Relatório quimica Experimento placa de orifício

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Relatório 2 – Experimento placa de orifício 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Anderson Antônio RA: B886ID9 
Jaqueline C Pinheiro RA: B59GCH7 
José Henrique Gonzaga RA: B92ECF8 
 
 
 
 
 
 
Jundiaí Maio / 2015 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Relatório 2 – Experimento placa de orifício 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Trabalho apresentado junto ao instituto de exatas e 
tecnológicas Universidade Paulista UNIP, como 
parte das exigências do componente curricular 
da disciplina mecânica dos fluidos, sob orientação do 
Prof. Willian Monteverde. 
 
 
 
 
 
Jundiaí Maio / 2015 
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Objetivo 
O objetivo da prática é encontrar a vazão do escoamento do ar dentro do 
túnel de vento, através de dados da velocidade máxima (velocidade central), e 
determinar com o auxilio da vazão e diferença de pressão do fluido devido à 
placa de orifício o valor do coeficiente experimental da placa de orifício “C”. 
INTRODUÇÃO 
 
Não é por coincidência que as placas de orifício ainda são a tecnologia de 
vazão mais conhecida. Elas oferecem medição de vazão confiável e precisa 
para aplicações de gases, líquidos e vapor. As instalações de medidores de 
vazão com orifício compacto são simples e econômicas. 
 
O medidor de vazão com orifício compacto 405P da Rosemount é a solução 
ideal para aplicações de circuito fechado e de monitoramento para fins gerais. 
Este projeto reduz o custo total de instalação dos pontos de medição de vazão 
por pressão diferencial (DP), eliminando a necessidade de encaixes, tubulação 
de impulso, válvulas, adaptadores e manômetro, fornecendo um único 
dispositivo embalado em conjunto para uma instalação simplificada. Através da 
integração dos transmissores de pressão da Rosemount com o elemento 
primário de orifício compacto 405 da Rosemount, oferecemos os medidores de 
vazão com mais alto desempenho e que chegam montados, calibrados, testes 
de vazamento e prontos para instalar. 
Os recursos dos medidores de vazão com orifício compacto da Rosemount 
incluem: 
 Disponível para classificação de pressão até a ANSI 600# 
 Segue o padrão da indústria utilizando o projeto de tomada de canto 
ASME e ISO 
 Instalação entre flanges de face elevada existentes 
 O anel de auto centralização garante a ótima precisão ao mesmo tempo 
em que melhoram o processo geral de instalação. 
 
 
 
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Conceituação teórica 
Placa de orifício: 
Medidor de vazão classificados como deprimogênio, pois promove a 
redução da seção transversal a fim de obter a vazão. Aplica-se a equação da 
conservação da massa e a equação de Bernoulli para obter-se uma equação 
para a vazão. Sua estrutura resume-se a uma placa transversal ao 
escoamento, de pequena espessura, na qual foi usinado um furo cilíndrico. A 
variação na seção transversal do escoamento leva ao aumento da velocidade e 
à queda da pressão. Entretanto, como ocorre uma variação brusca da área é 
gerada uma grande turbulência que resulta em uma “perda de carga”, além de 
menor precisão na medição da pressão. 
 
Figura 1- Desenho esquemático de um escoamento através de uma placa de 
orifício. 
Onde: P2 = pressão antes da placa de orifício; P3 = pressão depois da placa 
de orifício; D= diâmetro da tubulação; d= diâmetro do furo da placa de orifício. 
Vazão: É o volume de determinado fluido que passa por uma determinada 
seção de um conduto por uma unidade de tempo. 
Perda de carga: É a resistência encontrada pelo fluído para escoar. 
Tubo de Pitot: É um instrumento de medida de pressão de estagnação, 
utilizado para medir a velocidade de fluidos, consiste basicamente num tubo 
orientado para o fluxo de fluido a medir. Visto que o tubo contém ar pode assim 
ser medida a pressão necessária para colocar o ar em repouso: a pressão de 
estagnação, ou pressão total. A pressão de estagnação só por si não é 
suficiente para determinar a velocidade do fluido. Todavia, visto que a equação 
de Bernoulli determina que: Pressão de estagnação = pressão estática + 
pressão dinâmica. 
5 
 
