tubo de venturi

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Planejamento e desenvolvimento de um Tubo de Venturi
Caroline Zanardi ¹ - UNITOLEDO 
David Alex Correia Naitzke ² - UNITOLEDO 
Prof. Lucas Escarpin³ - UNITOLEDO 
RESUMO
O presente trabalho tem como proposta desenvolver um dispositivo de fácil construção e de baixo custo de materiais, sendo capaz de calcular a vazão e a transferência de calor em dois pontos distintos, utilizando-se na forma pratica os princípios de Bernoulli juntamente com uma plataforma de Arduino, o protótipo que será construído para o ensaio será o tubo de Venturi.
Palavra-chave: Dispositivo, Bernoulli e Tubo Venturi
Abstract
The present work is proposed to develop an easy-to-build and low-cost materials device, being able to calculate the flow and transfer of heat in two distinct points, using the form of the Bernoulli principles along with a Arduino platform, the prototype that will be built for the assay will be the Venturi tube.
Keyword: Device, Bernoulli and Venturi tube
____________________________
1 Acadêmico do 6° semestre do curso de Engenharia Mecânica no Centro Universitário Toledo de Araçatuba – SP, caroline.zanardi@hotmail.com
2 Acadêmico do 6° semestre do curso de Engenharia Mecânica no Centro Universitário Toledo de Araçatuba – SP, david_nike@hotmail.com
Introdução
Tubo de Venturi
O tubo de Venturi é um dispositivo projetado para medir a velocidade de um fluido aproveitando o efeito Venturi, sendo umas das formas mais simples e mais utilizadas para a medição em condutos de espessuras diferentes, por intermédio da variação da pressão durante a passagem de um líquido por um tubo de diâmetro maior em direção ao tubo de diâmetro menor. O medidor Venturi é um aparelho que foi desenvolvido por Clemmens Herschel, em 1881, que leva o nome de G.B. Venturi, um filósofo italiano que foi o primeiro hidráulico a experimentar tubos divergentes (AZEVEDO NETTO et al, 1998).
 Giovanni Battista Venturi (1746-1822) fez-se então um dispositivo que pudesse quantificar a velocidade do escoamento e a vazão de um líquido incompressível. “O Venturini é o medidor com melhor desempenho entre os seus similares, na categoria de medidores de obstrução” (SCHNEIDER, 2003). 
Para AZEVEDO NETTO et al, (1998) os medidores diferenciais são dispositivos que promovem uma redução na seção de escoamento de uma tubulação, de modo a produzir uma diferença de pressão, em consequência do aumento da velocidade. A representação de um tubo de Venturi, pode ser encontrada na (Figura1)
Figura 1- Tubo de Venturi
Fonte: Aerodynamique TPE
Segundo DELMÉE (1982) “os tubos ventures podem ser fabricados usando-se qualquer material, desde que sejam realizados de acordo com as dimensões recomendadas”.
A aplicação de um tubo de Venturi é muito ampla pode ser empregado nas medições de ar de combustão de caldeiras, gazes de baixa pressão onde se requer perda de carga permanente reduzida e pelo mesmo motivo, para medição de agua em grandes dutos. DELMÉE (1982)
Existentes em muitos utensílios cotidianos como nos misturadores do tipo Z para adicionar espumógenos em uma condução de água para a extinção de incêndios, em carburadores para aspirar o carburante, misturando-o com o ar, ao passar por um estrangulamento. No sistema de limpeza de mangas filtrantes em filtro tipo Jet Pulse, ao reduzir o consumo de ar comprimido, mantendo a eficiência de limpeza das mangas. Em equipamentos ozonificadores de água que se utilizam de um pequeno tubo Venturi para efetuar a sucção do ozônio que se produz em um depósito de vidro, e assim misturá-lo com o fluxo de água que sai do equipamento com o intuito de destruir as possíveis bactérias. 
Arduino
Arduino é uma plataforma eletrônica de código aberto baseada em hardware e software fáceis de usar. As placas Arduino podem ler entradas - luz em um sensor, dedo em um botão ou uma mensagem do Twitter e trasnforma-las em saída.
