Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

21
VARIÁVEIS DE PROCESSO – VAZÃO ÍNDICE 5. VARIÁVEIS DE PROCESSO – VAZÃO ............................................................ 2 5.1 - INTRODUÇÃO ....................................................................................................................... 2 5.2 - MÉTODOS PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO ............................................................................. 2 5.2.1 - Medição por pressão diferencial.................................................................................... 2 5.2.2 - Medição por área variável ............................................................................................. 2 5.2.3 - Medição através de velocidade ..................................................................................... 2 5.2.4 - Medição através de força .............................................................................................. 2 5.2.5 - Medição por tensão induzida......................................................................................... 2 5.2.6 - Medição em canais abertos........................................................................................... 2 5.2.7 - Medição através de vórtices Vortex .............................................................................. 2 5.2.8 - Medição por efeito Coriolis ............................................................................................ 2 5.2.9 - Medição por ultra-som ................................................................................................... 2 5.2.10 - Medição por transferência de calor ............................................................................... 2 5.2.11 - Medição por deslocamento positivo .............................................................................. 2 5.3 - MEDIÇÃO POR ELEMENTOS DEPRIMOGÊNIOS .............................................................. 2 5.3.1 - Conceitos Básicos ......................................................................................................... 5 5.3.2 - Placa De Orifício ............................................................................................................ 8 5.3.3 - Tubo Venturi ................................................................................................................ 11 5.3.4 - Bocal ............................................................................................................................ 11 5.4 - MEDIÇÃO DE VAZÃO POR ÁREA VARIÁVEL ................................................................... 12 5.4.1 - Rotâmetro .................................................................................................................... 12 5.5 - MEDIDOR MAGNÉTICO DE VAZÃO .................................................................................. 13 5.5.1 - Teoria de Faraday ....................................................................................................... 14 5.5.2 - Princípios de Funcionamento do Medidor Magnético ................................................. 14 5.5.3 - Principais Aplicações Dos Medidores Magnéticos ...................................................... 14 5.6 - MEDIDOR DE VAZÃO TIPO TURBINA ............................................................................... 14 5.7 - MEDIÇÃO DE VAZÃO EM CANAIS ABERTOS .................................................................. 14 5.7.1 - Vertedor ....................................................................................................................... 14 5.7.2 - Calha Parshall ............................................................................................................. 15 5.7.3 - Medidores de Deslocamento Positivo ou medidores volumétricos ............................. 15 5.7.4 - Medidor de Lóbulos ..................................................................................................... 16 5.7.5 - Disco de Nutação ........................................................................................................ 16 5.8 - EXERCÍCIOS PROPOSTOS ............................................................................................... 18 5.9 - ANEXO 1 – PLACA DE ORIFÍCIO ....................................................................................... 20 5.10 - ANEXO 2 – VISCOSIDADE ................................................................................................. 21

Transcript of Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Page 1: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

VA

RIÁ

VE

IS D

E P

RO

CE

SS

O –

VA

ZÃO

��������

ÍNDICE 5. VARIÁVEIS DE PROCESSO – VAZÃO ............................................................ 2

5.1 - INTRODUÇÃO ....................................................................................................................... 2 5.2 - MÉTODOS PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO ............................................................................. 2

5.2.1 - Medição por pressão diferencial.................................................................................... 2 5.2.2 - Medição por área variável ............................................................................................. 2 5.2.3 - Medição através de velocidade ..................................................................................... 2 5.2.4 - Medição através de força .............................................................................................. 2 5.2.5 - Medição por tensão induzida......................................................................................... 2 5.2.6 - Medição em canais abertos........................................................................................... 2 5.2.7 - Medição através de vórtices Vortex .............................................................................. 2 5.2.8 - Medição por efeito Coriolis ............................................................................................ 2 5.2.9 - Medição por ultra-som................................................................................................... 2 5.2.10 - Medição por transferência de calor ............................................................................... 2 5.2.11 - Medição por deslocamento positivo .............................................................................. 2

5.3 - MEDIÇÃO POR ELEMENTOS DEPRIMOGÊNIOS .............................................................. 2 5.3.1 - Conceitos Básicos ......................................................................................................... 5 5.3.2 - Placa De Orifício............................................................................................................ 8 5.3.3 - Tubo Venturi ................................................................................................................ 11 5.3.4 - Bocal ............................................................................................................................ 11

