Determinação dos coeficientes de descarga e de vazão para medidores de vazão dos tipos Venturi e placa de orifício

Determinação dos coeficientes de descarga e de vazão para medidores de vazão...

(Parte 1 de 2)

Determinação dos coeficientes de descarga e de vazão para medidores de vazão dos tipos Venturi e placa de orifício

Stephan Hennings Och¹; Cesar Augusto Oleinik Luzia²; Enzo Maique Bodean³

¹ Orientador do Laboratório

², ³ Alunos da graduação, 5° período.

Mecânica dos Fluidos/ Laboratório de Mecânica dos Fluidos / Engenharia Mecânica Pontifícia Universidade Católica do Paraná

Resumo – O trabalho a seguir mostra um experimento realizado para a determinação dos coeficientes de descarga e vazão e da vazão mássica para dois tipos de medidores de vazão. Para tal, foi utilizada uma bancada experimental TQ equipment GT 106. Pelos resultados conclui-se que a placa de orifício gera uma perda de carga maior devido à sua geometria. Pode-se também perceber como a força de atrito influencia na vazão mássica quando comparadas as vazões teóricas com as experimentais.

Palavras-chave: Medidores de vazão, coeficiente de descarga, coeficiente de vazão.

Introdução

Um medidor de vazão é um dispositivo que determina, geralmente por uma única medida, a quantidade (massa ou volume) por unidade de tempo que passa através de uma dada seção. Entre os medidores de vazão estão incluídos: orifícios, bocal, medidor Venturi, rotâmetro e vertedor [1]. Neste experimento foram utilizados dois tipos de medidores de vazão: placa de orifício e Venturi.

A placa de orifício é uma placa fina que pode ser interposta entre flanges de tubos. Como a sua geometria é simples, é de baixo custo e de fácil instalação e reposição. As principais desvantagens do orifício são a sua capacidade limitada e a elevada perda de carga permanente devida à expansão não controlada à jusante do elemento medidor.

Os medidores de Venturi são produzidos com muita precisão de modo a reproduzir o desempenho de projeto. Como resultado, os medidores de Venturi são pesados, volumosos e caros.

Dados experimentais mostram que os coeficientes de descarga para medidores de Venturi variam de 0,980 a 0,995 para números de Reynolds elevados (ReD1 > 2x105). Por isso, C=0,9 pode ser usado para medir a

vazão em massa com cerca de ±1 por cento de erro, para altos números de Reynolds [2].

Para medição de vazão mássica, dois coeficientes são importantes, o de vazão (K), e o de descarga (C). Estes dois coeficientes são aplicados para se obter a vazão mássica real de um escoamento como mostra a equação 1.

Onde At é a área da seção transversal no qual ocorre o escoamento, ρ é a densidade do fluido, p1 é a pressão real de escoamento e p2 é a pressão após a variação de sessão no dispositivo. O coeficiente K é obtido através da equação 2.

Onde C é o coeficiente de descarga e β é a relação entre o diâmetro de estrangulação e o diâmetro real de escoamento.

Para calcular a vazão teórica aplica-se a teoria de Bernoulli. A partir das deduções realizadas no laboratório chega-se e seguinte expressão (equação 3).

O objetivo desse experimento é determinar, a partir do coeficiente de descarga para o Venturi, o coeficiente de vazão e a vazão mássica para dois modos de velocidade. A partir do resultado de vazão mássica deve-se obter também os coeficientes C e K para a placa de orifício.

Método

O material utilizado foi um equipamento próprio para fins didáticos da TQ equipment modelo GT 106, onde se variava a quantidade de vazão em dois modos, slow e fast. Em duas partes diferentes do equipamento encontravam-se os medidores de vazão. Neles estavam conectados os sensores de pressão que avaliam a diferença de pressão criada pela mudança de geometria.

Também foi obtida a temperatura do fluido nos dois modos de vazão através de sensores ligados ao equipamento.

O esquema para os medidores de vazão são apresentados nas figuras 1 e 2 [3].

Figura 1. Esquema do medidor de vazão tipo Venturi.

Figura 2. Esquema do medidor de vazão tipo placa de orifício.

Os diâmetros dos medidores de vazão são apresentados na tabela 1.

Tabela 1 – Diâmetros dos medidores de vazão

VenturiPlaca de Orifício

Com os valores dos diâmetros, das pressões e das temperaturas calcula-se a vazão mássica teórica através da equação 3. A única incógnita dessa equação que necessita ser calculada é a densidade. Considerando o ar como um gás ideal pode-se obter a sua densidade pela equação 4.

Onde p é a pressão no fluido considerada como 92 kPa, R e T a temperatura do fluido.

A densidade não será a mesma para o modo slow e fast devido à diferença nas temperaturas, porém a variação é mínima.

Para o medidor de vazão tipo Venturi o coeficiente de descarga é considerado como 0,9, por isso pode-se calcular a vazão mássica real através da equação 5.

teórico realm m C

Com o valor da vazão mássica real podemos obter o coeficiente de vazão conforme a equação 1, ou então utilizando a equação já que o coeficiente de descarga é conhecido.

Para o medidor de vazão do tipo placa de orifício não é conhecido o coeficiente de descarga. No entanto a vazão mássica pode ser considerada a mesma que a do Venturi. Assim, obtendo a vazão mássica teórica pela equação 3, pode-se calcular o coeficiente de descarga através da equação 5.

Com este resultado pode-se obter o coeficiente de vazão pela equação 2, ou pela equação 1 sendo a vazão real já conhecida.

Resultados

A partir do experimento são apresentados os resultados obtidos através das tabelas 2 e 3.

Na tabela 2 são apresentados os resultados para as variações de pressões e temperaturas nos medidores.

Tabela 2 – Resultados experimentais para a diferença de pressão nos modos slow e fast e as respectivas temperaturas.

VenturiPlaca de Orifício

Slow Fast Slow Fast

Na tabela 3 estão os valores calculados para os coeficientes de descarga e de vazão, como também as vazões mássicas obtidas teoricamente e experimentalmente.

Tabela 3 – Coeficientes de vazão e de descarga e vazão mássica para cada tipo de medidor de vazão.

VenturiPlaca de Orifício

m real [kg/s] m teórico [kg/s] m real [kg/s] m teórico [kg/s]

m real [kg/s] m teórico [kg/s] m real [kg/s] m teórico [kg/s]

Conclusões

A partir dos resultados apresentados pode-se confirmar-los como satisfatórios. Uma razão para isto é a obtenção de uma vazão mássica teórica maior que a vazão real para todos os casos, o que era esperado pelo fato da vazão mássica teórica não considerar o atrito e as perdas de cargas que ocorrem no escoamento.

O coeficiente tanto de descarga como de vazão para a placa de orifício foram menores que para o Venturi, ou seja a vazão mássica teórica se afasta mais da vazão mássica real. Com isso conclui-se que as perdas de carga são maiores para a placa de orifício. Isso se confirma pelas variações de pressões que foram maiores para a placa de orifício.

Referências

(Parte 1 de 2)

Comentários