Ao longo dos anos, o Arduino tem sido o cerebro de milhares de projetos, desde objetos comuns ate instrumentos cientificos complexos.
O Arduino nasceu no Ivrea Interaction Design Institute como uma ferramenta fácil para prototipagem rápida, destinada a estudantes sem experiência em eletrônica e programação. Todas as placas Arduino são completamente open-source, capacitando os usuários para construí-las de forma independente e eventualmente adaptá-las às suas necessidades particulares. (Figura 2 A). 
Em termo de software, o arduino pode ter funcionalidades desenvolvidas por meio da linguage C/C ++, que utiliza uma interface gráfica escrita em java. As funções IDE do Arduino permitem o desenvolvimento de sofware que possa ser executado pelo dispositivo. (Figura 2B)
Figura 2 A – Placa de Arduino Figura 2 B – Software Arduimo 
 
Fonte: Arduino.cc
Objetivos
Diante do exposto o trabalho tem por objetivo desenvolver um dispositivo capaz de calcular a vazão e a transferência de calor em pontos distintos, expondo um protótipo de materiais de baixo custo a serem analisado com os princípios de Bernoulli, Primeira Lei da Termodinâmica e com a aplicação do Arduino.
Materiais e Métodos
	Materiais
	Quantidade 
	Custo (R$)
	Tubo de esgoto pvc 100mm
	30cm
	0
	Luvas 100mm
	2
	17,00
	Tubo de esgoto pvc 50mm
	10 cm
	0
	Redução excêntrica de esgoto 100x50mm pvc
	2
	13,80
	Mangueira cristal ½
	0,1 m
	4,00
	Adesivo plástico (70g)
	1
	5,62
	Durepoxi (100g)
	1
	6,50
	TOTAL
	
	29,92
3.1 Elaboração do tubo Venturi
Foi construído um tubo Venturi, sendo a parte cilíndrica do mesmo em tubulação soldável de PVC, com um diâmetro principal (D) nominal de 100 mm, a garganta (d) foi em diâmetro nominal de 50 mm. (Figura 3)
Figura 3 – Procedimentos na elaboração do tubo Venturi. (A) Passagem do adesivo (B) Encaixe das luvas (C) Encaixe da primeira redução (D) Encaixe da segunda redução (E) Acoplagem do cano 50mm (F) Resultado dos encaixes (G) Colagem da mangueira (H) Lixa d’agua e adesivo plástico
Fonte: Próprio autor.
Para a construção do tubo de Venturi, foi-se necessário primeiro lixar todas as partes para poder retirar todas as impurezas do cano PVC com a lixa d’agua 1200 (H), logo em seguida aplicamos uma pequena camada do adesivo plástico na parte onde será acoplado as luvas (A), as luvas devem ser encaixadas perfeitamente (B), para o fixar das reduções não foi-se necessário a utilização da cola (C), o mesmo procedimento ocorreu no outro lado (D), para o encaixe do cano de 50 mm aplicou-se a cola uma por vez esperando a secagem do mesmo (E), juntando os dois lados em seguida (F), utilizando uma furadeira com broca de 10 mm foi-se furado em duas partes, a primeira no cano de 100 mm e a segunda no de 50 mm, onde através do durepoxi foi colado a mangueira no cano (G).
Assim tendo um resultado final (Figura 4)
Figura 4 – Tubo Venturi
Fonte: Próprio autor.
3.2 Ensaios
Para a medição da pressão foi montado em laboratório um duto de vento, (Figura 5 A) onde assim que ligado o nível de agua que continha na mangueira se desnivelou-se, sendo assim possível observar e coletar a altura do mesmo. (Figura 5 B)
Figura 5 A – Duto de vendo
Figura 5 B – Desnível sofrido devido a pressão
Fonte: Próprio autor.
Com a utilização do arduino, conseguimos através de uma linguagem compilada coletar temperaturas em diferentes pontos do tubo, sendo assim armazenadas. (Figura 6)
Figura 6 – Coleta de temperatura em diferentes pontos
Fonte: Próprio autor
Equacionamento e Resultados
Admitindo o fluído como incompressível e calores específicos constantes em regime permanente serão apresentadas as equações básicas utilizadas no trabalho, a descrição do ensaio experimental tal como a descrição da metodologia que utiliza a ferramenta Arduino.
