 — Sistema de Bombeamento de água 2 ................................................................... 41

Figura 16 — Sistema de Bombeamento de água 3 ................................................................... 43

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 — Comparação dos resultados de Bistafa (2016) com os obtidos no Scilab ............ 40

Tabela 2 — Comparação dos resultados de White (2007) com os obtidos no Scilab ............. 42

Tabela 3 — Comparação dos resultado de Tadini et al. (2016) com os obtidos no Scilab ..... 44

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LISTA DE QUADROS

Quadro 1 — Correlações do cálculo do fator de atrito para fluidos newtonianos .................... 25

Quadro 2 — Valores do coeficiente de perda localizada (k) para acessórios .......................... 26

Quadro 3 — Equações explícitas com os menores erros comparado a Colebrook – White .... 35

Quadro 4 — Equações implementadas no software. ................................................................ 36

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LISTA DE CÓDIGOS

Código 1 — Conversão de vazão para o Sistema Internacional ............................................... 37

Código 2 — Função para calcular o número de Reynolds ....................................................... 37

Código 3 — Inserção dos coeficientes de perda de carga na plataforma ................................. 38

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LISTA DE SÍMBOLOS

ℎƒ Perda de carga m

ƒD Fator de atrito de Darcy -

L Comprimento do tubo m

D Diâmetro do tubo m

V Velocidade do escoamento m/s

g Aceleração da gravidade m/s²

Z Energia de posição m

P Pressão kPa

γ Peso específico do fluido N/m³

hƒ Perda de carga por atrito m

hs Perda de carga localizada m

HM Altura manométrica da bomba m

K Coeficiente de perda localizada -

Leq Comprimento equivalente m

Re Número de Reynolds -

Q Vazão volumétrica m³/h

A Área m²

μ Viscosidade Pa.s

ρ Massa específica kg/m³

WB Potência hidráulica da bomba W

ε Rugosidade absoluta m

Sub índices

1 - seção de sucção

2- seção de descarga

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 13

1.1 JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA ............................................................................. 14

2 OBJETIVO ........................................................................................................................ 15

2.1 OBJETIVO GERAL .................................................................................................... 15

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................................... 15

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................................... 16

3.1 FLUIDOS ................................................................................................................... 16

3.2 CLASSIFICAÇÃO DOS FLUIDOS............................................................................ 16

3.2.1 Fluidos newtonianos e não newtonianos ............................................................ 16

3.3 TUBOS E TUBULAÇÕES.......................................................................................... 18

3.3.1 Classificação ...................................................................................................... 18

3.4 RUGOSIDADE .......................................................................................................... 19

3.5 ACESSÓRIOS DE TUBULAÇÃO .............................................................................. 19

3.6 EQUAÇÃO DA ENERGIA MECÂNICA .................................................................... 20

3.6.1 Equação de Bernoulli ......................................................................................... 20

3.7 EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE ............................................................................ 21

3.7.1 Velocidade média na seção de escoamento ............................................................. 21

3.8 PERDA DE CARGA ................................................................................................... 22

3.8.1 Perda de carga distribuída ................................................................................. 22

3.8.2 Perda de carga localizada .................................................................................. 25

3.8.2.2 Perda de carga pelo método do comprimento equivalente ............................ 27

4 METODOLOGIA ............................................................................................................. 29

4.1 SCILAB ...................................................................................................................... 30

4.2 INTERFACE GRÁFICA ............................................................................................. 30

4.2.1 Desenvolvimento da interface gráfica para o calculo de perda de carga de

fluidos newtonianos ........................................................................................................... 32

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4.4 DESENVOLVIMENTO DE CÓDIGOS COMPUTACIONAIS .................................. 36

4.4.1 Conversão de unidades ....................................................................................... 36

4.4.2 Resolução das equações ..................................................................................... 37

4.4.3 Coeficientes de atrito .......................................................................................... 37

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................................................... 39

5.1 ESTUDO DE CASO 1 ................................................................................................ 39

5.2 ESTUDO DE CASO 2 ................................................................................................ 41

5.3 ESTUDO DE CASO 3 ................................................................................................ 42

5.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS............................................................................................ 45

6 CONCLUSÃO .................................................................................................................. 46

REFERÊNCIAS ....................................................................................................................... 47

APÊNDICES ............................................................................................................................ 50

APÊNDICE A - Interface gráfica em Scilab. .......................................................................... 51

APÊNDICE B - Apresentação da interface no Scilab. ............................................................. 52

APÊNDICE C - Arquivo texto gerado pelo Scilab. ................................................................. 53

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13

1 INTRODUÇÃO

Na indústria de processamento de alimentos é essencial o estudo do comportamento

físico dos fluidos utilizados em processos, bem como a predição das suas propriedades.

Conhecer o comportamento desses fluidos é de fundamental importância para solucionar os

mais diversos problemas que são encontrados durante o escoamento de um local para outro,

tanto de líquidos quanto de gases. É muito comum encontrar nas indústrias sistemas de

escoamentos forçados, onde os fluidos necessitam de meios externos, como bombas ou

ventiladores para poderem se deslocar. Na medida em que o fluido escoa, ocorrem as

chamadas perdas de carga, podendo estas serem classificadas como perdas localizadas ou

singulares (ÇENGEL; CIMBALA, 2012).

É de grande importância o conhecimento conceito de perda de carga, pois diversos

fatores atuam nestas perdas, como: a natureza do fluido escoado, o diâmetro da tubulação

utilizada, o regime de escoamento do fluido e a velocidade do escoamento (BRUNETTI,

2008).

Para determinar a perda de carga em um sistema de escoamento é importante

conhecer a classificação dos fluidos. Os fluidos, em relação a seu comportamento reológico

são classificados em: fluidos newtonianos e fluidos não-newtonianos. Para fluidos

newtonianos os cálculos de perda de carga são bem definidos e amplamente disponíveis em

literaturas como (CREMASCO, 2012; GENIĆ et al., 2011), entretanto, para fluidos não

newtonianos esse cálculo ainda não é tão definido (GOTSCHLICH, 2011).

De acordo com Gotschlich (2011), os dados experimentais de queda de pressão de

escoamento de fluidos não newtonianos são escassos quando comparados aos fluidos

newtonianos, pois as correlações disponíveis na literatura para o cálculo do fator de atrito

possuem propriedades muito particulares para cada tipo de fluido em condições determinadas

de escoamento. Há poucos trabalhos relacionados aos coeficientes de perdas de fluidos não

newtonianos em regime de escoamento turbulento, grande parte deles são aplicados em

escoamentos de regime laminar (LEAL, 2005).

De acordo com Çengel e Cimbala (2012), os principais problemas no

dimensionamento de tubulações estão relacionados com a determinação das perdas de carga

ao longo do escoamento, cálculos de vazão, geometria da tubulação, etc. Em projetos de

dimensionamentos, recomenda-se o uso de equações específicas para a perda de carga e a

utilização de softwares para solucionar o problema de forma rápida e eficaz.

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14

Com o objetivo de reduzir o tempo e os custos na tarefa de dimensionamento de

tubulações, a utilização de softwares é de fundamental importância, pois os mesmos permitem

que haja uma maior eficácia na solução do problema e evita o erro humano, ao não necessitar

da leitura de gráficos e tabelas. Ainda sobre o uso de softwares, a internet disponibiliza vários

softwares livres sem que haja a necessidade do pagamento de licenças para o uso acadêmico.