5.4 - MEDIÇÃO DE VAZÃO POR ÁREA VARIÁVEL................................................................... 12 5.4.1 - Rotâmetro .................................................................................................................... 12

5.5 - MEDIDOR MAGNÉTICO DE VAZÃO .................................................................................. 13 5.5.1 - Teoria de Faraday ....................................................................................................... 14 5.5.2 - Princípios de Funcionamento do Medidor Magnético ................................................. 14 5.5.3 - Principais Aplicações Dos Medidores Magnéticos...................................................... 14

5.6 - MEDIDOR DE VAZÃO TIPO TURBINA............................................................................... 14 5.7 - MEDIÇÃO DE VAZÃO EM CANAIS ABERTOS .................................................................. 14

5.7.1 - Vertedor ....................................................................................................................... 14 5.7.2 - Calha Parshall ............................................................................................................. 15 5.7.3 - Medidores de Deslocamento Positivo ou medidores volumétricos............................. 15 5.7.4 - Medidor de Lóbulos ..................................................................................................... 16 5.7.5 - Disco de Nutação ........................................................................................................ 16

5.8 - EXERCÍCIOS PROPOSTOS ............................................................................................... 18 5.9 - ANEXO 1 – PLACA DE ORIFÍCIO....................................................................................... 20 5.10 - ANEXO 2 – VISCOSIDADE ................................................................................................. 21

Page 2: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.2 -

5. VARIÁVEIS DE PROCESSO – VAZÃO

5.1 - INTRODUÇÃO

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 unidade de volume (litros, mm3, cm3, m3, galões, pés cúbicos) ou em unidades de massa (g, kg, toneladas, libras). A vazão instantânea é dada a 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 m3/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 em 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 PSI a de pressão atmosférica). Vale dizer que: 1 m3 = 1000 litros 1 pé cúbico = 0,0283168 m3

1 galão (americano)= 3,785 litros 1 libra = 0,4536 kg

5.2 - MÉTODOS PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO

Existem vários métodos para medirmos vazão. Entre os mais usados, destacamos:

5.2.1 - Medição por pressão diferencial

(Elementos deprimogênios) * Placa de orifício * Tubo Venturi * Tubo Pitot * Bocal * Tubo de Dali . * Aerofólio * Orifício integral

5.2.2 - Medição por área variável

* Rotâmetro

5.2.3 - Medição através de velocidade

* Turbina

5.2.4 - Medição através de força

* Placa de impacto (target meter)

5.2.5 - Medição por tensão induzida

* Medidor magnético

5.2.6 - Medição em canais abertos

* Calha Parshall Vertedores

5.2.7 - Medição através de vórtices Vortex

5.2.8 - Medição por efeito Coriolis

5.2.9 - Medição por ultra-som

* Efeito Doppler * Por tempo de trânsito

5.2.10 - Medição por transferência de calor

* Termal

5.2.11 - Medição por deslocamento positivo

* Disco nutante * Pistão oscilante * Medidor rotativo

5.3 - MEDIÇÃO POR ELEMENTOS DEPRIMOGÊNIOS

A pressão diferencial é produzida por vários tipos de elementos primários colocados na tubulação de forma tal que o fluído passe através deles. A sua função é aumentar a velocidade do fluído diminuindo a área de seção em um pequeno comprimento para haver uma queda de pressão. A vazão pode então ser medida a partir desta queda.

Fig. 1 - RELAÇÃO ENTRE VELOCIDADE E PRESSÃO

DIFERENCIAL

248

249

250

PS

I

MERCÚRIO

DIFERENCIAL DE PRESSÃO

Page 3: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.3 -

Uma vantagem primordial dos medidores de vazão por �P, 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 no processo devido a placa de orifício. Ela provoca uma grande perda de carga e é “irrecuperável” (de 40 a 80% do �P gerado. Elementos deprimogênios são dispositivos usados para medir vazão baseado na perda de carga. As tabelas a seguir mostram as características (dados comparativos) dos vários elementos deprimogênios usados:

