06 REL 6 Placa Orificio Calibrado

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FATEC - SP - Faculdade de Tecnologia São Paulo 
 
Departamento de Mecânica Disciplina: Sistemas Mecânicos I - Laboratório 
Professor Antônio Celso 
 
RELATÓRIO de ATIVIDADE de LABORATÓRIO 
 
Atividade Número: 6 
Título da Atividade: Placa Orifício Calibrado 
 
Turma: 091 Quarta- Feira das 20h50 às 22h40 
Grupo: 931 
 
 
Número: Nome: Assinatura: 
17208050 Isaque Carlos de Toledo 
 
 
Área de Concentração: 
Tecnologia Mecânica 
 
 
 
 
São Paulo 
10 Semestre de 2018 
 
 Laboratório de Sistemas Mecânicos I – Placa Orifício Calibrado 
 
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SUMÁRIO 
 
1. Introdução ................................................................................................................................................................. 3 
2. Objetivo ..................................................................................................................................................................... 4 
3. Embasamento teórico “Medidor de Vazão – Placa Orifício Calibrado” .................................................................... 5 
3.1. Tipos de medidores de vazão ................................................................................................................................ 5 
3.1.1. Medidores de quantidade ................................................................................................................................. 5 
3.1.1.1. Medidores de Quantidade por Pesagem ...................................................................................................... 5 
3.1.1.2. Medidores de Quantidade Volumétrica ....................................................................................................... 6 
3.1.1.3. Medidores Volumétricos ............................................................................................................................... 6 
3.1.2. Medição de vazão pôr pressão diferencial ....................................................................................................... 6 
3.1.3. Medidores de vazão mais utilizados ................................................................................................................. 6 
4. Placa de orifício calibrado ......................................................................................................................................... 7 
4.1. Tipos de Orifício .................................................................................................................................................... 7 
4.2. Tipos de bordo ...................................................................................................................................................... 8 
4.3. Precisão da medição ............................................................................................................................................. 9 
5. Materiais e métodos ............................................................................................................................................... 10 
6. Procedimento .......................................................................................................................................................... 11 
6.1. Valores Obtidos experimento ............................................................................................................................. 11 
7. Análise ..................................................................................................................................................................... 12 
7.1. Memorial Cálculo ................................................................................................................................................ 14 
7.2. Gráfico Coeficiente de Velocidade (Cv) ............................................................................................................... 15 
7.3. Gráfico Coeficiente de Descarga (CD) .................................................................................................................. 16 
7.4. Gráfico Coeficiente de Contração (Cc)................................................................................................................. 17 
7.5. Gráfico Curva de Calibração ................................................................................................................................ 18 
8. Conclusão ................................................................................................................................................................ 19 
9. Referências bibliográficas ....................................................................................................................................... 20 
 
 
 Laboratório de Sistemas Mecânicos I – Placa Orifício Calibrado 
 
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1. Introdução 
A vazão é a variável mais importante dentro do campo industrial. Está ligada a qualidade dos produtos a 
serem produzidos, e ao custo desses produtos, da matéria-prima e demais produtos que serão adicionados 
numa mesma etapa do processo. 
Vazão é o nome que se dá ao tempo que o fluido leva para escoar. Para calcular este tempo e a pressão que 
isto ocorre, criou-se o medidor de vazão. Para tanto, desenvolveu-se equipamentos capazes de mensurar os 
níveis de vazão para cada tipo determinadas aplicações: existem medidas simples, como a medição de 
vazões de água tanto em residências, quanto em procedimentos mais complexos, como medição de gases 
industriais, por exemplo, e processos mais delicados e que exigem mais atenção e medidores mais robustos. 
Existem diversos tipos de medidores de vazão: magnético, tipo Vortex, ultrassônico, termal, por pressão 
diferencial, mecânicos e Coriolis. 
Cada medidor apresenta pontos positivos e limitações, além de uma segmentação adequada atendendo a 
requisitos padrões em cada indústria. 
Neste relatório, será abordada a utilização do medidor por pressão diferencial, especificamente a placa de 
orifício calibrado. 
 
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2. Objetivo 
O orifício é o método mais rudimentar para se medir a vazão. Este experimento tem por finalidade 
determinar a vazão através do orifício calibrado em diferentes espaços de tempo, diferentes níveis e 
diferentes variações de energia, como também representar graficamente os coeficientes de velocidade, 
descarga e contração através de suas curvas características com a utilização do Número de Reynolds. 
 
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3. Embasamento teórico “Medidor de Vazão – Placa Orifício Calibrado” 
A medição de vazão inclui no seu sentido mais amplo, a determinação da quantidade de líquidos, gases e sólidos que 
passa por um determinado local na unidade de tempo; podem também ser incluídos os instrumentos que indicam a 
quantidade total movimentada, num intervalo de tempo. 
 