Um software muito popular em projetos de engenharia é o Scilab1, o qual é uma

plataforma distribuída na internet que possui uma linguagem de programação de alto nível

com orientação para métodos numéricos e análise numérica.

1.1 JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA

Na indústria de alimentos existem diversos problemas de dimensionamento

envolvendo tubulações, que demandam tempo e custos para serem solucionados. Nesse

sentido, é importante destacar que os recursos computacionais têm se tornado uma ferramenta

útil e de uso essencial na resolução de problemas de engenharia. Existe uma grande variedade

desses softwares especializados, que eventualmente são encontrados no dimensionamento de

tubulações industriais. Porém, os softwares denominados proprietários, aqueles no qual seu

produtor tem os direitos exclusivos sobre o mesmo, possuem códigos restritos aos usuários, e

em alguns casos, limitações quanto ao uso, além de demandarem de pagamento de licenças.

Por outro lado, os softwares ditos livres possuem o código fonte aberto, possibilitando aos

usuários modificá-los conforme suas necessidades, não possuem custo e se tornam uma

alternativa viável para a realização de tarefas de engenharia. O software utilizado para o

desenvolvimento dos códigos computacionais foi o Scilab, pois ele possui rotinas de cálculos

numéricos capaz de solucionar problemas de engenharia com o benefício de ser um software

livre isento de custos.

1 Scilab (Scientific Laboratory) é um software para computação científica desenvolvido desde 1990 por

pesquisadores do Institut Nationale de Recherche en Informatique et en Automatique (INRIA) e do ENPC (École

Nationale des Ponts et Chaussées), na França. Scilab é agora mantido e desenvolvido pelo Scilab Enterprises

desde Julho de 2012. Distribuído gratuitamente via Internet desde 1994, o Scilab é atualmente usado em diversos

ambientes industriais e educacionais pelo mundo.

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15

2 OBJETIVO

2.1 OBJETIVO GERAL

No que se refere a importância industrial e acadêmica, este trabalho teve como

objetivo principal desenvolver códigos computacionais com a finalidade de estimar a perda de

carga no escoamento de fluidos newtonianos em tubulações industriais.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Para que o objetivo geral fosse atingido, os seguintes objetivos específicos foram

estipulados:

▪ Criar uma interface gráfica no ambiente do Scilab para a entrada de dados;

▪ Implementar na linguagem de programação do Scilab, as equações para calcular as

perdas de cargas distribuídas, que ocorrem por atrito ao longo da seção reta da

tubulação e as perdas singulares provenientes da presença dos acessórios no sistema;

▪ Gerar arquivos de resultados no ambiente do Scilab;

▪ Gerar arquivos de respostas para serem exportados fora do ambiente do Scilab;

▪ Comparar os exemplos clássicos da literatura com os resultados obtidos.

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3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 FLUIDOS

De acordo com Fox e Mcdonald (2001), fluido é uma substância que se deforma

continuamente sob a aplicação de uma tensão de cisalhamento, independentemente da

intensidade em que essa tensão possa ocorrer.

O estudo dos fluidos é objeto de interesse da mecânica dos fluidos, a qual é parte da

mecânica aplicada e que se preocupa em analisar o comportamento dos líquidos e gases, tanto

em equilíbrio quanto em movimento (MUNSON; YOUNG; OKIISHI, 2004).

De acordo com Faber (2019), a mecânica dos fluidos é um ramo da física clássica com

aplicações de grande importância em engenharia de alimentos, hidráulica, aeronáutica,

química, meteorologia. Para definir fluido é comum comparar esta substância com um sólido,

são, portanto, líquidos ou gases que assumem o formato do recipiente diferindo assim do

sólido (BRUNETTI, 2008).

3.2 CLASSIFICAÇÃO DOS FLUIDOS

É importante para a indústria conhecer a reologia dos fluidos que são utilizados em

seus processos, pois, através desse conhecimento identifica-se a melhor abordagem para tratar

dos cálculos relativos ao dimensionamento envolvendo esses fluidos e as tubulações por onde

eles escoam. Mediante a compreensão da relação entre a taxa de deformação e a taxa de

cisalhamento, os fluidos se classificam reologicamente em newtonianos e não newtonianos

(SILVA, 2010).

3.2.1 Fluidos newtonianos e não newtonianos

Conforme descrito anteriormente, os fluidos são classificados de acordo com seu

comportamento reológico em newtonianos e não newtonianos, e estes podem ter o

comportamento dependentes ou não do tempo. Os fluidos são classificados como

newtonianos, quando existir uma relação linear entre a tensão de cisalhamento e a taxa de

deformação ou cisalhamento, também conhecida como gradiente de velocidade. Um dos

parâmetros que pode ser utilizado para caracterizar o comportamento de diversas substâncias

que seguem a chamada lei de Newton da viscosidade, é a propriamente dita viscosidade, que é

a constante de proporcionalidade dessa relação linear. A viscosidade de líquidos com

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17

comportamento newtoniano sofre influência apenas da temperatura do fluido e da sua

composição (TADINI, 2016).

Os fluidos não newtonianos são identificados como fluidos que não apresentam uma

relação de linearidade entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação. Os fluidos não

newtonianos se dividem ainda em: viscoelásticos, dependentes do tempo e independentes do

tempo, conforme demonstra a Figura 1 (RATKIEVICIUS, 2013).

Figura 1 — Classificação dos fluidos pelo comportamento reológico

Fonte: Silva (2010).

Esses fluidos são muito utilizados em indústrias de processamento de polímeros,

recuperação de minerais e também na indústria de alimentos, que em sua grande maioria

utilizam fluidos com esse comportamento. Existem alguns modelos para descrever esses

fluidos, sendo o mais utilizado na indústria de alimentos o modelo da lei da potência

(STEFFE; DAUBERT, 2006).

Na indústria de alimentos o escoamento de derivados de frutas e hortaliças na forma

de molhos (ex: molho de maçã) e purês (ex: purê de banana), são comumente descritos pelo

comportamento pseudoplásticos. Já a pasta de milho é um clássico exemplo de um fluido

dilatante. Os fluidos não newtonianos estão detalhados em literaturas como: Gotschlich, 2011;

Steffe; Daubert, 2006.

Fluidos

Newtoniano

Não

Newtoniano

Dependentes

do tempo

Viscoelástico

s

Independentes

do tempo

Reopéticos

Tixotrópicos

Sem tensão de

cisalhamento

inicial

Com tensão de

cisalhamento

inicial

Dilatantes

Pseudoplásticos

Plásticos de

Bingham

Hershel - Bulkey

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18

3.3 TUBOS E TUBULAÇÕES

3.3.1 Classificação

Os condutos fechados e de geometria circular são definidos como tubos, cujo principal

objetivo é transportar fluidos. Os tubos se apresentam como cilindros ocos, com seção

circular, funcionam como condutos forçados em sua grande maioria, por não terem superfície

livre, ou seja, o fluido ocupa toda a área de seção transversal do tubo (TELLES, 2001).

De acordo com Nayyar (1999), tubulação é definida como um conjunto de tubos

ligados a conexões, válvulas e outros equipamentos mecânicos. As tubulações são utilizadas

para transporte de fluidos, gases, sólidos em suspensão de um local para outro esses sistemas

são encontrados em indústrias de processamento de alimentos e estabelecimentos industriais

similares.