RELAÇÃO DE ÁREA DE GARGANTA � (d/D)����

TIPO DE MEDIDOR DE VAZÃO

Líqui-dos

limpos

Líqui-dos

Visco-sos

Líqui-dos

Sujos

Gases /

Vapo- res

Líqui-dos

Corro-sivos

Lodos ou

polpas abrasi-

vas

Tempe-raturas altas

Tempe-raturas criogê-nicas

Limite min. do n°

de Reynolds

1- Elementos deprimogênios - Placas de orifício concêntrico Flange taps Corner taps Radius taps Vena contracta taps Pipe taps - Placas de orifício excêntrico - Placas de orifício segmental - Placas de orifício ¼ círculo - Placas de orifício entrada cônica

� � � � � ������ �

� �

��������� � � ��

� � � � � �� � ����

� � � � � �� � � �

��

� � � � � �� � � �

�����������������

> 8.000 > 5.000 > 8.000 > 6.000 > 14.000 > 10.000 > 10.000 > 250 > 25

- Bocal de Vazão ISA ASME

� �

� �

����

����

����

> 20.000 > 6.000

- Tubo de Venturi Clássico fundido Clássico usinado Clássico soldado Truncado Venturi-bocal Em dutos retangulares

� � � � � ��

������ �

� � � � � �

����������

������������

������������

���

> 40.000 > 50.000(d) > 40.000 > 80.000 > 80.000 > 200.000

- Tubo de Pito - Micro-Venturi

� �

� �

� �

> 2.000 > 10.000

- Aerofólio � � > 80.000 LEGENDA

�:Recomendado d: O valor indicado se refere a Rd, e não �:Aplicável RD, como nos outros casos. �:Aplicável quando a condição adversa é moderada e usando acessórios adequados

Tabela 1 – APLICAÇÕES DOS MEDIDORES DE VAZÃO

Observações: a) Na tabela acima, a 1a coluna representa os grupos (tipos de medidores) que se baseiam em princípios de

funcionamento semelhantes. b) Temperaturas altas/criogênicas e n° de Reynolds: as pressões e temperaturas podem corresponder as condições criogênicas

ou as de vapores superaquecidos e o fluxo a se medir pode ser de um vaso sanguíneo ou um caudal de um rio, a cada caso corresponde um medidor adequado.

c) O item PRECISÃO contido na próxima tabela, representa a tolerância de erro de medição (inclui erros de conformidade,

histerese e repetibilidade) para um determinado medidor. Ela pode ser expressa em % da escala inteira ou fundo de escala ou SPAN máx., denominado Padrão e em % do valor instantâneo, denominado Calibrado. Esta precisão(% do valor instantâneo) é melhor, porém quando o valor indicado for o valor máximo, a tolerância de erro (Precisão) é a mesma para ambos.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 �P

Page 4: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.4 -

Exemplos: C1) Precisão em % da escala inteira (absoluta): 0 a 200 m3/h e ±1% f.e.m (significa a tolerância de erro é de ± 2 m3/h em qualquer ponto da escala).

C2) Precisão em % do valor Instantâneo (relativa): Para a mesma escala, indicação= 50 m3/h (± 0,5 m3/h).

d) Largura de Faixa ou Rangeabilidade: é a relação entre o valor máx. e o valor min., lidos com a mesma precisão na escala de um instrumento. Exemplo: ���� 0 a 200 m3/h ; precisão de ±1 % do valor instantâneo e largura de 10:1. Significa que a precisão será

respeitada entre os 20 m3/h e 200 m3/h.

Page 5: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.5 -

5.3.1 - Conceitos Básicos

a) Equação da Continuidade: Supondo um fluxo em regime permanente na tubulação da fig. 3, não podemos acumular massa no volume compreendido entre as seções 1 e 2, pois neste caso pelo menos a massa específica variaria, deixando de ser regime permanente. Neste caso, podemos afirmar que:

Fig. 3 – REPRESENTAÇÃO DO FLUXO

Qm1 = Qm2 Qm = Q . � Q = V . S

Q1 . �1 = Q2 . �2 ou V1 . S1 . �1 = V2 . S2 . �2 Sendo o fluído incompressível, teremos: � 1 = � 2 => V1 . S1 = V2 . S2 ou Q1 = Q2 Onde: V1 e V2 = Velocidade nas seções 1 e 2 Qm = Vazão em massa � = Massa específica S = Área da seção transversal

