Relatorio Katheleen, Bruna e Suelen.docx

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE - FURG
ESCOLA DE QUÍMICA E ALIMENTOS - EQA
CURSO DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS
LABORATÓRIO DE ENGENHARIA III (02395)
Bruna Campagnucci Silva (135239)
Katheleen Cristine Trindade Santana Bastos (72852)
Suelen Bromberger Oliveira (132508)
 Medidores de Placa de Orifício e Tubo Pitot
Data de realização da prática: 21/07/2022
Data de entrega do relatório: 05/08/2022
Rio Grande
2022
2
SUMÁRIO
RESUMO 3
1 OBJETIVOS 3
2 MATERIAL E MÉTODOS 3
2.1 MATERIAL 3
2.2 MÉTODOS EXPERIMENTAIS 4
2.3 MÉTODOS DE CÁLCULO 4
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 6
4 CONCLUSÃO 10
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 10
3
RESUMO
A vazão de um fluido é uma das medidas mais comuns a serem feitas para um
escoamento, os medidores de vazão podem ser classificados em diretos ou indiretos.
Dentre os medidores indiretos estão o tubo Venturi, o tubo de Pitot e a placa de
orifício. A placa de orifício é um dos sistemas mais utilizados na medição de vazão por
diferencial de pressão. Sua aplicação na indústria é relativamente alta, em razão a vantagens
como simplicidade, baixo custo, baixos índices de manutenção e aplicações em diversos tipos
de fluidos. Já o tubo de Pitot é um instrumento utilizado para medir a velocidade pontual de
um fluido em escoamento, empregado em conjunto com a placa de orifício para que se possa
fazer a calibração desta.
Palavras-chave: Tubo de Pitot ; Placa de Orifício.
1 Introdução
Em processos industriais, a medição da vazão do fluido é uma das mais importantes,
tendo uma variedade de aplicações, podendo monitorar todo o processo de fabricação e
rendimento. Existem vários tipos de medidores de vazão, que podem ser subdivididos em três
grupos: medidores de área variável, de perda de carga e medidores especiais. Dentre os
medidores de perda de carga, estão a Placa de Orifício, os Bocais de Vazão e o tubo de
Venturi (STRIEDER;SCHUCH, 2010).
Os medidores de vazão podem ser classificados em diretos, onde é feita a pesagem
ou mede-se o volume que o fluído ocupa em um determinado período de tempo, ou indiretos,
baseados no princípio da aceleração de um fluido escoando através de alguma forma de bocal
(POTTER, WIGGERT, 2004; FOX, PRITCHARD, MCDONALD, 2011).
Dentre os dispositivos medidores de vazão indiretos mais usados pode-se citar a
placa de orifício, o medidor Venturi, tubo de Pitot e o bocal de escoamento. O funcionamento
desses consiste em uma obstrução ao escoamento do fluido que percorre uma tubulação,
causando um diferencial de pressão através desta obstrução (POTTER,WIGGERT, 2004). O
princípio fundamental de todos os medidores de vazão que utilizam o método da pressão
diferencial é a equação de energia de Bernoulli (Equação 1). Nela conclui-se que, em uma
tubulação fechada, não há perdas de energia e o medidor mais comum a usar este princípio é o
de Placa de Orifício. Esta variação na pressão pode ser medida através de um medidor de
pressão diferencial ou de um manômetro. O princípio Bernoulli relaciona a vazão teórica com
4
o diferencial de pressão entre as seções de maior ou menor diâmetros (FOX, PRITCHARD,
MCDONALD, 2011).
( 1)
As placas de orifícios são medidores de vazão simples, de baixo custo e práticos, sendo
equipamentos muito comuns para esta finalidade, usados em aproximadamente 80% das
aplicações na indústria. Entretanto, junto as suas desvantagens estão a rangeabilidade baixa,
alta perda de carga no sistema e existência de equipamentos mais modernos (DELMÉE,
2003). A placa de orifício baseasse em uma placa fina que pode ser intercalada com flanges
de tubos (Figura 1) (FOX,PRITCHARD,MCDONALD, 2011).
Figura 1. Medidor Placa de orifício
.
O tubo de Pitot (Figura 2) é um instrumento usado para medir a velocidade pontual de um
fluido em escoamento. Baseasse num tubo com uma abertura para a medição da pressão de
estagnação do fluido e de uma tomada comum para medir a pressão estática do processo.
Combinado mede simultaneamente as duas pressões através de dois tubos concêntricos. O
tubo interno mede a pressão de estagnação (abertura de impacto) e o tubo externo possui uma
ou mais tomadas laterais, para a medição da pressão estática. O tubo de Pitot é empregado em
conjunto com a placa de orifício para que se possa fazer a calibração desta (PAULA, 2015).
5
Figura 2. Tubo de Pitot.
Fonte: NUSSENZVEIG, 2003.