As indústrias de processos tem redes de tubulações de enorme importância, onde o

valor das tubulações representam em média, 20 a 25% do custo total da instalação industrial, a

montagem atinge em média 40 a 50% do custo total da montagem de todos os equipamentos,

e o projeto das tubulações vale em média 20% do custo total do projeto da indústria; são

através destas tubulações que os equipamentos como: vasos de pressão, reatores, tanques,

bombas, trocadores de calor etc., são conectados para que aconteça a circulação dos fluidos de

processos e utilidades (TELLES, 2001).

As tubulações classificadas como tubulação de processo são aquelas utilizadas para

as finalidades básicas da indústria, transporte ou distribuição de fluidos. Tubulações de

utilidades são utilizadas de uma forma geral na indústria, como em processos de refrigeração,

aquecimento e vapor. As tubulações de instrumentação são usadas transmitir sinais de ar

comprimido para instrumentos automáticos de controle de processos e estas tubulações não

são utilizadas para transportes de fluidos. Tubulações de transmissão hidráulica são utilizadas

para transporte de líquidos sob pressão para os comandos hidráulicos e estas tubulações não

são utilizadas para transporte de fluidos. As tubulações de drenagem são responsáveis pelo

transporte de fluidos variados e não definidos (TELLES, 2001).

As tubulações são classificadas de acordo com suas utilidades na indústria, como

mostra a Figura 2.

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19

Figura 2 — Classificação de tubulações

Fonte: Adaptado de Telles (2001).

3.4 RUGOSIDADE

Segundo MacDonald et al. (2016), em tubos industriais é comum apresentar

asperezas e irregularidades, decorrentes de seus processos de fabricação. Em geral não há

tubos com superfície interna totalmente lisa todos os tubos têm paredes ásperas. Estas

variações internas decorrentes do processo de fabricação, acabamento de superfície, tipo de

material e idade do tubo, faz com que o mesmo apresente variações no grau de rugosidade

(HAMMAD, 1999). Este grau de rugosidade é denominado rugosidade absoluta e identificada

pelo símbolo (SCHRODER, 2011)

3.5 ACESSÓRIOS DE TUBULAÇÃO

As tubulações industriais são compostas de alguns acessórios, com o objetivo de

conectar tubos ou partes da tubulação, permitindo que o fluido mude de direção e de nível,

reduza ou aumente o diâmetro, possibilite a regulagem de vazões e pressões no sistema de

escoamento, assegurando o sistema de operação da tubulação. Na qualificação de acessórios

estão incluídos conexões, válvulas, registros e peças específicas. Os acessórios normalmente

são fabricados do mesmo material que as tubulações (TESTEZLAF; MATSURA, 2015).

Tubulações

Industriais

Tubulações dentro

de instalações

industriais

Tubulações fora de

instalações industriais

Tubulações de processo

Tubulações de utilidades

Tubulações de instrumentação

Tubulações de transmissão hidráulica

Tubulação de drenagem

Tubulações de transporte

Tubulações de distribuição

Adução

Transporte

Drenagem

Distribuição

Coleta

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20

De acordo com Terron (2012), válvulas são os acessórios que mais ocasionam perdas

de energia mecânica, também conhecidas como perdas de carga (ver Seção 3.8) durante o

escoamento de fluidos, no entanto, as válvulas são acessórios importantes de um sistema de

tubulação permitindo executar atividades como: regulagem da vazão, bloqueio da passagem

de um fluido e alinhamento de um fluido de um equipamento ao outro. A Figura 3 a seguir

dispõem de alguns acessórios e suas referidas funções.

Fazer mudanças de direção em

tubulações

Não altera a direção do fluxo quando aberta e

ocasiona menor perda de carga, quando

comparada às outras válvulas.

Figura 3 — Funções de Acessórios no sistema de escoamento

Fonte: Adaptado de Terron (2012).

Para vencer as perdas de carga ocasionadas por atrito, ou decorrente de acessórios é

necessário selecionar o melhor sistema para transportar o fluido de um local para outro

através das tubulações na maioria das vezes o equipamento escolhido para tal função é uma

bomba. Neste caso é importante que a bomba tenha potência suficiente para vencer tais perdas

de carga e realizar o transporte do fluido. Um importante método de calcular esta potência é

aplicando a equação de Bernoulli.

3.6 EQUAÇÃO DA ENERGIA MECÂNICA

3.6.1 Equação de Bernoulli

De acordo com o Teorema de Bernoulli, a carga ou energia total por unidade de peso

específico de um fluido é constante ao longo de uma linha de corrente considerada. Neste

Cotovelo Rosqueado de 90°

Válvula de gaveta

Normal Raio longo

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21

caso, tem-se como hipótese o escoamento perfeito de líquidos, sem qualquer efeito da

viscosidade, em regime permanente e incompressível onde a massa específica (ρ) é constante

(AKUTSU, 2012).

Bernoulli estabeleceu que para um líquido ideal ao longo de qualquer linha de

corrente, a soma das energias potencial, energia cinética (velocidade) e de pressão,

denominada carga total é constante (ZITTERELL, 2011). Para Munson, Young e Okiishi

(2004), parte desta carga total é transformada em outro tipo de energia no decorrer do

processo de deslocamento do fluido, o que define o termo perda de carga. Desta forma, a

equação de Bernoulli levando-se em consideração a perda de carga em uma tubulação é

representada pela Equação 1:

Z1+P1

γ+

v12

2g+ HM = Z2+

P2

γ+

v22

2g+∑hƒ+∑hs (1)

onde: Z= energia de posição (m);

P

𝛾 = energia de pressão (m);

v

2g = energia de velocidade (m);

hƒ = perda de carga por atrito (singular) (m);

hs = perda de carga localizada (m);

HM = altura manométrica da bomba (m);

Na Equação 1, considera-se que o único equipamento capaz de ceder energia ao

sistema de escoamento é uma bomba e que os índices 1 e 2 referem-se à seção antes e depois

da bomba, respectivamente.

3.7 EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE

3.7.1 Velocidade média na seção de escoamento

De acordo com Bistafa (2016), para fluidos incompressíveis como os liquidos e em

regime permanente, a vazão volumétrica se conserva nas seções 1 e 2 de escoamento de um

tubo, neste caso, o princípio da conservação de massa se transforma no princípio da

conservação de volume e deste modo é possível calcular a velocidade média de escoamento

do fluido, Equação 2. A área do tubo é calculada através da Equação (3).

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22

𝑣 = 𝑄

𝐴

(2)

𝐴 = 𝜋𝐷²

4

(3)

3.8 PERDA DE CARGA

O termo perda de carga pode ser traduzido como sendo parte da energia potencial, de

pressão e cinética, na qual é transformada em outros tipos de energia, como calor no decorrer

do transporte do líquido. A turbulência no escoamento é proporcional a rugosidade do tubo,

quanto maior a rugosidade, maior a turbulência, maior será a perda de carga (VILAÇA,

2012).

A perda de carga traduz a energia mecânica transformada em energia térmica por

efeitos de atrito. A perda de carga não depende da orientação do tubo, ela depende somente

dos detalhes do escoamento através do tubo (FOX; MCDONALD, 2001).

As perdas de carga localizadas ou singulares ocorrem em pontos ou em partes bem

específicas da tubulação, diferente das perdas de carga em consequência do comprimento do

tubo, conhecidas como distribuídas. Os acessórios necessários para que o sistema opere de

forma segura e eficaz, contribui para que haja alterações na velocidade média e por

consequência de pressão (NETTO, 1998).