Fig. 4 - REPRESENTAÇÃO DE TEMPOS PARA A

EQUAÇÃO DE BERNOUILLI b) Equação de Bernoulli: Supondo um fluído perfeito (ideal), que não possua viscosidade, ele desloca-se sem atritos e portanto sem perdas de energia. Assim, podemos afirmar que o somatório das energias relativas a seção 1 é igual à da seção 2:

21 nn EE Σ=Σ 2211 cpprcppo EEEE +=+

( ) ( )22

222

2

211

1VM

YWP

hgMVM

YWP

hgM⋅+⋅+⋅⋅=⋅+⋅+⋅⋅

Eppr = m.g.h (massa x aceleração da gravidade x altura) Eppo = P.dr (Pressão x densidade = Pressão x Peso/Peso específico)

Peso Específico � (gama) é o peso de uma substância por unidade de volume. �

Ec = ½�m.V² (½ da massa x Velocidade2) Onde: mgh = Energia Potencial ½ mV² = Energia Cinética Y = Peso Específico (água = 1000 kgf/m³) En = Energia total Eppr = Energia potencial relativa a pressão Eppo = Energia potencial relativa a posição Ec = Energia cinética M = Massa W = Peso g = Aceleração da gravidade (9,8 m/s²) P1 e P2 = Pressão nas seções 1 e 2 Mas como W = m.g:

2..

..2..

..2

222

211

1

VmYWP

hgmVm

YWP

hgm ++=++

gVgm

YW

PhgmgVgm

YW

Phgm.2..

...2..

..2

222

21

11 +⋅+=+⋅+

gVW

YWP

hWgVW

YWP

hW.2..

..2..

.2

222

211

1 ++=++

Dividindo-se por W teremos:

( ) ( )g

VYP

hg

VYP

h.2.2

222

2

211

1 ++=++

Para h1 = h2 (tubulação na horizontal)

( ) ( ) ( ) ( )�−=−�+=+

gV

gV

YP

YP

gV

YP

gV

YP

.... 2222

21

2221

222

211

Equação de Bernoulli =>

( ) ( )g

VVY

PP.2

21

2221 −

=−

c) Equação Básica para Elementos Deprimogênios Baseada na equação de continuidade para fluido incompressível: Vazão = Velocidade (m/s) . Área (m²) = m³/s (Volume/s)

1

2212211 S

SVVSVSV =⇔= ..

A relação entre o diâmetro do furo (d) da placa de orifício e o diâmetro da tubulação (D) é denominada de �. Ou seja, � = d/D. Em termos de área podemos escrever que:

ππππ 11

21

2

1 2222

Sd

dSdSdS ⋅=�=��

���

�=���

���

�= por analogia

π22

SD ⋅=

1

22

1

2

1

2

1

2

2

2

SS

SS

S

S

S

S

=�==⋅

⋅= β

π

π

π

πβ

Substituindo na equação acima:

��������

�������� ��

��

��

��

� ��

� ��

S1

S2

� � �� ���� � � � � � ��

� � �� ���� �� � ��

���� �������� ����

Page 6: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.6 -

221

1

22

1

221 β..

.VV

SS

VSSV

V =�==

Substituindo V1 na equação de Bernoulli obtém-se:

( ) ( )gVV

YPP

2

222

2221 β.−

=−

Isolando V2:

( ) ( ) ( ) ( ) gY

PPV

gVV

YPP

21.2

. 21422

422

2221 ⋅−=−�

−=− ββ

( ) ( ) gY

PPV 2

1 4212

2 ⋅−⋅−

=>( ) g

Y

PPV 2

1 4

212 ⋅

−⋅

−=

β

Ou ( ) g

Y

PPV 2

1

14

212 ⋅

��

��

−⋅

−=

β

Tendo em vista que o termo, entre parênteses, da equação diz respeito aos diâmetros do tubo e do orifício, que são constantes, vamos chamá-lo simplesmente de E. Desta forma a equação seria simplificada para:

