Manual Bancada Mecflu
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MANUAL BANCADA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS MANUAL DE EXPERIMENTOS
Página 1
1.0 Experimentos 1.1 Familiarização com o equipamento o
o
Um painel em aço aço inoxidável inoxidável com 9 tomadas de pressão: pressão:
Uma tomada da Placa de Orifício;
Uma tomada do Tubo de Venturi;
Uma tomada tomada (sucção (sucção e recalque) recalque) da da bomba bomba do quadro esquerdo;
Uma tomada tomada (sucção (sucção e recalque) recalque) da da bomba bomba do quadro direito;
Uma tomada de pressão da associação série/paralelo;
Um painel de elementos contendo:
Uma válvula gaveta na entrada da tubulação;
Um suporte para placa de orifício;
Duas placas com diâmetros diferentes;
Um hidrômetro residencial;
Um tubo de acrílico acrílico transparente transparente com uma tomada tomada para injeção de corante; corante;
Um Tubo de Venturi em acrílico;
Um tubo em PVC liso com diâmetro de ¾” com válvula de esfera;
Um tubo em PVC com rugosidade induzida e diâmetro de ¾” com válvula de esfera;
Um tubo em PVC liso com diâmetro de ½” com válvula de esfera;
Tubulação removível:
Tubulação com luvas de união nas extremidades que são intercambiáveis podendo ser inseridos outros elementos customizados pelo usuário;
Uma tubulação tubulação com dois dois cotovelos cotovelos 90º, 90º, uma curva 90º e curva 45º;
Uma tubulação com uma válvula globo, uma conexão Tee, uma expansão de ¾” para 1”, uma contração de 1” para ¾” e um f iltro Y .
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MANUAL BANCADA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS MANUAL DE EXPERIMENTOS
Página 2
1.2 Experimento de Reynolds Objetivo: Verificar visualmente a formação de um perfil parabólico de velocidades em escoamentos laminares e o comportamento do corante em escoamentos laminares e turbulentos.
Introdução O Número de Reynolds é um adimensional que caracteriza um escoamento como laminar ou turbulento. É definido como a relação entre as forças inerciais e as forças viscosas. Para tubos o número pode ser determinado por:
=
· · · = ʋ
Os escoamentos em tubos são caraterizados de acordo com: Laminar: Rey < < 2300 Transição: 2300 < Rey < < 4000 Turbulento: Rey > > 4000
Procedimento experimental: Preparação: Medida de Vazão:
Recomenda-se utilizar o hidrômetro residencial e um cronometro de acordo com o procedimento do item 1.3 A vazão pode ser calculada cronometrando-se o tempo em minutos para o ponteiro de 1 litro completar uma volta e:
ô =
1
()
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MANUAL BANCADA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS MANUAL DE EXPERIMENTOS
Página 3
Ensaio: Visualização do perfil de velocidades do escoamento: Calcular a vazão necessária para que o Número de Reynolds seja baixo o suficiente para · = garantir que o escoamento seja laminar, ou seja, REY = ≈ 1000 ʋ Fechar a válvula de entrada e ligar a bomba. Com auxílio de uma seringa ou com o funil reservatório de corante, injetar uma quantidade de corante suficiente para ser vista uma nuvem no tubo de acrílico, como sugerido na figura a seguir. Abrir uma um a válvula da linha muito vagarosamente vagarosamente por alguns segundos e notar que o perfil da nuvem se desenvolve enquanto percorre a tubulação e se assemelha a um paraboloide. Pode-se fechar a válvula novamente e o perfil será “congelado” por alguns instantes permitindo uma melhor visualização do perfil.
FIGURA 1 – VISUALIZAÇÃO DO PERFIL PARABÓLICO DE VELOCIDADES Refazer o experimento para vazões maiores e verificar qualitativamente o perfil de velocidades.
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MANUAL BANCADA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS MANUAL DE EXPERIMENTOS
Página 4
Exemplo de dispositivo de injeção de corante:
FIGURA 2 – DISPOSITIVO DE INJEÇÃO DE CORANTE (depende do modelo adquirido)
Visualização das linhas:
Calcular a vazão necessária para que se obtenham obtenham os três tipos de escoamento.
