Por que a curva da cabeça de fricção é um componente do sistema mais difícil

No mês passado, cobrimos as duas primeiras partes do cálculo da curva de resistência do sistema, que são carga estática total e carga de pressão. Essas duas partes da equação total são independentes do fluxo. Este mês, abordaremos o terceiro e mais difícil componente, a curva da cabeça de atrito, que depende do fluxo. Não confunda os termos dependente e independente com variável e constante.

Para nossos cálculos, assumiremos que as propriedades do líquido são Newtonion, o que significa que a viscosidade não mudará com a vazão e estamos considerando apenas tubos circulares.

Antes de começarmos, sou obrigado a compartilhar que existem várias calculadoras e aplicativos on-line disponíveis para ajudá-lo no cálculo da curva de resistência do sistema. Existem também programas premium (software comercial) disponíveis a preço de custo. O software comercial é especialmente útil quando você encontra sistemas sofisticados com circuitos ramificados, circuitos de vários tamanhos de tubos, bombas paralelas, bicos e vários componentes, como trocadores de calor, que exigem balanceamento térmico variável. Os aplicativos e calculadoras normalmente são gratuitos, mas têm limites e são restritos a sistemas simples. Para os não iniciados, o custo do programa comercial pode parecer caro, mas, na minha experiência, vale cada centavo. Ao considerar o preço do programa premium, você também deve pesar o risco e o custo existencial de não fazê-lo corretamente. Independentemente do preço, se você for usar algum dos aplicativos ou programas, ainda é importante entender os conceitos por trás dos processos básicos, e esta coluna pode te ajudar se o processo é manual ou informatizado.

Quando você força um líquido a uma vazão especificada através de algum comprimento de tubo, sempre há um atrito resultante (medido em pés de líquido) que deve ser superado para realizar o processo. O atrito é devido às tensões de cisalhamento viscosas no líquido e à rugosidade da superfície interna do tubo. Pense no processo de fluxo como uma estrada com pedágio, pois, para um determinado diâmetro e comprimento de tubo, há um custo associado para bombear um volume específico de líquido por unidade de tempo. O tributo do sistema, como qualquer imposto, deve ser pago às leis da ciência e da natureza, e não há como contornar a cobrança. No entanto, existem métodos inteligentes para mitigar os custos, como a escolha do diâmetro do tubo e dos materiais de construção adequados. Outra forma de reduzir o pedágio é projetar o sistema com simplicidade geométrica. Trechos retos de tubulação livre são o mais próximo possível de uma via expressa nesta estrada com pedágio. Todos os componentes do sistema de tubulação também exigirão um custo ainda maior do que a tubulação. Cotovelos, válvulas, tês, filtros, trocadores de calor, redutores, bicos e até mesmo alterações no tamanho dos tubos exigirão suas taxas. A mitigação das taxas de atrito requer simplesmente uma minimização do total de acessórios e/ou escolhas de componentes mais eficientes. Um exemplo disso poderia ser cotovelos de raio longo versus cotovelos de raio curto. Existem também opções eficientes de componentes e geometria de tubulação, como estrelas em vez de tês e válvulas com portas completas, sempre que possível/prático.

Existem três métodos comuns para calcular a curva de atrito do seu sistema:

Fator K (coeficientes de resistência) normalmente indicado como K.

Cv (coeficiente de fluxo)

Método de comprimento equivalente (L/D). As unidades são pés e o símbolo = Le

Vamos nos concentrar no método do comprimento equivalente nesta coluna. É a abordagem mais simples e produzirá resultados confiáveis ​​se executada corretamente. Cuidado: O método do comprimento equivalente às vezes pode resultar em uma curva do sistema que parece mais restritiva no papel do que realmente é, especialmente se as velocidades do líquido caírem nas regiões laminares inferiores. Consequentemente, este método pode produzir uma escolha de bomba maior do que o necessário. Se você compreender o risco, poderá mitigar o problema.

A abordagem do fator K produzirá precisão incremental em relação ao método do comprimento equivalente, mas os cálculos são mais tediosos. A abordagem do fator K será a mais precisa das duas abordagens; o grau de precisão depende do projeto do sistema e da faixa correspondente de velocidades do líquido.