Figura 7 – Representação do tubo Venturi
Fonte: Próprio autor
 É a altura da coluna do liquido na seção 1. [m]
 É a altura da coluna do liquido na seção 2. [m]
 É a altura resultante da diferença entre as colunas doliquido nas seções. [m]
 É a velocidade de escoamento na seção 1. [m/s]
 É a velocidade de escoamento na seção 2. [m/s]
 É a área na seção 1. [m]
 É a área na seção 2. [m]
 É a taxa de transferência de calor no tubo de Venturi. [kW]
Equação de Bernoulli
Esta equação é utilizada para descrever o comportamento de um fluido que se move por um tubo ou conduto.
 
 (1)
Onde:
 É a pressão na seção 1. [N/m²]
 É a pressão na seção 2. [N/m²]
 É a densidade do fluido. [kg/m³]
 É a gravidade. [m/s²]
 É a altura da coluna do fluido na seção 1. [m]
 É a altura da coluna do fluido na seção 2. [m]
 É a velocidade média do fluido na seção 1. [m/s]
 É a velocidade média do fluido na seção 2. [m/s]
Equação da Continuidade
Esta equação relaciona a velocidade no escoamento do fluído com a área disponível para tal escoamento.
 (2)
 (3)
 (4)
Onde:
 É a vazão volumétrica. [m³/s]
 É a área da seção 1. [m²]
 É a área da seção 2. [m²]
 É a velocidade média do fluido na seção 1. [m/s]
 É a velocidade média do fluido na seção 2. [m/s]
Teorema de Stevin
Este teorema é usado para calcular a pressão absoluta em determinado ponto ela diferença de alturas entre eles, fazendo uso das pressões atmosférica e manométrica. 
 (4)
Onde:
 É a pressão no ponto. [N/m²]
 É a pressão atmosférica. [N/m²]
 É a densidade do fluido. [kg/m³]
 É a altura da coluna do fluido no ponto. [m]
 É a gravidade [m/s²]
Cálculo das Áreas
Calcular as áreas é necessário, já que estas são variáveis consideradas nas equações usadas;
 (5)
 1 É a área na seção 1. [m]
 2 É a área na seção 2. [m]
 1 É o diâmetro na seção 1. [m]
 2 É o diâmetro na seção 2. [m]
A partir da equação de Bernoulli temos:
Onde será desprezado a parcela que representa a energia potencial, já que V1 e V2 estão no mesmo plano horizontal de referência. 
 (6)
Isolando as pressões de um lado da equação, temos:
 (7) 
Observe que na segunda parcela da equação o termo d é comum então o colocaremos em evidencia.
 (8)
Observe que o primeiro termo da equação pode ser obtido através de Stevin. Pelo Teorema de Stevin temos:
 (9)
 (10)
Realizando a subtração entre as pressões, temos:
 (11)
Perceba que a diferenças de alturas é a altura resultante.
 (12)
Realizando a substituição do primeiro termo na equação 1, obtemos:
 (13) 
Vide que pode ser obtida através da equação da Continuidade. Pela equação da Continuidade temos:
 (14) 
Isolando , temos:
 (15) 
Substituindo na equação 1, obtemos:
 (16) 
Note que o termo d é comum, portanto será cortado do equacionamento e o seu divisor será multiplicador no lado contrário da equação. E que o termo também é repetido, porém como está elevado ao quadrado dentro de uns parênteses é necessário efetuá-lo primeiro.
 (17) 
Agora podemos colocar o termo em evidência e isola-lo. 
 (18) 
Para a velocidade na seção 2:
Partindo da equação da Continuidade, temos:
 (19) 
Substituindo os valores reais nas equações 18 e 19, obtém-se:
 V1 = 0,23094m/s²
 0,92383 m/s²
Para calcular a transferência de calor no tubo de Venturi serão utilizados os conceitos de termodinâmica como: Conservação da massa e da Primeira lei de Termodinâmica para volume de controle.
Conservação da Massa
Quando se tem um volume de controle deve-se considerar que toda massa de ar que entra no tubo é a mesma que sai, desprezando perdas.