Abrir totalmente a válvula válvula da entrada entrada da linha de Reynolds, ligar a bomba bomba e ajustar a vazão pela válvula da saída para regime laminar.
Ajustar a válvula de injeção e verificar que o fio de corante corante acompanha acompanha a linha de corrente até o final do tubo.
Ajustar a vazão para que que o escoamento seja de transição. transição.
Injetar o corante novamente e notar que começam começam a ocorrer ocorrer perturbações perturbações no fio de corante até que o mesmo se mistura completamente com a água.
Ajustar a vazão para que o escoamento seja turbulento.
Injetar o corante e notar que ocorre mistura quase que instantaneamente instantaneamente do corante corante com a água, caracterizando o regime turbulento.
Deve-se tomar cuidado quando estiver operando com vazões elevadas.
Se a pressão da linha pode ser alta o suficiente para retornar água para o reservatório de corante, podendo ocorrer transbordamento.
Sugestões adicionais: - realizar o experimento com diversas vazões e notar a influência da velocidade no escoamento;
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MANUAL BANCADA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS MANUAL DE EXPERIMENTOS
Página 5
Referências Bibliográficas STREETER, V. L. Mecânica dos Fluidos. MCGraw Hill do Brasil. São Paulo, 1978. FOX, R. W. , PRITCHARD, F. J., MCDONALD, A. T. Introdução à Mecânica dos Fluidos. 6º Ed. Editora LTC, 2006.
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MANUAL BANCADA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS MANUAL DE EXPERIMENTOS
Página 6
1.3 Hidrômetro como Medidor de Vazão Objetivo: Utilizar um hidrômetro residencial como medidor de vazão.
FIGURA 3 - HIDRÔMETRO
Procedimento experimental: Preparação: Fechar todas as válvulas de esfera das linhas de elementos e a válvula de entrada. Medida de vazão:
Padrão: A medida da vazão será realizada através do reservatório de medida e cronômetro. Utilize o procedimento descrito no item 1.1 ou utilize o rotâmetro. Instrumento: Verifique no painel do hidrômetro que para totalizar o volume de fluido deve-se somar o display numérico numérico aos indicadores analógicos (ponteiros). São dois os indicadores de ponteiro,
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MANUAL BANCADA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS MANUAL DE EXPERIMENTOS
Página 7
Recomenda-se cronometrar o tempo de uma volta do ponteiro de 10 litros por revolução. A vazão pode então ser ser calculada em litros por minuto (L/min):
=
10
(/)
Medidas das pressões:
Não são necessárias.
Ensaio: Fechar a válvula de entrada e ligar a bomba. Atuar sobre a válvula de entrada ou sobre a válvula da linha varrendo toda a sua extensão obtendo, no mínimo, 10 medidas de vazão. Por simplicidade, utilize a mesma medida de tempo para o reservatório de medida. Altura (mm)
Vazão (L/min)
Tempo p/ 10 L (s)
Vazão Hidrômetro (L/min)
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MANUAL BANCADA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS MANUAL DE EXPERIMENTOS
Página 8
Análise dos dados: Montar um gráfico linear com Vazão (hidrômetro) no eixo das abscissas e a Vazão (padrão) no eixo das ordenadas. Verificar visualmente que tipo de função se ajusta aos pontos. Utilize o método dos mínimos quadrados e ajuste uma função linear do tipo:
= · + Está é a equação da curva de calibração.
Sugestões adicionais: - realizar o ajuste da curva utilizando planilha eletrônica; - alunos dos cursos de Engenharia que tem disciplinas de Instrumentação em seu currículo podem ser encorajados a verificar:
Se a teoria propõe modelos lineares para sensores de vazão tipo turbina e tipo roda d’água;
Se o procedimento de calibração adotado pode ser melhorado;
Analisar os erros e verificar as incertezas do instrumento.