 
Figura 2- Escoamento a través de uma placa de orifício. Fluído de 
trabalho: água, velocidade: 14 cm/s, largura da abertura: 30 mm, Re = 4.300. 
Visualização através do método das bolhas de hidrogênio. (Japan Society of 
Mechanical Engineers, “Visualized Flow”, Edit. Pergamon Press, 1988). 
 
Medição de vazão com placa de orifício 
 
Atualmente os medidores de fluidos (líquidos, gases e vapores) são cruciais 
num processo, pois são usados para determinar as quantidades de produtos 
vendidos, comprados e transferidos entre fabricantes, transportadores e 
consumidores finais. Medidores De Fluídos 
Atualmente os medidores de fluidos (líquidos, gases e vapores) são cruciais 
num processo, pois são usados para determinar as quantidades de produtos 
vendidos, comprados e transferidos entre fabricantes, transportadores e 
consumidores finais. Com o grande desenvolvimento tecnológico, praticamente 
existe, hoje, um tipo de medidor mais adequado a cada tido de aplicação ou 
produto. Entretanto, todos esses medidores podem ser classificados em dois 
grandes grupos funcionais: 
– o primeiro grupo mede a quantidade de fluido que passa por ele, através da 
medição direta de volume; 
– o segundo grupo mede a vazão, ou seja, a taxa na qual o fluido escoa pelo 
medidor, através da inferência pela sua interação com o fluido. 
Nos dois casos, contudo, os medidores são constituídos de duas ou três partes 
distintas com funções bem específicas. A primeira é o Elemento Primário, que 
está em contato com o fluido. Esse contato resulta em alguma forma de 
interação que pode ser, por exemplo, o deslocamento do elemento primário, a 
aceleração ou desaceleração do fluido. A segunda parte é o Elemento 
6 
 Secundário, que transforma a interação medida entre o elemento primário e o 
fluido em um sinal que pode ser convertido em volume, massa ou vazão. Além 
disso, o elemento secundário normalmente indica e/ou armazena esses 
valores. Tomando como exemplo um medidor com placa de orifício, o elemento 
primário é constituído pela placa em si, pela tubulação adjacente e seus 
acessórios (retificador de fluxo, tomadas de pressão, trechos retos, porta-placa 
etc). O elemento secundário é composto pelo transmissor de pressão 
diferencial P, pelo transmissor de pressão estática P e pelo transmissor de 
temperatura T. Também pode haver um medidor de densidade (D) além de 
outros equipamentos que possibilitem uma medição mais precisa. Na figura 
1podemos ver também a presença de um Elemento Terciário representado por 
um computador de vazão que corrige a medição usando normas específicas 
para cada produto (petróleo cru, gás natural, gasolina etc). 
 
 
Ele leva em conta a compressão do fluido, densidade, composição, 
temperatura, dentre outros fatores. Para simplificar vamos nos restringir às 
aplicações onde o próprio medidor de pressão diferencial é suficiente para 
inferir a vazão do produto. 
 
POR QUE USAR A PLACA DE ORIFÍCIO? 
Como já mencionamos, há inúmeras tecnologias para medição de vazão no 
mercado, mas sem dúvida, o “medidor com placa de orifício” ainda é o mais 
usado pelo seu baixo custo associado ao grande conhecimento acumulado de 
décadas de aplicação. Isso significa, entre outras coisas, que todo profissional 
de Automação ligado ao Controle de Processos pode eventualmente se 
deparar com um medidor desse tipo. É então conveniente conhecer seus 
princípios básicos de funcionamento. Além disso, ao longo de várias décadas o 
medidor com placa de orifício vem sendo aperfeiçoado para melhorar 
seu range,precisão e robustez. Diversos trabalhos práticos e acadêmicos 
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estão disponíveis para auxiliar os profissionais que quiserem aplicar esse tipo 
de medidor. Veja na tabela 1 e na figura 2uma rápida comparação entre 
diferentes tipos de medidores. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8 
A PLACA DE ORIFÍCIO 
Conforme podemos ver na figura 3, a placa consiste em um disco de metal fino 
com um orifício concêntrico. Existem placas com orifícios excêntricos e outros 
com formatos de furo, alguns até mesmo com mais de um orifício. 
 
