Porque é que a perda de carga decide toda uma rede
Assim que um fluido (ar, água, fumo) circula numa conduta, num tubo ou numa tubagem, atrita contra as paredes e depara-se com as mudanças de direção. A cada metro percorrido, perde energia : é a perda de carga.
Subestimar esta perda é escolher um ventilador ou uma bomba demasiado fracos e nunca atingir o caudal pretendido. Sobrestimá-la é sobredimensionar a instalação e desperdiçar energia continuamente. Calculá-la bem é dimensionar com justeza.
O que é uma perda de carga ?
A perda de carga (notada ΔP) é a queda de pressão sofrida por um fluido em movimento, devida à dissipação viscosa da sua energia por atrito e turbulência. Exprime-se em pascals (Pa) e cresce, no essencial, com o quadrado da velocidade do escoamento.
Distinguem-se duas famílias de perdas, que se somam ao longo de toda a rede :
Perdas regulares (lineares)
- Devidas ao atrito ao longo das paredes de uma conduta reta.
- Proporcionais ao comprimento e inversamente ao diâmetro.
Perdas singulares (locais)
- Devidas aos acidentes : cotovelos, tês, válvulas, alargamentos, grelhas.
- Concentradas num ponto, mas muitas vezes dominantes.
O regime de escoamento : laminar ou turbulento ?
Antes de qualquer cálculo, é preciso conhecer a natureza do escoamento. O número de Reynolds compara as forças de inércia com as forças viscosas e determina se o fluido se escoa em filetes paralelos (laminar) ou de forma caótica (turbulento).
Na quase totalidade das redes de ar e de água do edifício e da indústria, o escoamento é turbulento : é este regime que governa os métodos de cálculo abaixo.
As perdas regulares : a fórmula de Darcy-Weisbach
Sobre um comprimento reto de conduta, a perda de carga calcula-se pela relação universal de Darcy-Weisbach :
O coeficiente λ depende do número de Reynolds e da rugosidade relativa da parede. Lê-se classicamente no diagrama de Moody ou calcula-se pela fórmula de Colebrook. A lição prática : como o ΔP varia em V², duplicar a velocidade multiplica a perda por quatro, daí o interesse de condutas generosas.
As perdas singulares : o coeficiente K
Cada acidente da rede (cotovelo, tê, redução, registo, grelha) provoca uma perda local, modelada por um coeficiente de perda singular K :
Numa rede compacta, estas perdas singulares dominam frequentemente as perdas lineares. Reduzir um cotovelo vivo, fluidificar uma junção ou alargar uma grelha pode fazer cair a perda global muito mais eficazmente do que aumentar as condutas retas.
Os ábacos param onde a geometria se torna real
Os coeficientes K tabelados valem para acidentes isolados e ideais. Assim que dois cotovelos se encadeiam, que uma junção é assimétrica ou que uma tremonha está obstruída, a interação entre singularidades sai dos ábacos : só a CFD dá então um valor fiável.
Resistência hidráulica & equilíbrio da rede
À escala de uma rede completa, fala-se de resistência hidráulica : a oposição global que a instalação oferece à passagem do fluido. É ela que, cruzada com a curva do ventilador ou da bomba, fixa o ponto de funcionamento real (caudal e pressão obtidos).
Quando vários ramais partilham um mesmo caudal, o desafio torna-se o equilíbrio : repartir corretamente os caudais entre ramais para que nenhuma zona seja sobrealimentada em detrimento de outra. Uma rede mal equilibrada significa locais mal ventilados e órgãos de regulação que « consomem » energia em pura perda.
Quando a simulação CFD assume o lugar dos ábacos
As fórmulas e ábacos são suficientes para uma rede regular. Mas assim que a geometria se torna complexa ou condicionada (tremonhas obstruídas, plenums, tomadas de ar, junções múltiplas, permutadores), a simulação CFD torna-se a ferramenta de referência.
Calcula a perda de carga real da geometria exata, visualiza as zonas de recirculação e de descolamento que dissipam a energia, e permite testar variantes de traçado antes da fabricação. Dimensiona-se assim com justeza, sem sobredimensionar « por segurança ».
Estudo de caso : perdas de carga — rede do CNITOs nossos engenheiros quantificam as suas perdas de carga e otimizam os traçados por simulação CFD. Conversemos.