A quantidade total movimentada pode ser medida em unidades de volume (litros, mm3 , cm3 , m3 , galões, pés 
cúbicos) ou em unidades de massa (g, Kg, toneladas, libras). A vazão instantânea é dada por uma das unidades 
acima, dividida por uma unidade de tempo (litros/min, m3 /hora, galões/min). No caso de gases e vapores, a vazão 
instantânea pode ser expressa, em Kg/h ou em m 3 /h. Quando se mede a vazão em unidades de volume, devem ser 
especificadas as "condições base" consideradas. Assim no caso de líquidos, é importante indicar que a vazão se 
considera "nas condições de operação", ou a 0 °C, 20 °C, ou a outra temperatura qualquer. Na medição de gases é 
comum indicar a vazão em Nm3 /h (metros cúbicos normais por hora, ou seja a temperatura. de 0 °C e a pressão 
atmosférica) ou em SCFM (pés cúbicos standard por minuto- temperatura. 60 °F e 14,696 PSIA de pressão 
atmosférica). 
 
3.1. Tipos de medidores de vazão 
Existem três tipos de medidores de vazão, os medidores de quantidade , medidores volumétricos e os especiais. 
 
3.1.1. Medidores de quantidade 
São aqueles que, a qualquer instante permitem saber que quantidade de fluxo que passou mas não a vazão do fluxo 
que está passando. Exemplo: bombas de gasolina, hidrômetros, balanças industriais, etc. 
3.1.1.1. Medidores de Quantidade por Pesagem 
São utilizados para medição de sólidos, que são as balanças industriais. 
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3.1.1.2. Medidores de Quantidade Volumétrica 
São aqueles que o fluído, passando em quantidades sucessivas pelo mecanismo de medição faz com que o mesmo 
acione o mecanismo de indicação. São este medidores que são utilizados para serem os elementos primários das 
bombas de gasolina e dos hidrômetros. Exemplo: disco mutante, tipo pistão rotativo oscilante, tipo pistão 
alternativa, tipo pás, tipo engrenagem, etc. 
3.1.1.3. Medidores Volumétricos 
São aqueles que exprimem a vazão por unidade de tempo. 
3.1.2. Medição de vazão pôr pressão diferencial 
A pressão diferencial é produzida por vários tipos de elementos primários colocados na tubulação de forma tal que o 
fluído passa através deles. A sua função é aumentar a velocidade do fluído diminuindo a área da seção em um 
pequeno comprimento para haver uma queda de pressão. A vazão pode então, ser medida a partir desta queda. 
 
Uma vantagem primordial dos medidores de vazão por ΔP, é que os mesmos podem ser aplicados numa grande 
variedade de medições, envolvendo a maioria dos gases e líquidos, inclusive fluídos com sólidos em suspensão, bem 
como fluídos viscosos, em uma faixa de temperatura e pressão bastante ampla. Um inconveniente deste tipo de 
medidor é a perda de carga que o mesmo causa ao processo , sendo a placa de orifício, o dispositivo que provoca a 
maior perda de carga "irrecuperável" (de 40 a 80% do DP gerado) 
3.1.3. Medidores de vazão mais utilizados 
 
 
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4. Placa de orifício calibrado 
Dos muitos dispositivos inseridos numa tubulação para se criar uma pressão diferencial, o mais simples e mais 
comum empregado é o da placa de orifício. Consiste em uma placa precisamente perfurada, a qual é instalada 
perpendicularmente ao eixo da tubulação. 
 
Este equipamento de controle de vazão é um instrumento simples, de fácil construção e baixo custo, porém 
robustos e eficazes. São empregados para a medição de vazão nos processos industriais. Estima-se que o mesmo é 
aplicado em 80% dos casos. 
É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque, se ficarem, imprecisas ou corroídas pelo 
fluído, a precisão da medição será comprometida. Costumeiramente são fabricadas com aço inox, monel, latão, etc., 
dependendo do fluído. 
 
4.1. Tipos de Orifício 
 Orifício concêntrico 
Este tipo de placa é utilizado para líquidos, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão. 
 
 Orifício excêntrico 
Utilizada quando tivermos fluído com sólidos em suspensão, os quais possam ser retidos e acumulados na base da 
placa, sendo o orifício posicionado na parte de baixo do tubo. 
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 Orifício segmental 
Esta placa tem a abertura para passagem de fluido, disposta em forma de segmento de círculo. É destinada para uso 
em fluídos laminados e com alta porcentagem de sólidos em suspensão. 
 
4.2. Tipos de bordo 
 Bordo Quadrado (Aresta viva) 
Usado em tubulações normalmente maiores que 6". 
 
 Bordo Arredondado (Quadrante edge ou quarto de círculo) 
Usado em fluídos altamente viscosos. 
 