Referências Bibliográficas ISMAIL, K. A .R. GONÇALVES, M. M. BENEVENUTO, F. J. Instrumentação Básica para Engenharia. Editora do autor, 1998. FOX, R. W. PRITCHARD, F. J. MCDONALD, A. T. Introdução à Mecânica dos Fluidos. 6ª Ed. Editora LTC, 2006.
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Página 9
1.4 Placa de Orifício Objetivo: Obter uma equação (curva de calibração) que permita calcular a vazão a partir da medida do diferencial de pressão na placa de orifício.
Introdução: A Placa de Orifício é um medidor de vazão deprimogênio muito utilizado industrialmente pelo seu baixo custo e consta de uma obstrução na tubulação que provoca uma diferença de pressão que é proporcional à vazão do fluído.
FIGURA 5 – PLACA DE ORIFÍCIO Esta obstrução geralmente é montada na forma de um orifício concêntrico de menor diâmetro que a tubulação.
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MANUAL BANCADA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS MANUAL DE EXPERIMENTOS
Página 10
Genericamente para este tipo de medidor, a vazão é determinada por:
= √ Procedimento experimental: O Experimento consiste em medir a diferença de pressão entre uma tomada à montante e outra a jusante da placa de orifício.
Preparação: Após conhecer o diâmetro interno, instalar a placa de orifício no suporte, apertando os parafusos. Utilize a luva de correr se precisar retirar o suporte. Medida de vazão:
A medida da vazão vazão será realizada através do reservatório reservatório de medida ou do rotâmetro. rotâmetro. Medida das pressões:
Conecte as mangueiras às tomadas de pressão da placa de orifício localizadas no painel em inox ao manômetro diferencial eletrônico. Como as diferenças de pressão são elevadas, recomenda-se o uso do MDD30.
Ensaio: Fechar totalmente a válvula de esfera da linha da Placa de Orifício e ligar a bomba. Atuar a válvula de esfera varrendo toda a faixa e obtendo, no mínimo, 15 valores de Vazão e suas respectivas diferenças de pressão Δ P indicadas diretamente no MDD30 (em PSI). Altura Reservatório
Volume
Tempo
Vazão
Δ P
Δ P
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MANUAL BANCADA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS MANUAL DE EXPERIMENTOS
Página 11
Análise dos Dados: Montar um gráfico linear com Δ P no no eixo das abscissas e a Vazão no eixo das ordenadas. Ajuste uma função do tipo:
= √ Está é a equação da curva de calibração. A equação teórica completa completa é:
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MANUAL BANCADA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS MANUAL DE EXPERIMENTOS
Página 12
- Comparar o resultado com a equação proposta por Stolz (MARTINS, 1998) para o coeficiente de d escarga. Note que a equação é sugerida para diâmetros de tubulação D>50mm.
Referências Bibliográficas ISMAIL, K. A .R. GONÇALVES, M. M. BENEVENUTO, F. J. Instrumentação Básica para Engenharia. Editora do autor, 1998. MARTINS, N. Manual de Medição de Vazão. Editora Interciência, 1998. FOX, R. W. , PRITCHARD, F. J., MCDONALD, A. T. Introdução à Mecânica dos Fluidos. 6º Ed. Editora LTC, 2006. WATER MEASUREMENT MANUAL – disponível para visualização em 14/06/2012 – Capítulo 14: http://www.usbr.gov/pmts/hydraulics_lab/pubs/wmm
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Página 13
1.5 Tubo de Venturi Objetivo: Obter uma equação (curva de calibração) que permita calcular a vazão a partir da medida do diferencial de pressão em um tubo de Venturi.
FIGURA 7 – TUBO DE VENTURI
Introdução: O tubo de Venturi é um medidor de vazão deprimogênio muito utilizado industrialmente por apresentar baixar perda de carga residual e é formado por um tubo com uma contração de secção seguida de uma expansão suave que provoca uma diferença de pressão que é proporcional à vazão de fluido.
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MANUAL BANCADA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS MANUAL DE EXPERIMENTOS
Página 14
Procedimento experimental: O experimento consiste em medir a diferença de pressão entre uma tomada na entrada do tubo e outra na contração (garganta).