 
COMO PODEMOS DEFINIR UM MEDIDOR COM PLACA DE ORIFÍCIO? 
É um trecho de tubulação com uma restrição que cria uma queda de pressão 
no fluido sendo escoado. Um bocal ou tubo de Venturi também são exemplos 
de restrições que podem ser usadas. Entretanto, a placa fina com orifício 
central é o tipo de restrição mais empregado. Para usar qualquer tipo de 
restrição é necessário primeiro calibrá-la empiricamente. Isso significa que é 
preciso montar diferentes tipos de placas, passar por elas um volume 
conhecido e verificar qual a leitura do medidor, de forma a ajustar o medidor de 
acordo com sua geometria e também com as características do produto medido 
(gás, líquido ou vapor). No caso da placa de orifício, um extenso trabalho já foi 
feito mundialmente para o levantamento de todas as suas curvas e 
características, permitindo uma fácil e rápida aplicação para uma série de 
diferentes produtos. 
 
QUAL SEU PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO? 
À medida que o fluido se aproxima da placa há um ligeiro aumento na pressão, 
e depois há uma súbita queda após a passagem pelo orifício. A pressão 
continua a cair até atingir um ponto de pressão mínima chamado “vena 
contracta”. É quando a pressão começa a subir novamente até atingir a 
pressão máxima após a placa. Essa pressão será sempre menor que a 
pressão antes da placa. A diferença entre elas é chamada de “perda de carga” 
e é importante para o dimensionar bombas e outros elementos da tubulação, o 
que também significa energia perdida devido à restrição imposta na linha pela 
placa. 
Quando passa pelo orifício, a redução da pressão é resultado do aumento em 
sua velocidade passando pela área reduzida. O fluido escoando através da 
9 
área da tubulação tende a querer passar pelo orifício que possui área menor. 
Dessa forma o fluido é “acelerado”, o que causa a queda de pressão. Essa 
relação pode ser representada de forma simplificada pela equação seguinte: 
 
 
onde F é a vazão do fluido [m3/s], V [m/s] sua velocidade e A [m2] é a área da 
seção transversal por onde passa o fluido. Essa equação indica que: se a 
vazão é constante, a velocidade depende da área por onde passa o fluido. Ou 
seja, ao passar pelo orifício e encontrar novamente uma área de seção 
transversal maior na tubulação, sua velocidade tende a diminuir, à medida que 
a pressão tende a retornar ao valor inicial, que não é atingido devido às perdas 
por atrito e turbulência no escoamento. 
Foi verificado que à medida que a vazão no tubo aumenta, a diferença da 
pressão medida antes e depois da placa (pressão diferencial) também 
aumenta, sendo que essa pressão diferencial P é proporcional ao quadrado da 
velocidade do fluido. Supondo que todos os outros fatores permaneçam 
constantes, tais como a área do tubo, área do orifício, viscosidade do fluido etc, 
pode-se verificar que a P é proporcional ao quadrado da vazão. 
Fica evidente pelo desenho da figura 4 uma das principais desvantagens da 
placa: provoca considerável perda de carga no fluxo, e devido ao atrito 
constante com o fluido, há também um desgaste que pode ser crítico em longo 
prazo, caso o fluido seja muito abrasivo. 
 
 
Um arranjo comum é dado na figura 5. 
 