 (20) 
Onde:
 É a variação da massa pelo tempo no volume de controle. 
 É o balanço das vazões mássicas de entrada no volume de controle.
 É o balanço das vazões mássicas de saída no volume de controle.
Primeira Lei da Termodinâmica 
 (21) 
Onde:
 É a variação da energia pelo tempo no volume de controle. [kW]
 É a taxa de transferência de calor no volume de controle. [kW]
 É a potência líquida gerada ou consumida pelo volume de controle. [kW]
 É o fluxo de energia associado a entalpia. [kW]
 É o fluxo de energia associado a velocidade. [kW]
 É o fluxo de energia potencial associado a altura do escoamento. [kW]
Aplicando a conservação da massa:
Sendo primero termo da equação será desconsiderando no cálculo, já que o regime é permanente. Além disso o voclume de controle apresenta apenas uma entrada e uma saída. A conservação se apresentará da seguinte forma:
 (22) 
Note que não há entrada de massa no volume de controle, então a vazão de entrada e saída serão iguais, portanto podem sem substituidas por uma vazão qualquer.
 (23)
Após a aplicação da conservação da massa é aplicada os conceitos e a primeira lei da termodinâmica. Desconsidera-se a variação de energia pelo tempo, já que trata-se de um volume de controle. A potência e parcela de energia potencial tambem serão desprezadas, já que o tudo de Venturi não possui e eixo assossiado e o escoamento está no mesmo plano horizontal. Desta forma obtemos:
 (24) 
Aplicando a conservação da massa dentro da primeira lei, temos:
 (25)
Ao dividir toda a equação pela vazão mássica obtemos o calor específico:
 (26) 
Como os calores específico são contantes a diferença de entalpia especifica pode ser substituida pelo valor cp0 multiplicado pela diferença de temperaturas. 
Além disso é preciso corrigir as unidades de medida adicionando o prefixo multiplicando as velocidades.
 (27) 
Substituindo os valores reais encontrados, temos:
 kW
Sendo assim atendeu-se o objetivo, de utilizar as devidas equações apreendidas em aulas, para calcular efetivamente a vazão e a taxa de trasnfêrencia de calor de um tubo de Venturi, onde chegamos ao resultado que a velocidade 1 é respectivamente 0,23094 m/s² e a velocidade 2 é 0,92383 m/s², atraves da primeira lei da termodinamica foi-se encontrado a taxa de trasnferencia de calor que é de 1,124373395 kW. 
Conclusão
Após os devidos cálculos conclui-se que o tubo de Venturi é muito eficiente no aumento da velocidade de escoamento, confirmando assim a grande aplicação industrialdo mesmo, devido ao seu custo benefício.
Obtivemos resultados satisfatórios, tendo em vista que os materiais utilizados na elaboração do projeto eram materiais simples recicláveis e de fácil aquisição.
Conclui-se também que as equações apresentadas em aulas são suficientes para equacionar um tubo de Venturi, bem como outro dispositivo afim de atender as necessidades especificas de cada projeto
Referências Bibliográficas 
FENOMENOS DA ENGENHARIA, Aplicações do Efeito Venturi. Disponível em: <http://fenomenosdaengenharia.blogspot.com.br/2013/06/medicaode-vazao-no-tubo-de-venturi-o_15.html.> Acesso em 09 Dez 2017
SMITH SCHNEIDER, P., 2007, Medição de Pressão em Fluidos, Apostila da disciplina de Medições Térmicas, Engenharia Mecânica, UFRGS, Porto Alegre (www. geste.mecanica.ufrgs.br)
AZEVEDO NETTO, J.M.; FERNANDEZ y FERNANDEZ, M.; ARAUJO, R.; EIJIITO, A. Manual de hidráulica. 8.ed São Paulo, 1998. 669p.
DELMÉE, G.J. Manual de medição e vazão. 2.ed. São Paulo: Edgard Blucher, 1982. 476 p.
ARDUINO, O que é Arduino. Disponível em: < https://www.arduino.cc/>. Acesso em 30 set 2017
INFOPEDIA, Tubo Venturi. Disponível em: < https://www.infopedia.pt/$tubo-de-venturi>. Acesso em 30 set 2017