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 Bordo com entrada cônica 
Uso geral. 
 
4.3. Precisão da medição 
É dependente da relação β, de variações na pressão, temperatura, densidade, composição do fluído, centragem da 
placa e das juntas; sofre interferência da precisão na execução do furo da placa, da qualidade e precisão do 
instrumental e da existência de trechos retos mínimos. 
A precisão global da medição está entre 0.5 e 1% e pode ser aumentada com a utilização de sistemas informatizados 
de computação da vazão. 
O aumento na precisão pode ser obtido pela execução do meter run (conjunto de medição), montado em bancada, 
composto por trechos de tubos, flanges, placa, estojos e porcas; este sistema elimina os problemas causados pela 
montagem no campo, principal fonte de erros na medição. 
 
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5. Materiais e métodos 
Neste experimento o fluído utilizado foi água, que através de uma torneira de alimentação, abastecia o reservatório 
no qual estava acoplada a placa de orifício. 
Outro ponto essencial é o Regime de Escoamento Permanente (REP), no qual a velocidade e a pressão num 
determinado ponto, não variam com o tempo. A velocidade e a pressão podem variar de um ponto para outro do 
fluxo, mas se mantêm constantes em cada ponto imóvel do espaço, em qualquer momento do tempo, fazendo a 
pressão e a velocidade, em um ponto, serem funções das coordenadas do ponto e não dependentes do tempo. 
 
 
A torneira de alimentação é ajustada para manter o nível (1) constante. 
O jato através do orifício passa paralelamente a um quadro cujo reticulado permite determinar os valores de “x” e 
de “y”, para um ponto qualquer do jato. 
O visor de nível do reservatório, identifica a posição do nível (1) em relação ao eixo do orifício (leitura: h). 
 
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6. Procedimento 
1) Abrimos o registro de alimentação do reservatório. 
2) Abrimos orifício da placa. 
3) Por meio da abertura ou fechamento do registro estabelecemos o REP para manter o nível constante do 
reservatório. 
4) Definimos o PHR em (2). 
5) Anotamos o valor da altura h do reservatório, fixamos uma altura para y e anotamos o alcance em x do jato 
de água para o y fixado. 
6) Fixamos um valor Δh, neste caso 10 cm, obstruímos totalmente o orifício da placa e cronometramos quanto 
tempo é necessário para atingirmos este Δh no reservatório. 
7) Repetimos o 3° passo para reestabelecer o REP. 
8) Repetimos o 4° passo. 
9) Repetimos 5° passo. 
10) Realizamos os passos 3°, 4° e 5°, nesta ordem, até obtermos cinco condições de leitura. 
11) Obstruímos o orifício da placa e fechamos o registro de alimentação do reservatório. 
12) Cronometramos quanto tempo leva para o reservatório esvaziar no intervalo do h da 5° leitura até o h da 2° 
leitura. 
13) Por fim fechamos o orifício da placa. 
6.1. Valores Obtidos experimento 
 
 Dados complementares 
g = 9,8 m/s2 
 
Diâmetro do orifício: Ø8,0 mm Área Orifício 0,5 cm2 
 
Diâm. reservatório: Ø222,0mm Área Reservatório 387 cm2 
 
Fluído H20 
 
 
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7. Análise 
Como adotamos PHR em (2), v1= 0 (nível constante). Portanto: 
ℎ =
𝑣𝑡
2
2𝑔
𝑜𝑢 𝑣𝑡 = √2. 𝑔. ℎ 
Para um ponto qualquer do jato a velocidade do fluido apresenta duas componentes: VH (componente 
horizontal) e VV (componente vertical). 
Como segundo a horizontal, a única interferência é o atrito com o Ar, que é desprezível, em qualquer ponto 
do jato teremos o mesmo valor para a componente vertical, e portanto igual à velocidade real em (2). Logo, 
VH = Vr . 
Pela descrição acima concluímos que segundo a horizontal o movimentoé retilíneo e uniforme: 𝑥 = 𝑉𝑟. 𝑡 
Já segundo a vertical o movimento será retilíneo uniformemente variado (no caso acelerado devido à 
aceleração da gravidade “g”. 
𝑦 = 1 2⁄ . 𝑔. 𝑡
2 𝑜𝑢 𝑡 = √
2𝑦
𝑔⁄ 
O tempo necessário para uma partícula fluida alcançar uma dada posição (x;y) é o mesmo segundo a 
horizontal ou segundo a vertical. 
𝑉𝑟 =
𝑥
𝑡⁄ ; 𝑜𝑢 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑙; 𝑉𝑟 = √
𝑔
2𝑦⁄ 
Os valores Δh, Δt e Dres (Diâmetro reservatório), permitem calcular a vazão em volume através do orifício: 
𝑄𝑟 = ((𝐴𝑟𝑒𝑠 . ∆ℎ)/∆𝑡) 
 