3.8.1 Perda de carga distribuída

As perdas de carga distribuídas tratam-se da energia perdida ao longo da tubulação,

também pode ser expressa como a perda de pressão em escoamento completamente

desenvolvido através de um tubo em posição horizontal com área constante (FOX;

MCDONALD, 2001).

Uma das principais equações para calcular a perda de carga foi desenvolvida por

Darcy-Weisbach (Equação 4) esta equação também é conhecida como fórmula universal da

perda de carga (CREMASCO, 2012).

hƒ=ƒ𝐷

Lv2

D2g

(

(4)

onde: ℎƒ= Perda de carga, (m);

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23

ƒD= Fator de atrito de Darcy (adimensional);

L= Comprimento do tubo, (m);

D= Diâmetro do tubo, (m);

v = Velocidade do escoamento, (m.s-1);

g= Aceleração da gravidade, (m.s-2);

O cálculo da perda de carga depende do fator de atrito que está diretamente ligado ao

número de Reynolds, o qual comprova o efeito da velocidade no sistema de escoamento,

classificando os em regime laminar e turbulento (NEVES, 1982).

Reynolds pôde investigar quais os fatores que orientam os regimes de escoamento.

Assim percebeu ser possível prever o que se conhece agora como regime de escoamento,

determinado a partir de um grupo de variáveis, adimensional, posteriormente batizado com

seu nome: o número de Reynolds (Terron, 2012).

O parâmetro ƒ é um número adimensional conhecido como coeficiente de atrito, o

qual evidencia o efeito da rugosidade do tubo em atrito com o fluido (WHITE, 2007). A

literatura apresenta os fatores de atrito de Darcy (ƒD) e Fanning (ƒF), no entanto o fator de

atrito de Darcy no escoamento de fluidos em tubos é mais comum suas definições são

correlacionadas por ƒD = 4ƒF (ÇENGEL; CIMBALA, 2012).

O número de Reynolds é dado pela Equação 5. Através desta equação é possível

determinar o tipo de regime de escoamento, podendo este ser laminar, transição ou turbulento.

Onde: Re = número de Reynolds (adimensional);

ρ = massa especifica (kg/ m3);

v = velocidade de escoamento (m/s);

D = diâmetro do tubo (m);

μ = viscosidade do fluido (Pa.s);

O escoamento é classificado como laminar, se Re < 2000, de transição 2300 ≤ Re ≥

4000 e turbulento se Re ≥ 4000 (ÇENGEL; CIMBALA, 2012). Para escoamento em regime

𝑅𝑒 = 𝜌𝑣𝐷

𝜇

(5)

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24

laminar o cálculo do fator de atrito é obtido através da equação de Hagen-Poiseuille ( Equação

6), uma função somente do número de Reynolds, que é dependente somente das propriedades

do fluido, do diâmetro do tubo e da velocidade de escoamento do fluido no tubo (ROMEO et

al., 2002; SONNAD & GOUDAR, 2006).

ƒ𝐷 =64

𝑅𝑒

(6)

De acordo com Janna (2016), o fator de atrito, pode ser obtido através do diagrama

de Moody (Figura 4), dado o número de Reynolds e a rugosidade relativa do material do tubo.

Figura 4 — Diagrama de Moody

Fonte: Terron (2012).

De acordo com Silva (2016), em regime laminar o fator de atrito depende somente do

número de Reynolds, porém, para o regime turbulento, a literatura disponibiliza algumas

correlações (Quadro 1).

Para Re > 4000 classifica-se o escoamento em turbulento, desta forma o fator de

atrito pode ser calculado através de equações empíricas. A mais utilizada é a equação de

Colebrook-White, porém, esta não é uma equação explícita, portanto, se faz necessário

utilizar o método de iterações para a sua resolução (CAMARGO, 2001).

Devido a sua aplicabilidade, a equação de Colebrook – White, tornou-se o modelo

mais aceitável para os cálculos do fator de atrito em regime turbulento. Deste modo surgiram

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25

diversas equações com o objetivo de se obter o fator de atrito de uma forma explícita. Tais

equações foram obtidas a partir da equação Colebrook-White, com erros percentuais menores

que 0,5% (GENIĆ et al., 2011).

Quadro 1 — Correlações do cálculo do fator de atrito para fluidos newtonianos em

escoamento turbulento

Colebrook – White 1

√ƒ = −2 log 10 (

𝑘

3,7 𝐷+

2,51

𝑅𝑒√ƒ)

(7)

Souza Cunha Marques (1999) -

Erro: 0,123%

1

√ƒ = −2 log 10 [

𝑘

3,7𝐷−

5,16

𝑅𝑒log 10 (

𝐾

3,7𝐷 +

5,09

𝑅𝑒0,87)] (8)

Haaland (1983) –

Erro: 0,220%

1

√ƒ = −1,8 log 10 [(

𝐾

3,7𝐷)

1,11

+6,9

𝑅𝑒]

(9)

Barr (1972) –

Erro: 0,375%

1

√ƒ = −2 log 10 [

𝑘

3,7𝐷+

5,15

𝑅𝑒0,892] (10)

Swamee – Jain (1976) –

Erro: 0,386%

1

√ƒ = −2 log 10 [

𝑘

3,7𝐷+

5,74

𝑅𝑒0,9]

(11)

Churchill (1973) –

Erro: 0,393%

1

√ƒ = −2 log 10 [

𝑘

3,7𝐷+ (

7

𝑅𝑒)

0,9

] (12)

Fonte: Camargo (2001).

Estas correlações são utilizadas para determinar o fator de atrito de Darcy em fluidos

newtonianos, e são dependentes da velocidade, da rugosidade do material do tubo e do

número de Reynolds do escoamento (BRUNETTI, 2008). Rugosidade relativa é a razão entre

o tamanho da projeção e o diâmetro do tubo é representada por ε/D (SCHRODER, 2011).

3.8.2 Perda de carga localizada

Além das perdas por atrito ao longo da tubulação, calculada através do comprimento

do tubo, existem as perdas localizadas ou perdas menores. Estas são decorrentes da presença

de acessórios e conexões no sistema como: entrada e saída dos tubos; expansões ou

contrações bruscas; curvas, cotovelos, tês e outros acessórios; válvulas, abertas ou

parcialmente fechadas; expansões e contrações graduais. Essas perdas não podem ser

desprezadas, por exemplo, uma válvula parcialmente fechada, pode ocasionar maior queda de

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26

pressão do que um tubo longo (WHITE, 2007). As perdas de cargas localizadas podem ser

expressas em termos do coeficiente de perda (k) e do chamado comprimento equivalente.

3.8.2.1 Perda de carga pelo método do coeficiente de perda (k)

O cálculo da perda de carga através do método do coeficiente de perda (k) é o

método mais utilizado para determinar a queda de pressão, ou perda de carga em um sistema

de escoamento de fluidos (MUNSON; YOUNG; OKIISHI, 2004). De acordo com Tadini et

al. (2016), em regime turbulento o coeficiente é razoavelmente constante, porém em regime

laminar deixa de ser constante e varia com o número de Reynolds.

Os valores dos coeficientes de perdas localizadas, (k), são determinados de modo

experimental e disponibilizados em diversas literaturas, ou em catálogos de fornecedores

(AKUTSU, 2012). No Quadro 2 são disponibilizados alguns valores de coeficientes de perdas

referentes a peças ou acessórios de tubulação referente a perda de carga localizada.