Na figura 2, é possível ver o orifício que sente a pressão total, indicado com o número 1. Os
orifícios indicados com o número 2 são os orifícios que medem a pressão estática. Ao
conectar o tubo de Pitot a um manômetro, podemos obter a diferença entre a pressão total e a
pressão estática, indicada pela altura h. Com essa diferença de pressão, denominada pressão
dinâmica, podemos obter a velocidade do escoamento no ponto desejado.
2 OBJETIVOS
A prática tem como objetivo a calibração do Medidor Placa de Orifício, a partir da
análise de regressão entre as medidas de velocidade do fluido “ar” usando um Tubo de Pitot,
que requer a aplicação da Equação de Bernoulli (medida de referência) e as obtidas por
intermédio da aplicação das Equações de Bernoulli e da Continuidade no Medidor Placa de
Orifício. A equação de calibração resultante possibilita encontrar o coeficiente de descarga
“k” do medidor Placa de Orifício empregado na prática, que é uma medida da perda
localizada provocada por ele, e desta forma obter uma medida mais precisa da
vazão/velocidade do fluido através deste equipamento.
3 MATERIAL E MÉTODOS
3.1 MATERIAL
● Soprador de ar;
● Tubulação;
● Válvulas globo;
● Medidor de placa de orifício;
6
● Termômetro ;
● Manômetro de tubo em U de água;
● Tubo de pitot.
3.2 MÉTODOS EXPERIMENTAIS
A estrutura experimental utilizada na prática estava instalada no Laboratório de
Fenômenos de Transporte da Escola de Química e Alimentos (EQA), e foi ilustrada na Figura
3. A prática é constituída pelos seguintes itens: soprador de ar, tubulação, válvulas globo,
medidor placa de orifício, manômetros de tubo em U de água, termômetro, tubo de Pitot.
Primeiro, ligou-se o soprador de ar com a válvula globo, que permite a regulagem da vazão,
completamente fechada (há uma saída alternativa para o ar, um by pass). Em seguida,
procedeu-se a abertura mínima da válvula globo para que uma pequena vazão de ar passe pela
placa de orifício. Realizou-se a leitura da queda de pressão provocada pela placa, indicada no
manômetro de tubo em U. Na sequência, realizou-se a medida da diferença de pressão entre a
pressão estática e a pressão total no tubo de Pitot, instalado no final da linha de ar, no
manômetro de tubo em U conectado a ele. Verificou-se a temperatura do ar a fim de conferir a
sua correspondente massa específica. Repetiu-se o mesmo procedimento para sucessivas e
graduais aberturas da válvula globo, tendo como limite de vazão a capacidade da leitura de
queda de pressão no manômetro de tubo em U da placa. Recomenda-se no mínimo 10
diferentes vazões.
Figura 3 - Instalação dos Equipamentos
Fonte: Notas de aula.
3.3 MÉTODOS DE CÁLCULO
As informações coletadas são, portanto, para cada posição da válvula globo, a leitura
da queda de pressão no medidor placa de orifício, obtida no manômetro de tubo em U ligado a
ela, a leitura da diferença de pressão entre os pontos de medida do tubo de Pitot no
manômetro de tubo em U de água ligado a ele, e a temperatura do ar. Além destes dados,
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foram anotados os diâmetros da tubulação, da placa de orifício e da extremidade da tubulação
(tubo de PVC) onde se encontra instalado o tubo de Pitot. Os dados obtidos permitiram a
determinação, por meio da Equação 2, da velocidade teórica do fluido, lida pela placa de
orifício.
A Equação 1 representa o princípio de Bernoulli, onde P é a pressão nos pontos, 𝜌 é a
densidade do fluido, g é a aceleração da gravidade, z é a altura dos pontos em relação
ao chão e v é a velocidade dos fluidos nos pontos.
(2)𝑣1 = 𝐶. ∆ℎ
Onde:
𝐶 = 2·(ρ𝑓.𝑚. −ρ)·𝑔ρ·(β4−1)
A partir das Equações 3 e 4, obtém-se a velocidadereferência, obtida pelo tubo de Pitot.
(3)𝑣1, 𝑃𝑖𝑡𝑜𝑡 = 2·(𝑃2. −𝑃1)ρ
Para a correção da velocidade utilizou-se a seguinte equação:
(4)
8
Por fim, a realização da Análise de Regressão com os pares de velocidade determinados para
cada abertura da válvula, possibilita obter o coeficiente de correção para a placa de orifício
“k”. Para calcular a diferença de pressão do tubo de Pitot, utiliza-se a Equação 5,estimando-se
que não há variação de pressão nas direções x e y, apenas na direção z.
𝛥𝑃 + 𝜌𝑔ℎ = 0 (5)
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na Tabela 1, são apresentados os valores experimentais para as temperaturas
medidas para 11 pontos diferentes, assim como as alturas manométricas mensuradas. Os
valores utilizados para o diâmetro da tubulação, de acrílico e da placa de orifício são 53,5, 29
e 27,9 mm, assim respectivamente.