 
 
 
 
 
 
 
10 
 
 
A placa provoca uma redução da seção do fluxo e é montada entre dois anéis 
que contêm furos para tomada de pressão em cada lado (figura 1). O conjunto 
é fixado entre flanges, o que torna fácil sua instalação e manutenção. A 
medição da diferença de pressão P=P1-P3 pode ser feita por algo simples como 
um manômetro “U” e uma tabela ou uma fórmula. Ou, em nosso caso, pode ser 
um equipamento mais sofisticado como transdutores elétricos e o sinal 
processado por circuitos analógicos ou digitais para indicação dos valores de 
vazão (transmissor de pressão diferencial). Na figura 5, podemos ver pelos 
esquemas de A a D, o caminho do fluido e como a placa de orifício interage 
provocando a variação na pressão, que sendo proporcional à vazão, pode ser 
medida e trabalhada. 
 
Equação para o fluido, derivada da equação de Bernoulli: 
 
 
 
Onde “P” é pressão em cada tomada, “v” é a velocidade do fluido, “g” é a 
aceleração da gravidade, “p” é a densidade do fluido e “f” representa as perdas 
totais (atrito, turbulência etc), que se assume desprezível por simplificação. 
Esta equação pode ser reescrita e simplificada da seguinte forma: 
 
Equação geral da vazão para placa de orifício: 
 
11 
O coeficiente do medidor ou coeficiente de escape “Cmeter”, determinado 
experimentalmente, se encarrega de incluir na equação o comportamento do 
medidor real, tais como perdas por atrito e geometria, a relação entre as áreas 
das seções transversais da tubulação e do orifício (também conhecida como ß) 
e as características de viscosidade do fluido (número de Reynolds). O fator Y 
está relacionado à compressibilidade do fluido, sendo 1 para fluidos 
incompressíveis. Quando o processo está em regime, todos os parâmetros do 
medidor e do fluido são então conhecidos. Logo, basta medir a pressão 
diferencial entre as tomadas P1 e P3. Dessa forma a vazão pode ser calculada 
usando as constantes apropriadas que, quando combinadas, levam à seguinte 
relação: 
 
Equação simplificada com parâmetros fixos do medidor: 
 
 
 
Na equação anterior vemos que a vazão depende apenas da constante C1, que 
combina as demais constantes do processo, da diferença de pressão P = (P1 - 
P3) e da densidade do fluido. A densidade do fluido pode ser medida através de 
instrumentos ou nos casos onde não haja variação significativa, também ser 
incorporada à constante C1simplificando ainda mais a equação, para a situação 
onde a densidade do fluido é considerada como seu valor base: 
 
Equação simplificada para produto com densidade fixa: 
 
 
 
Temos então que, de forma simplificada, a vazão é proporcional à raiz 
quadrada da diferença de pressão P. Medindo o P e extraindo sua raiz 
quadrada, obtemos então um valor proporcional à vazão do fluido. Isso pode 
ser feito usando o medidor de pressão apresentado a seguir. 
 
 
 
 
 
 
 
12 
 
O TRANSMISSOR DE PRESSÃO DIFERENCIAL 
Como já vimos anteriormente, um elemento fundamental no medidor de placa 
de orifício é o medidor de pressão diferencial. 
Nesse caso, considerando os modernos transmissores de pressão, o 
equipamento pode simultaneamente ler a diferença de pressão nas tomadas de 
alta e baixa e ainda calcular a vazão correspondente, enviando para o usuário 
um sinal já proporcional à vazão. 
Em alguns medidores mais sofisticados é possível ainda integrar essa vazão 
no tempo, obtendo diretamente a totalização em volume do fluido escoado. 
Transmissores de pressão mais modernos podem até mesmo ler a temperatura 
do fluido e fazer compensações com relação às variações de temperatura, 
permitindo uma medição de vazão e/ou volume ainda mais precisa. 
 