As perdas de carga localizadas podem ser calculadas através da Equação 13, em

função do coeficiente de perdas localizadas e a velocidade de escoamento do fluido.

hs=𝑘𝑣2

2g (13)

onde: hs = Perda de carga localizada (m);

k = coeficiente de perda localizada (adimensional);

v = velocidade média do escoamento (m/s);

g = aceleração da gravidade (m/s2);

Quadro 2 — Valores do coeficiente de perda localizada (k) para acessórios

Peça ou acessório Valor de k Peça ou acessório Valor de k

Curva de 90º raio curto 0,9 Válvula de boia 6,0

Curva de 90º raio longo 0,6 Válvula de ângulo aberta 5,0

Curva de 45º raio curto 0,4 Válvula de globo aberta 10,0

Curva de 45º raio longo 0,2 Válvula de retenção 3,0

T de passagem direta 0,9 Válvula de pé com crivo 10,0

T de saída lateral 2,0 Registro de gaveta (aberto) 0,2

Fonte: AKUTSU (2012).

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27

3.8.2.2 Perda de carga pelo método do comprimento equivalente

O comprimento equivalente é por definição, o comprimento do tubo que possui uma

perda de carga por atrito igual a perda de carga do acessório considerado. O cálculo da perda

de carga total em uma tubulação é feito pela soma do comprimento total dos trechos que

possuem tubos retos, mais o total dos comprimentos equivalentes ao conjunto de válvulas e

acessórios presentes na tubulação. A perda de carga por atrito, utilizando o comprimento

equivalente é dada pela Equação 14 (TADINI et al., 2016).

ℎ𝐿𝑒𝑞 = ƒ𝐷 (𝐿 + ∑ 𝐿𝑒𝑞

𝐷)

𝑣²

2𝑔

(14)

Onde hLeq = perda de carga pelo método do comprimento equivalente (m);

L = comprimento do tubo (m);

ƒD = Fator de atrito de Darcy (adimensional);

Leq = comprimento equivalente dos acessórios (m);

D = diâmetro do tubo (m);

v = velocidade de escoamento (m/s);

g = aceleração da gravidade (m/s2);

O comprimento equivalente de diversos acessórios pode ser obtido através do Ábaco

de Crane Corporation conforme ilustra a Figura 5. O ábaco funciona de forma que, através de

uma reta, liga-se o ponto da esquerda, correspondente ao acessório ao diâmetro no eixo da

direita, o valor encontrado no eixo central é correspondente ao comprimento equivalente em

metros (FONSECA, 2016).

Além de ábacos, há também outras formas de se obter o comprimento equivalente,

que são encontradas na literatura, tabelas que relacionam o tipo de acessórios com o seu

comprimento equivalente exemplos as Tabelas Leq e Tabelas L/D, disponíveis na literatura

(TADINI et al., 2016).

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28

Figura 5 — Ábaco de Crane Corporation para determinação de comprimento equivalente de

acessórios. Fonte: Terron (2012).

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29

4 METODOLOGIA

O sistema utilizado neste trabalho para descrever o escoamento de um fluido

newtoniano é mostrado na Figura 6. Esse sistema é composto por uma seção de sucção (antes

da bomba) contendo o reservatório e alguns acessórios. Após a bomba, há uma seção de

descarga com seus acessórios e um tanque.

Figura 6 — Sistema de escoamento de fluido: tubulação e acessórios

Fonte: Autor (2019).

A Figura 7 representa a metodologia seguida para a realização deste trabalho. Com o

software Scilab Gui Designer, criou-se uma interface gráfica para a entrada dos dados, como:

as propriedades do tubo e do fluido e as correlações para cálculo do fator de atrito. Com a

interface pronta, no software Scilab, implementou-se as equações necessárias para calcular o

fator de atrito e as perdas de carga localizada e distribuídas.

Figura 7 — Estrutura da Plataforma

Fonte: Autor (2019).

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30

Os códigos computacionais desenvolvidos no ambiente de programação do Scilab

tiveram como objetivo englobar todos os dados inseridos na interface com as equações

necessárias para calcular a perda de carga. Em seguida os resultados encontrados pelo Scilab

são salvos em arquivos no formato txt (textual).

4.1 SCILAB

O software Scilab está disponível para Linux, Windows e Mac, possui um suporte de

ajuda online de fácil acesso em diversas línguas, inclusive na língua portuguesa. No mundo

científico, o Scilab teve seu início com foco em soluções computacionais para problemas de

álgebra linear, porém, rapidamente o número de aplicações foram estendidas para diversas

áreas da computação científica e problemas de engenharia (BAUDIN, 2013)

Utilizado como plataforma de cálculos científicos em geral, o Scilab além de ser um

software livre possibilita ao usuário acessar as mais diversas funções matemáticas, além de

gráficos em 2D e 3D, pacotes de cálculos estatísticos, biblioteca livre de propriedades da

água, otimização, sistemas de controle, dentre várias outras (SCILAB ENTERPRISES, 2013).

O Scilab possui uma linguagem de programação de alto nível, com orientação para a

análise numérica. A linguagem disponibiliza um ambiente para interpretação, com várias

ferramentas numéricas. Em poucas linhas de códigos é possível criar algoritmos complexos

quando comparados a outras linguagens como C, Fortran ou C++ (FILHO, 2012).

4.2 INTERFACE GRÁFICA

O Scilab Gui designer é um aplicativo com interface gráfica executada fora do

Scilab, que permite criar uma janela gráfica capaz de receber dados do usuário e se comunicar

com o programa retornando os resultados na plataforma Scilab.

Diversos fatores justificam o uso da interface gráfica Scilab Gui designer, um deles é

o custo. De acordo com Lucena e Liesenberg (2005), o custo não está limitado somente ao

software, pois, quando se adere o uso dos mesmos na resolução de problemas, é necessário

oferecer um treinamento para o usuário, quanto mais difícil, maior será o tempo de

treinamento, a sucessão de erros constantes, a lentidão de operação, entre outros.

O Scilab Gui designer é um meio de facilitar a interação do usuário com a máquina,

de forma que as informações serão inseridas, possibilitando a entrada de dados como: a

correlação para o cálculo do fator de atrito, tipos de acessórios, material dos tubos,

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31

comprimento da tubulação entre outras informações importantes na predição da perda de

carga de um sistema.

Esta interface foi desenvolvida através de alguns elementos importantes disponíveis

no Scilab Gui Designer ilustrado na Figura 8. São eles: Edit Field, Check Box, Push Button,

TextField, Popup Menu.

O botão Edit Field abre uma caixa de edição onde é permitido fazer a entrada de

dados na interface.

O botão check box, apresenta uma caixa que permite ser marcada, caso o usuário

queira utilizar tal informação.

O botão Push Button, disponibiliza um botão para executar uma ação como sair da

janela, cancelar, calcular ou selecionar acessórios.

O botão Text Field, disponibiliza um campo de texto, onde é possível colocar títulos

e nomear os parâmetros a serem implementados na interface.

O botão Pop-Up Menu disponibiliza um menu que pode ser expandido e listar uma

serie de opções de forma mais compactada, a escolha destas opções se dá ao selecionar a

opção desejada.

Figura 8 — Interface do Scilab Gui Designer

Fonte: Autor (2019).