Tabela 1 - Dados experimentais coletados.
Ponto Temperatura do ar
(ºC)
Δh Manômetro
Placa Orifício (cm)
Δh Manômetro
Tubo de Pitot (cm)
1 31,5 2,6 2,2
2 40,2 5,0 5,7
3 42,7 8,8 8,3
4 46,5 16,0 12,6
5 49,5 24,1 18,7
6 51,1 26,9 20,5
7 62,3 28,5 22,3
8 53,3 34,5 25,5
9 54,3 45,3 32,9
9
10 55,8 59,9 42,5
11 56,6 60,8 43,1
Utilizando os dados coletados na Tabela 1, a partir da média das temperaturas (49,44 °C)
obtemos o valor da massa específica média do ar (ENGINEERING TOOLBOX, 2003), e
calculamos a velocidade teórica determinada pelo medidor placa de orifício, conforme
apresentado na Tabela 2.
Tabela 2 - Cálculos realizados pelo método direto.
Ponto Temperatura
média do ar (ºC)
ρ do ar
(kg/m3)
Δh placa
(m)
Velocidade
teórica (m/s)
1
49,44 1,093
0,0260 0,1187
2 0,0500 0,2283
3 0,0880 0,4019
4 0,1600 0,7306
5 0,2410 1,1005
6 0,2690 1,2284
7 0,2850 1,3015
8 0,3450 1,5755
9 0,4530 2,0686
10
10 0,5990 2,7354
11 0,6080 2,7765
Após, calculou-se a velocidade de escoamento na entrada do tubo de Pitot (𝑣1) e com isso
obtemos as velocidades de referência.
Tabela 3 - Cálculos realizados pelo método teórico.
Ponto (m)Δℎ C v (m/s) V (m3/s)
1
4,56
0,68320,68 2,5123
2 0,9475 3,4839
3 1,2570 4,6220
4 1,6949 6,2323
5 2,0802 7,6488
6 2,1977 8,0809
7 2,2621 8,3178
8 2,4888 9,1516
9 2,8519 10,4866
10 3,2794 12,0587
11 3,3040 12,1489
A diferença entre as velocidades da placa de orifício e o tubo de Pitot pode ser
explicada pela diferente perda de carga que ocorre nos equipamentos, podendo ser ocasionada
por diversas condições na tubulação. Logo, foi possível plotar o gráfico expresso na Figura 4
a partir das velocidades encontradas para a placa de orifício (Tabela 2) e para o tubo de Pitot
(Tabela 3).
11
Figura 2 - Gráfico demonstrando a linha de tendência entre as vazões teórica e real.
Assim, a partir dos resultados das velocidades nos dois equipamentos, obteve-se o
gráfico de correlação entre os resultados. Através da equação da reta resultante, obteve- se o
coeficiente de correção para a placa de orifício, resultando em um k de 3,677 com um
coeficiente de determinação (R2) igual a 1.
5 CONCLUSÃO
As placas de orifícios são medidores de vazão simples, de baixo custo e práticos,
muito utilizadas na indústria. Já o tubo de Pitot é um instrumento utilizado para medir a
velocidade pontual de um fluido em escoamento, empregado em conjunto com a placa de
orifício para que se possa realizar a calibração desta. Com os resultados observados, pode- se
concluir que houve uma diferença entre a velocidade encontrada para a placa de orifício e a
velocidade real no tubo de Pitot. Logo, foi necessário realizar a calibração da placa de orifício
a partir da obtenção do coeficiente de descarga k, que resultou no valor de 3,677
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CID, A. S.; CORREA, T. Venturino: análise da variação de pressão em um tubo de
Venturi utilizando Arduino e sensor de pressão. Revista Brasileira de Ensino de
Física, v. 41, n. 3, 2019.
DELMÉE, G. J. (2003). Manual de Medição de Vazão (3ª ed.). São Paulo: Edgard
Blucher.
FOX, R. W.; MCDONALD, A. T. Introdução à mecânica dos fluidos. 4ª ed. Rio de
Janeiro: Guanabara Koogan, 1999.
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PAULA, I. B. de. Medidas Pontuais de Velocidade. 2015. Disponível em:
<http://lef.mec.puc-rio.br/wp-content/uploads/2015/06/anemometria.pdf> . Acesso em: 04
agosto de 2022.
POTTER, M. C.; WIGGERT, D. C. Mecânica dos Fluidos. 3ª ed. São Paulo: Cengage
Learning, 2004.
SENAI. Apostila de instrumentação Básica II do Programa de Certificação do
Pessoal de Manutenção, SENAI, Espírito Santo, 2008.
STRIEDER, André; SCHUCH, Cristina M. EDUFLUID-Software para o ensino de
medição de vazão por perda de carga através de tubo Venturi. Revista Ciência e
Tecnologia, v. 8, n. 13, 2010.
http://lef.mec.puc-rio.br/wp-content/uploads/2015/06/anemometria.pdf