Devido à inércia, ao atravessar o orifício, ocorre uma contração do jato, de forma que a seção transversal do 
jato estabiliza com uma área Ac (área contraída), menor que a área do orifício Ao (área do orifício). 
Podemos definir ainda: 
𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 (𝐶𝑣) =
𝑉𝑟
𝑉𝑡
⁄ ; (𝐶𝑣 < 1)
𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑎çã𝑜 (𝐶𝑐) = 𝐴𝑐 𝐴𝑜⁄ ; (𝐶𝑐 < 1)
𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑧ã𝑜 (𝐶𝑑) = 𝑄𝑟 𝑄𝑡⁄ ; (𝐶𝑑 < 1)
 
O coeficiente de contração é definido como a relação entre a área da secção contraída (A2) e a área do 
orifício (A1), conforme indicações da figura. 
 
𝐶𝑐 =
𝐴2
𝐴1
 
 
Na secção em que as trajetórias das partículas são sensivelmente paralelas entre si, a distribuição de 
velocidade é uniforme, com área transversal igual a aproximadamente 60% da área geométrica do orifício, e 
na qual a pressão é praticamente uniforme em todos os pontos e igual à pressão exterior da região em que a 
descarga está se dando. 
𝐴2 = 0,6 𝑥 𝐴1 
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O número de Reynolds (abreviado como Re) é um número adimensional usado em mecânica dos fluídos para o 
cálculo do regime de escoamento de determinado fluido dentro de um tubo ou sobre uma superfície. É utilizado, por 
exemplo, em projetos de tubulações industriais e asas de aviões. O seu nome vem de Osborne Reynolds, um físico e 
engenheiro irlandês. O seu significado físico é um quociente entre as forças de inércia e as forças de viscosidade. 
 
Sendo: 
 V- velocidade média do fluido 
 D - o diâmetro para o fluxo no tubo 
 μ - viscosidade dinâmica do fluido 
 ρ - massa específica do fluido 
 ν – viscosidade cinemática do fluido 
Re<2000 – Escoamento Laminar. 
2000<Re<2400 – Escoamento de Transição. 
Re>2400 – Escoamento Turbulento. 
 
 
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7.1. Memorial Cálculo 
 
 Velocidade e Vazão (Teórica e Real) 
 
 Coeficientes de Velocidade, Descarga e Contração. 
 
 Cálculo Número de Reynolds 
 
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7.2. Gráfico Coeficiente de Velocidade (Cv) 
 
GRÁFICO CV x Re 
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7.3. Gráfico Coeficiente de Descarga (CD) 
 
 
GRÁFICO CD x Re 
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7.4. Gráfico Coeficiente de Contração (Cc) 
 
 
GRÁFICO CC x Re 
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7.5. Gráfico Curva de Calibração 
 
Curva Calibração (Qr x h) 
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8. Conclusão 
As placas de orifício são instrumentos simples, robustos, de fácil construção e de custo relativamente baixo, 
estimando-se que 80% da medição de vazão na indústria são realizada com dispositivos do tipo orifício. 
Certamente as razões para tal participação devem ser as vantagens que apresenta: simplicidade, custo 
relativamente baixo, ausência de partes móveis, pouca manutenção, aplicação para muitos tipos de fluido, 
instrumentação externa. 
Os resultados obtidos através do experimento realizado presentaram valores próximos dos esperados. 
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. 
O coeficiente de descarga é muito útil para se estimar valores de vazão real em tubulações, bem como 
descobrir, através da curva de calibração, a velocidade real de vazão para uma determinada altura. 
 
 
 
 
 
 
 
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9. Referências bibliográficas 
<http://contechind.com.br/blog/2016/09/20/medidores-de-vazao-importante-elemento-para-sua-industria/>. 
Acesso em : 12 mai. 2018. 
<https://br.omega.com/prodinfo/o-que-e-um-medidor-de-vazao.html>. Acesso em: 12 mai. 2018. 
<http://automacaoecartoons.com/2017/12/10/medidores-de-vazao/>. Acesso em: 12 mai. 2018. 
<http://www.process.ind.br/produto/placa-de-orificio.html>. Acesso em: 14 mai. 2018. 
<http://www2.ufersa.edu.br/portal/view/uploads/setores/111/orificios_e_bocais.pdf>. Acesso em : 14 mai. 2018. 
<http://revistadae.com.br/artigos/artigo_edicao_210_n_1715.pdf>. Acesso em : 15 mai. 2018. 
Aplicação da Equação da Energia: Orifício Calibrado – SM I Teoria.