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32

O programa ainda disponibiliza o recurso de redimensionar e renomear os botões

adicionados à interface, de forma que as informações possam ser sequenciadas. O software

por sua vez já cria automaticamente os códigos, conforme ilustrado na Figura 9, o que não

exige a necessidade de se programar para criar a janela gráfica.

Figura 9 — Desenvolvimento de códigos através do Scilab Gui designer

Fonte: Autor (2019).

4.2.1 Desenvolvimento da interface gráfica para o cálculo de perda de carga de fluidos

newtonianos

No software Scilab Gui Designer, desenvolveu-se a janela gráfica com o objetivo de

facilitar a interação do usuário com a máquina. A estrutura da janela gráfica se divide em

quatro seções (Figura 10).

▪ seção 1: campo para inserção do nome do fluido e vazão volumétrica (Q) em diversas

unidades de medidas;

▪ seção 2: campo para inserção de propriedades do fluido como: massa específica

(Rho), viscosidade (μ) e o valor do nível (h). Este nível é a diferença de elevação entre

os dois tanques ;

▪ seção 3: seção de sucção e descarga, possibilita a entrada de informações como:

Material do tubo, rugosidade (ε), diâmetro nominal (DN), diâmetro interno (Di),

comprimento (L), pressão (P), Temperatura (T) e as correlações para o cálculo do fator

de atrito. Possibilita também informar o número e os tipos de acessórios que compõem

as seções de sucção e descarga;

▪ Seção 4: botões para executar ações como: calcular, cancelar e sair.

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33

Na primeira seção adicionou-se uma caixa de seleção, que permite que o usuário

escolha se o fluido a ser utilizado será a água ou outro fluido newtoniano qualquer, sendo que,

se a segunda opção for escolhida, o mesmo deverá informar o nome do fluido e as suas

propriedades. Em seguida o usuário informa qual o valor da vazão e sua respectiva unidade,

também disposta em uma caixa de seleção.

Figura 10 — Interface gráfica no Scilab para o cálculo de perda de carga

Fonte: Autor (2019).

Para calcular a perda de carga de um fluido newtoniano diferente da água (seção 2),

se faz necessário informar a massa específica (ρ) do fluido e a sua viscosidade em um campo

de edição, ao lado há uma caixa de seleção onde o usuário tem como opção as respectivas

unidades, seguindo o mesmo princípio para as demais informações como: com as unidades m

e cm.

A seção 3 é composta pela seção de sucção e descarga. Ao clicar sobre a caixa de

seleção, abre-se uma lista de opções para a escolha do material do tubo como: aço inoxidável;

aço carbono e ferro fundido. Ao lado há um botão de acessórios, que ao clicar sobre ele abre-

se uma lista com vários acessórios (Figura 11) e uma caixa de edição, ao lado de cada

acessório é possível informar quantos acessórios há no sistema de escoamento.

1

2

3

4

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34

Figura 11 — Lista de acessórios disponíveis na interface gráfica

Fonte: Autor (2019).

O cálculo de perda de carga necessita também de informações da rugosidade do tubo.

A interface disponibiliza uma caixa de edição onde é possível inserir o valor e também

escolher as unidades disponíveis, há também uma caixa de verificação, que permite ao usuário

marcar caso haja o interesse em utilizar o valor padrão, esta opção também está disponível

para o diâmetro interno.

Conforme descrito na seção revisão bibliográfica, a rugosidade é um fator importante

a ser considerado, pois ela altera o regime de escoamento. Os dados de rugosidades de tubos

industriais mais utilizados foram implementados na interface e estão descritos na Figura12.

Figura 12 — Valores equivalentes de rugosidade para tubos comerciais novos

Fonte: Çengel; Cimbala (2012).

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35

Para os valores de pressão, temperatura e comprimento do tubo, a plataforma

disponibiliza uma caixa de edição que permite a entrada de dados para estes parâmetros, bem

como uma caixa de seleção para suas respectivas unidades. Para o diâmetro nominal e as

correlações do fator de atrito, há uma caixa de seleção com uma lista de opções disponíveis ao

usuário.

A seção 4 é composta por botões de calcular, cancelar e sair. Após a entrada de

todos os dados necessários, é necessário clicar no botão “calcular” para que o programa

resolva o sistema de escoamento. O botão “cancelar” é utilizado para cancelar o cálculo e

caso o usuário queira sair da janela gráfica basta clicar em “sair”, que a janela será fechada.

Neste trabalho, consideraram-se somente as correlações que utilizam o fator de atrito

de Darcy para a resolução das equações de perdas de carga em tubulações. No Quadro 3 estão

listadas algumas correlações para calcular o fator de atrito de Darcy, usando equações

explicitas e a equação de Colebrook-White. Estas correlações podem ser selecionadas pelo

usuário diretamente na interface gráfica.

Quadro 3 — Equações explícitas com os menores erros comparado a equação de Colebrook –

White

Souza Cunha Marques (1999) –

Erro: 0,123%

1

√ƒ = −2 log 10 [

k

3,7D−

5,16

Relog 10 (

K

3,7D +

5,09

Re0,87)]

Haaland (1983) –

Erro: 0,220%

1

√ƒ = −1,8 log 10 [(

𝐾

3,7 𝐷)

1,11

+6,9

𝑅𝑒]

Barr 1972 –

Erro: 0,375%

1

√ƒ = −2 log 10 [

𝑘

3,7 𝐷+

5,15

𝑅𝑒0,892]

Swamee – Jain 1976 –

Erro: 0,386%

1

√ƒ = −2 log 10 [

𝑘

3,7 𝐷+

5,74

𝑅𝑒0,9]

Churchill 1973 –

Erro: 0,393%

1

√ƒ = −2 log 10 [

𝑘

3,7 𝐷+ (

7

𝑅𝑒)

0,9

]

Colebrook – Write 1

√ƒ = −2 log 10 (

𝑘

3,7 𝐷+

2,51

𝑅𝑒√ƒ)

Fonte: Camargo (2001).

4.3 IMPLEMENTAÇÃO DAS EQUAÇÕES, PARA CÁLCULO DE PERDA CARGA

Todas as equações necessárias para resolver a equação de perda de carga foram

implementadas no ambiente de programação do software Scilab conforme o Quadro 4.

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36

Quadro 4 — Equações implementadas no software.

Área do tubo 𝑨 =

πD²

4

Velocidade de escoamento 𝑉 = 𝑄

𝐴

Número de Reynolds 𝑅𝑒 = 𝜌𝑉𝐷

𝜇

Fator de atrito de Darcy para escoamento laminar ƒ =64

𝑅𝑒

Perda de Carga distribuída hƒ=ƒ

LV2

D2g

Perda de carga localizada pelo método do coeficiente de

atrito hs=

KV2

2g

Bernoulli Z1+

P1

γ+

V12

2g+ HM = Z2+

P2

γ+

V22

2g+∑h

ƒ+∑hs

Nos sistemas a serem solucionados pela equação de Bernoulli considera-se que há

apenas uma bomba cedendo energia ao sistema.

4.4 DESENVOLVIMENTO DE CÓDIGOS COMPUTACIONAIS

Em se tratando do fluido newtoniano água, o Scilab já disponibiliza códigos com uma

rotina de cálculos com as propriedades da água através da biblioteca XSteam. Essa biblioteca

é um arquivo desenvolvido para o Scilab que contém as propriedades da água de acordo com

a formulação IAPWS IF-97 (Associação Internacional para as Propriedades da Água e Vapor)

( BONDARENKO, 2018). Desta forma não se faz necessário inserir informações como

viscosidade e massa específica (ρ) na interface gráfica para esse fluido.