 
VAZÕES / FLUXO DE MASSA 
 
“A quantidade de massa que escoa através de uma seção transversal por 
unidade de tempo é chamada de vazão em massa e é indicada por m (kg/s). Ofluxo de massa ou vazão em massa pode ser expresso em valores médios 
sobre uma seção transversal de um tubo, por exemplo, pelo produto da 
densidade ρ (kg/m3) do fluido, que é essencialmente uniforme ao longo da 
seção transversal do tubo Ac (m2) e a velocidade média Vm (m/s) do fluido 
nesta seção, como demonstrado na Equação 01.” (ÇENGEL,CIMBALA, 2007) 
 
13 
VAZÃO VOLUMÉTRICA 
“O volume do fluido que escoa através de uma seção transversal por 
unidade de tempo é chamado de vazão em volume ou vazão volumétrica V 
(m3/s), é obtida pela através da Equação 02.” (ÇENGEL,CIMBALA, 2007) 
 
Coeficiente de Descarga: Placas de Orifício Os valores típicos do 
coeficiente de descarga para placas de orifício, nas condições aconselhadas de 
aplicação ( Re= ( ρVd / µ ) > 10000 ), estão entre 0,6 e 0,7 . O comportamento 
do Cd em função do número de Reynolds está ilustrado na Fig. 
 
 
Comportamento de Cd em função do número de Reynolds. 
 
Como saber o Cd de uma placa de orifício (ou qualquer outro medidor 
por obstrução)? São duas possibilidades: 1. construindo o seu medidor de 
obstrução de acordo com normas (ASME, ASHRAE, HEI, ISO, etc), as quais 
publicam os valores de Cd, curvas de Cd com Re, etc. Neste caso, devem ser 
observados rigorosamente a tolerância de fabricação ( exêntricidade, 
circularidade, planicidade, rugosidade), o posicionamento das tomadas de 
pressão, a especificação do material selecionado, etc. 
 
 
 
14 
Tratamento Analítico As hipóteses principais adotadas são: 
 
• Escoamento permanente; 
• Fluido incompressível; 
• Escoamento turbulento; 
• Distribuição uniforme de velocidades no tubo e na seção contraída do jato 
emitido através do orifício do diafragma como na figura 2.2; 
• Conduto horizontal; 
• Perda de carga ou energia nula entre a seção (1) e o diafragma. 
Aplicando-se a equação de Bernoulli entre a seção (1) e a seção contraída 
da ilustração 2, obtém-se: 
 
 
 
 
onde: 
V
C
: Velocidade do jato a seção contraída; 
H
P1,C
: Perda de carga de 1 a C: H PL,C =KC
𝑉2.𝐶
2𝑔
 
K
C
: Coeficiente de perda de carga local; 
V
1
: Velocidade na seção (1); 
γ = ρg; 
P
n
: Pressão. 
 
Observação: Não há sentido usar a velocidade média na seção (2) porque a 
distribuição de velocidades não se aproxima da uniforme; na seção contraída 
do jato a distribuição é uniforme e por ela passa toda a vazão. 
A aplicação da equação da continuidade resulta: 
 
 
 
Onde: 
D: diâmetro da tubulação na seção (1); 
D
C
: diâmetro da seção contraída; 
Q: vazão 
O diâmetro da seção contraída do jato, “d
C
”, pode ser correlacionado com o 
diâmetro do orifício da placa, “d”, através de um coeficiente de contração “Cc”, 
definido como: 
 
d
C
2 
= C
C 
d
2 
 
15 
Fazendo-se: 
 
 
 
 
e tendo-se em conta as equações (2.2) e (2.3), pode-se explicitar o termo 
“V
C
” na equação (2.1), resultando: 
 
 
 
Substituindo-se os termos constantes da equação (2.5) em uma única 
constante “K”, teremos: 
 
 
 
A equação (2.6) é adotada como a lei de descarga do diafragma, onde o 
valor da constante “K” é determinada experimentalmente. 
Para cada medidor diafragma há um valor particular da constante “K”, válido 
para um determinado intervalo de vazões, limitado interiormente pela influência 
da viscosidade e superiormente pelo fenômeno da cavitação. 
 