Preparação: Medida da Vazão:
A medida da vazão será realizada realizada através do reservatório reservatório de medida medida ou utilize o rotâmetro. rotâmetro. Medida das pressões:
Conecte as mangueiras às tomadas de pressão do Venturi (localizadas no painel em inox) ao manômetro diferencial eletrônico MDD30.
Ensaio: Fechar totalmente as válvulas de entrada do quadro em uso. Abra vagarosamente a válvula do Venturi acompanhando o Δ P no manômetro diferencial eletrônico. Atuar a válvula de esfera varrendo toda a faixa e obtendo, no mínimo, 15 valores de Vazão e suas respectivas diferenças de pressão Δ P indicadas indicadas diretamente no MDD30. Altura
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MANUAL BANCADA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS MANUAL DE EXPERIMENTOS
Página 15
Análise dos Dados: Montar um gráfico linear com Δ P no no eixo das abscissas e a Vazão no eixo das ordenadas. A equação teórica completa completa é:
Considerando que o Venturi foi construído de acordo com norma ASTM, para Re>4000, calculado na secção reduzida, o coeficiente de descarga aproxima-se da unidade, sendo considerado:
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MANUAL BANCADA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS MANUAL DE EXPERIMENTOS
Página 16
- comparar o resultado de K obtido obtido experimentalmente com o K obtido obtido teoricamente para C = 0,99. Verifique o err o associado.
Referências Bibliográficas ISMAIL, K. A .R. GONÇALVES, M. M. BENEVENUTO, F. J. Instrumentação Básica para Engenharia. Editora do autor, 1998. MARTINS, N. Manual de Medição de Vazão. Editora Interciência, 1998. FOX, R. W. , PRITCHARD, F. J., MCDONALD, A. T. Introdução à Mecânica dos Fluidos. 6º Ed. Editora LTC, 2006. WATER MEASUREMENT MANUAL – disponível para visualização em 14/06/2012 – Capítulo 14: http://www.usbr.gov/pmts/hydraulics_lab/pubs/wmm
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Página 17
1.6 Perda de Carga Localizada Objetivo: Verificar a perda de carga em um elemento singular e determinar o comprimento equivalente do mesmo.
Introdução As instalações hidráulicas não são formadas f ormadas unicamente de tubos e a inserção de elementos como curvas, reduções e válvulas ocasionar perdas de carga adicionais.
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MANUAL BANCADA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS MANUAL DE EXPERIMENTOS
Página 18
Comparando com a equação de Darcy-Weisbach:
= ·
E então:
=
· D
Novamente, isto somente pode ser considerado verdadeiro para
elevados. elevados.
R e
Pode-se avaliar a perda de carga em singularidades utilizando a montagem a seguir, que
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MANUAL BANCADA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS MANUAL DE EXPERIMENTOS
Página 19
Ensaio: Fechar totalmente a válvula de entrada e ligar a bomba, abrir somente a válvula de esfera da linha de singularidades. Abra a válvula de entrada vagarosamente acompanhando o piezômetro até que seja estabelecida a vazão máxima da instalação, ou seja, atingindo o limite do piezômetro. Pressurize o piezômetro se necessário. Atuar na válvula da entrada varrendo varrendo toda a faixa e obtendo, obtendo, no mínimo, 10 valores de P a, Pb e Pc e calcular Δ. Altura Reservatório Medida
Volume Coletado
Tempo Cronometrado
Vazão (L/min)
Pa (mmca)
Pb (mmca)
Pc (mmca)
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MANUAL BANCADA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS MANUAL DE EXPERIMENTOS
Página 20
Análise dos Dados: Montar uma tabela com os resultados. Q (m³/s)
Δℎ
Δℎ
(m)
(m)
Re
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MANUAL BANCADA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS MANUAL DE EXPERIMENTOS
Página 21
Comprimento Equivalente :
Montar um gráfico linear de
contra
praticamente independente de
Re
para os dois tubos. Note que
R e
para Re elevados;
Determinar o comprimento equivalente para os dois tubos
é
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