4.4.1 Conversão de unidades

As unidades são todas convertidas para o sistema internacional (SI), de acordo com o

modelo exemplificado no Código 1. Ao selecionar a unidade disponível na interface, o Scilab

converte a unidade de vazão para m³/s. Dessa maneira todos os cálculos a serem executados

estarão nas mesmas unidades de medidas, evitando assim erros de conversão ou de equações

não homogeneamente consistentes.

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37

Código 1 — Conversão de vazão para o Sistema Internacional

function vazao=ConverterVazao(Q, unidade)

// converte a vazao selecionada para vazao volumetrica em m3/s

select unidade// "L/s|L/h|m3/s|m3/h"

case1then vazao=Q*0.001

case2 vazao=Q*0.001/3600

case3 vazao=Q

case4 vazao=Q/3600

end

endfunction

Fonte: Autor (2019).

4.4.2 Resolução das equações

A Equação de Reynolds foi implementada no software de acordo com o Código 2,

abrindo o procedimento function onde Reynolds é função do diâmetro do tubo, da viscosidade

do fluido, da velocidade de escoamento e da massa específica. Ao entrar com estas

informações na interface, o Scilab recebe todas as informações e resolve a equação que está

descrita dentro do procedimento function. Este método foi adotado em todas as equações

utilizadas.

Código 2 — Função para calcular o número de Reynolds

function RE=Reynolds(Dtubo, mufluido, Vfluido, Rho)

// Calcula o número de Reynolds do escoamento

RE=(Rho*Vfluido*Dtubo)/mufluido;

endfunction

Fonte: Autor (2019).

4.4.3 Coeficientes de atrito

As perdas de cargas localizadas pelo método dos coeficientes de perda são calculadas

da seguinte forma. O código funciona como um vetor, em que no primeiro vetor têm-se os

dados de k e no segundo vetor os valores de entrada que foram inseridas na interface (Código

3). Ao inserir a quantidade de acessórios este valor é multiplicado pelo valor de k. Logo o

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38

valor de k necessários para resolver a equação da perda de carga localizada é a soma deste

produto conforme Figura 13. Este processo acontece na sucção e na descarga.

Código 3 — Inserção dos coeficientes de perda de carga na plataforma

Fonte: Autor (2019).

Figura 13 — Modelo de cálculo de acessórios no Scilab

Fonte: Autor (2019).

// numero de acessorios selecionados na descarga

DADOS.acessorios_DESCARGA=[0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;

0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0;0];

// valor dos K dos acessórios

DADOS.Kvalor_acessorios=[0.35;0.2;0.75;0.45;1.3;1.5;0.4;1;1;1;0.04;0.04;0.17;0.9;4.5;24

;2.3;2.6;4.3;21;6;9.5;6;8.5;9;13;36;112;2;3;0.05;0.29;1.56;17.3;206;0.24;0.52;1.54;10.8;11

8;2;10;70;15;7;15;10;6;];

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39

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Com o objetivo de comprovar a capacidade da plataforma em solucionar os

problemas de perdas de carga em tubulações, foram testados alguns exercícios, retirados de

livros da área e selecionados três estudos de casos para fins de demonstração conforme

descrito a seguir.

5.1 ESTUDO DE CASO 1

No livro de Mecânica dos fluidos de Bistafa (2016) na página 199, tem-se o seguinte

exemplo: Água é bombeada entre dois reservatórios (1 e 2), com uma vazão de 6L/s, através

de dutos em ferro fundido de 50 mm de diâmetro e comprimento de 120 m e diversas

singularidades indicadas no sistema da Figura 14. Determine a potência hidráulica requerida

da bomba.

Salienta-se que o objetivo principal em resolver o exercício foi de comparar os

resultados de perda de carga disponível no livro com os resultados obtidos na plataforma.

Figura 14 — Sistema de Bombeamento de água 1

Fonte: Adaptado de Bistafa (2016).

O sistema é composto por tanque de sução e um tanque de descarga, uma entrada e

saída em reservatório, uma válvula gaveta completamente aberta, 2 cotovelos de 90° e 1 curva

com raio de 30 cm.

A Tabela 1 a seguir, demonstra os resultados obtidos na plataforma em comparação

com os dados disponíveis no livro citado acima.

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40

Tabela 1 — Comparação dos resultados do livro de Bistafa (2016) em relação aos obtidos na

plataforma Scilab

Parâmetros Resultados do

livro

Resultados da

plataforma Scilab

Unidades

Pressão 1013 1013 Pa

Comprimento Dos Tubos 120 120 m

Diâmetro 0,05 0,05 m

Rugosidade 2,6x10-4 2,6x10-4 m

Temperatura 25 25 ° C

Escoamento Turbulento Turbulento -

Velocidade 3,06 3,05 m/s

Reynolds 1,50x105 1,49x105 -

Fator De Atrito 3,16x10-2 3,13x10-2 -

Perda De Carga Distribuída 36,19 35,80 m

Perda De Carga Localizada 6,81 5,10 m

Perda De Carga Total 43,01 40,91 m

Carga Da Bomba 73,01 70,91 m

Potência Da Bomba 4300 4173 W

Fonte: Autor (2019).

Os resultados obtidos na plataforma demonstram que o regime de escoamento é

turbulento, as perdas de carga total do sistema são de 40,91 m, enquanto que no livro essas

perdas são de 43,01 m. Esta diferença de aproximadamente 2,10 m, pode ter ocorrido devido

o valor dos coeficientes de atrito implementados na plataforma diferir dos que foram

utilizados pelo autor do livro. A diferença de 2,10 m de perda de carga não é considerada

grande porque o produto da perda de carga, massa especifica e a gravidade é menor que 1

atm.

De acordo com White (2007), os dados para coeficiente de perda em acessórios

possuem uma incerteza de ± 50%, pois na literatura são disponibilizados valores médios de

diversos fabricantes.

Çengel e Cimbala (2012), afirmam também que há uma incerteza considerável nos

dados de coeficiente de perda, pois, no geral os mesmos variam de acordo com o diâmetro do

tubo, a rugosidade da superfície e o número de Reynolds.

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41

Este que por sua vez pode ser um ponto negativo da plataforma, pois não há a opção

de colocar os dados de coeficiente de perda de carga diretamente na interface, podendo

ocasionar diferenças entre um cálculo e outro. Percebe-se que diante disso, existe uma

necessidade de que em futuras melhorias da interface que esta funcionalidade esteja presente.

5.2 ESTUDO DE CASO 2

No livro de Mecânica dos fluidos de White (2007) exemplo 6.16 na página 402, tem-

se o seguinte:

Água, ρ= 1.000 kg/m3 e μ= 1,02x10-6 m2/s, é bombeada entre dois reservatórios a

uma vazão de 5,6L/s, por um tubo de 122 m de comprimento e 2 pol (50 mm) de diâmetro e

diversos acessórios, como mostra a Figura15. A rugosidade relativa é ε/D = 0,001. Calcule a

potência requerida pela bomba em hp.

Ressalta-se que o objetivo de utilizar este exercício como estudo de caso neste

trabalho, é comparar os resultados de perdas de cargas disponíveis no livro com os resultados

obtidos na plataforma.