 
 
Bancada de Ensaios: A montagem consiste: 
• Conduto de PVC alimentado por uma bomba hidráulica; 
• Medidor tipo diafragma instalado em trecho do conduto; 
• Registro tipo esfera para controle da vazão, instalado no recalque da 
bomba 
• Tanque retangular de área A
tanque 
= 0,0973 m
2
, com escala vertical 
graduada, destinado ao conhecimento do volume de fluido coletado 
• Piezômetro diferencial 
3.3. Procedimentos Experimentais: 
• Ligar a bomba; 
• Abrir o registro na saída da bomba, estabelecendo a vazão máxima na 
instalação; 
• Fazer medições da cota diferencial piezométrica (h) para 8 valores de 
vazão; 
• Medir a temperatura da água no reservatório. 
 
 
 
16 
 
LEVANTAMENTO DE DADOS 
 
Grandeza Uni- 
dade 
1 2 3 4 5 6 
ΔP Pa 900 2100 2800 6900 15200 42200 
T S 21,8 16,01 22 13,5 14 7 
H Cm 9 9 12 9,5 17 13 
 
 
Dados obtidos com a aplicação das formulas acma; 
 
 
Grandez
a 
ΔP t Q h K V
1
 Re
1
 
Unidade 
Ensaio 
Pa s m
3
/s cm - m/s - 
1 
 
900 
 
21,8 0,102 9 0,034 0,00331
1 
84,430 
2 2100 16,01 0,102 9 0,034 0,00331
1 
84,430 
3 2800 22 0,117 12 0,034 0,00379
8 
96,849 
4 6900 13,05 0,104 9,5 0,034 0,00337
6 
85,935 
5 15200 14 0,140 17 0,034 0,00454
5 
115,897 
6 42200 7 0,122 13 0,034 0,00396
1 
101,005 
 
∑K 0,204 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
17 
Gráfico representando Q e H 
 
 
 
 
 
Gráfico representando Re e K 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
0
20
40
60
80
100
120
140
1 2 3 4 5 6
K -
Re -
0
20
40
60
80
100
120
140
1 2 3 4 5 6
Re -
K -
18 
CONCLUSÃO 
Os resultados obtidos apresentaram valores próximos dos esperados (devido à 
discrepância nos valores calculados do coeficiente de descarga, que deveria 
ser constante), independendo da vazão. Conclui-se que este método de 
medição de vazão pode ser eficiente desde que se tenha maior precisão na 
coleta dos dados e seus cálculos. Os valores para o coeficiente de descarga 
calculado, só não foram satisfatórios, pois o mesmo não se apresentou 
constante como esperado segundo o livro “Mecânica dos fluidos e 
fenômenos de transporte” temos a relação do numero de Reynolds e o 
coeficiente de descarga (que deveria ser uma reta). Contudo, o coeficiente de 
descarga é muito útil para se estimar valores de vazão real em tubulações. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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BIBLIOGRAFIA 
 
https://www.google.com.br/?gfe_rd=cr&ei=fvNlVbTNOJP9sQek34DgBw#q=plac
a+de+orificio+medidor+de+vaz%C3%A3o 
http://www.escoladavida.eng.br/mecflubasica/aula4_unidade5.htm 
http://www.fem.unicamp.br/~em712/vazao.doc 
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAACzQAA/experiencia-placa-orificio 
https://www.google.com.br/?gfe_rd=cr&ei=kxlqVdC7EuyU8Qfy_4CgAw#q=tabel
a+experimento+placa+de+orificio 
https://www.google.com.br/search?q=tabela+experimento+placa+de+orificio&bi
w=1366&bih=623&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ei=zRlqVduRNMGqgg
TB1YO4Cw&ved=0CCMQsAQ&dpr=1 
http://www.seer.ufu.br/index.php/horizontecientifico/article/viewFile/4346/7790