A potência requerida da bomba deve ser calculada em hp, porém a plataforma

converte as unidades para o sistema internacional, logo a unidade da potência da bomba será

dada em (W), este resultado é disponibilizado no livro.

Figura 15 — Sistema de Bombeamento de água 2

Fonte: Adaptado de White (2007).

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42

Os resultados do sistema de escoamento estão descritos na Tabela 2 a seguir,

comparando-os com os do respectivo livro.

Tabela 2 — Comparação dos resultados do livro White (2007) em relação aos obtidos na

plataforma Scilab

Parâmetros Resultados do

livro

Resultados da

plataforma Scilab

Unidades

Pressão 1013 1013 Pa

Comprimento Dos Tubos 122 122 m

Diâmetro 0,05 0,05 m

Rugosidade 5x105 5x105 m

Temperatura 25 25 °C

Escoamento Turbulento Turbulento -

Velocidade 2,85 2,85 m/s

Reynolds 14x104 13,9x104 -

Fator De Atrito 2,16x10-2 2,15x10-2 -

Perda De Carga Distribuída 21,81 21,79 m

Perda De Carga Localizada 5,50 5,70 m

Perda De Carga Total 27,31 27,49 m

Carga Da Bomba 57,8 57,99 m

Potência Da Bomba 3175 3186 W

Fonte: Autor (2019).

O regime de escoamento do sistema de bombeamento se classifica como turbulento,

logo o fator de atrito foi calculado utilizando a equação de Coolebrook-White, a perda de

carga total foi de 27,49 m diferindo do resultado disponível no livro apenas por questões de

números de casas decimais e arredondamento, assim como os demais resultados.

A ferramenta retorna os resultados no prompt de comandos do Scilab, com todos os

parâmetros inseridos na interface gráfica e os que foram calculados, assim como cria

automaticamente um arquivo texto com todos os dados, estando os mesmos disponíveis

mesmo depois de encerrado a janela do Scilab.

5.3 ESTUDO DE CASO 3

No livro de Operações unitárias na indústria de alimentos (TADINI et al., 2016),

exercício 11 na página 167, tem-se o seguinte:

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43

Considera-se a instalação representada na Figura 16, na qual um fluido com

densidade ρ = 1050 kg/ m³ e viscosidade μ = 2.0 x 10-³ Pa.s é bombeado de um tanque a

outro, mais elevado através de uma tubulação de aço comercial com diâmetro interno de

0,052 m, a uma vazão volumétrica de 2,0x10-³ m³/ s e a pressão atmosférica local é de 101,3

kPa. Durante o bombeamento, as válvulas tipo gaveta deverão estar completamente abertas e

as mudanças de direção na tubulação são feitas por meio de cotovelos padrão de 90°.

Determine as pressões na entrada e na saída da bomba e a potência fornecida pela bomba.

Figura 16 — Sistema de Bombeamento de água 3

Fonte: Adaptado de Tadini et al. (2016).

O exemplo acima tem-se um sistema de escoamento em regime turbulento, onde é

proposto que se calcule a pressão de entrada e saída da bomba. No entanto também é proposto

que se calcule a potência hidráulica fornecida pela bomba, o qual é o objetivo deste estudo de

casa.

A potência hidráulica fornecida pela bomba é o produto da massa especifica, vazão,

aceleração da gravidade e a altura manométrica da bomba, conforme mostra a Equação 15

(BISTAFA, 2016). Todos estes parâmetros são calculados pela plataforma através das

equações implementadas, possibilitando a realização do cálculo do mesmo.

𝑊𝐵 = 𝜌𝑔𝑄𝐻𝑀 (15)

Onde: WB = potência hidráulica da bomba (W);

ρ = massa especifica do fluido (kg/ m3);

g = aceleração da gravidade (m/ s2);

Q = vazão volumétrica (m3/ s);

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44

HM = Altura manométrica (m);

Em se tratando de problemas de dimensionamentos de sistemas de escoamento é

comum se utilizar um fator de segurança onde a margem de erro pode estar acima ou abaixo

do valor obtido.

A seguir tem-se a Tabela 3 com os resultados obtidos comparados com o fornecido

pelo autor do livro.

Tabela 3 — Comparação do resultado do livro Tadini et al. (2016) em relação aos obtidos na

plataforma Scilab

Parâmetros Resultados Do

Livro

Resultados Da

Plataforma Scilab

Unidades

Pressão - 1013 Pa

Comprimento Dos Tubos - 10,5 m

Diâmetro - 52x10 m

Rugosidade - 4.5x10-5 m

Temperatura - 25 °C

Escoamento - Turbulento -

Velocidade - 0,94 m/s

Reynolds - 2,57x104 -

Fator De Atrito - 2,63x10-2 -

Perda De Carga Distribuída - 0,24 m

Perda De Carga Localizada - 0,19 m

Perda De Carga Total - 0,43 m

Carga Da Bomba - 2,93 m

Potência Da Bomba 60 60,41 W

Fonte: Autor (2019).

Tadini et al. (2016), não disponibiliza em seu livro outros resultados além da

potência hidráulica da bomba. O propósito da resolução deste exemplo é somente calcular a

potência da bomba em que no livro o autor obtém uma resposta de 60W, a plataforma

retornou um valor de 60,4117 W, essa diferença pode estar relacionada ao número de casas

decimais utilizadas na plataforma, o que pode diferir em por conta de alguns arredondamentos

feitos durante a resolução das equações.

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45

5.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Por ter sido desenvolvida utilizando somente software livre, a plataforma com seus

códigos ficará disponível através do site GitHub (https://github.com), o qual é uma plataforma

para a hospedagem de projetos com iniciativa de código livre. Dessa forma todo o projeto

poderá ser acessado, expandido e melhorado por qualquer pessoa que tiver acesso à internet.

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46

6 CONCLUSÃO

Conclui-se que a plataforma possui uma grande utilidade no âmbito acadêmico em

disciplinas como operações unitárias e fenômenos de transporte. A plataforma pode servir

ainda como um meio de treinamento em diversos problemas de escoamento de fluidos, Pois

com a utilização de recursos computacionais os cálculos podem ser executados rapidamente,

além da vantagem de que esta plataforma foi desenvolvida com um software livre que é isento

de custos.

A plataforma pode ser expandida podendo ser incluída as correlações para o caso do

uso de fluidos não newtonianos, bem como a inserção de novos coeficientes de perda

provenientes de acessórios. Isso é possível pois os códigos desenvolvidos são abertos e podem

ser modificados pelo usuário, adaptando-se assim ao sistema de escoamento de fluidos

utilizado.

Os estudos de caso resolvidos neste trabalho mostram que a ferramenta é capaz de

resolver problemas de escoamento com a presença de uma bomba, apenas em pouco tempo de

processamento. Os resultados dos testes mostraram que não houve problemas de

convergência, demonstrando assim a robustez da ferramenta em resolver esse tipo de

problema. As correlações para o cálculo do fator de atrito em escoamento turbulento não

mostraram diferenças em comparação com a equação de Colebrook-White, o que já era

previsto pela literatura.

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47

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50

APÊNDICES

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51

APÊNDICE A - Interface gráfica em Scilab.

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52

APÊNDICE B - Apresentação da interface no Scilab.

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53

APÊNDICE C - Arquivo texto gerado pelo Scilab.