EgY

PPV ⋅⋅

−= 221

2; e já que 2

21 β.VV = então:

EgY

PPV ⋅⋅

−⋅= 2212

1 β

Essas equações são puramente teórica, pelo fato de considerar que, nas seções 1 e 2, as velocidades são uniformemente distribuídas e respectivamente iguais a V1 e V2. Elas podem ser transformadas adequadamente para uso prático, se incluirmos um coeficiente de correção que leve em consideração todos elementos de um escoamento real. Este coeficiente é denominado de descarga C:

Ou seja:

Vazão Real (Q) = Vazão teórica (Vel x Área) x C(Cte)

CSVQ ⋅⋅= ou seja CSEgY

PPQ ⋅⋅

��

��

�⋅⋅

−⋅= 2212β

Os valores de C, são resultados experimentais e varia para cada tipo de elemento deprimogênio e sistema de tomada de impulso. O seu valor é função do diâmetro da tubulação (D), do n° de Reynolds (Re) e da relação entre os diâmetros do furo e da tubulação (�):

onde O n° de Reynolds (Re), por sua vez, é o produto entre a velocidade de escoamento do fluido na tubulação pelo diâmetro da mesma em relação a sua viscosidade. Re = n° de Reynolds V = velocidade de escoamento do fluído

v = viscosidade D = diâmetro da tubulação linha Re crítico = 2300 Regime Laminar => Re < Re crítico Regime Turbulento => Re > Re crítico d) Malha para Medição de Vazão: Na indústria, o método mais utilizado para medir vazão pelo princípio da pressão diferencial variável é utilizando uma placa de orifício. Podemos representar esquematicamente esta malha de medição, através do fluxograma abaixo.

Fig. 5 – FLUXOGRAMA PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO

Da equação obtida no item anterior pode-se concluir que a vazão só irá variar em função de ��P, pois S, E, C, �, �2g, 1/�Y são constantes. Portando podemos simplificar a expressão, assim:�

��� ��

� ⋅⋅��

��

�⋅⋅

−⋅= 21 PP

Q => 21 PPKQ −⋅= ou

PKQ ∆⋅= Onde: K = Constante que depende de fatôres como:

� Relação entre orifício e tubulação (�) � Características do fluído (viscosidade) � É importante observar, que o �P varia

quadraticamente em função da vazão (Q).

Fig.6 – RELAÇÃO ENTRE �P E A VAZÃO

�P(%)

100

75

50

25

0

50 70,7 86,6 100

FT FI

FE ( )41

1

β−

Page 7: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.7 -

Fig.6 – RELAÇÃO ENTRE �P E A VAZÃO

EXEMPLO: Considerando-se o fluxograma da fig. 9 e sabendo-se que esta malha na vazão máxima de 10 m3/h produza um �P de 2500 mmH2O. Como saber a pressão de saída do transmissor (FT), quanto a vazão for 8 m³/h? Antes de tudo, você precisa saber qual o valor de K para esta instalação, para usá-lo no cálculo de outra vazão (8 m³/h). Conforme informado, na vazão de 10m³/h encontrou-se um �P de 2500 mmH2O, então podemos esta informação para calcular o valor de K.

PQ

K∆

= OmmHh

mK

OmmHhm

K22 .

³ 2,0

2500/³10 =�=

De posse do valor de K, pode-se agora determinar o �P na vazão de 8 m³/h e, com isso, determinar a pressão do sinal de saída (FT) do transmissor.

OmmHPKQ

PPKQ 2

22

16002,0

8 =∆���

���

�=��

���

�=∆�∆⋅=

Tendo em vista que o sinal de saída do FT = PFT, (3 a 15 PSI ou 4 a 20mA), é proporcional ao �P obtido, pode-se usar uma “regra de três” ou proporção e determinar o valor do sinal.

Então: 1600 - 0 = PFT – 3 => 1600 = PFT - 3

2500 - 0 15 – 3 2500 12

PFT = 1600 x 12 + 3 = 0,64 x 12 + 3 =>PFT = 10,68 PSI 2500

E se o transmissor enviasse um sinal de 4 a 20 mA ao invés de 3 a 15 PSI teríamos: 1600 - 0 = PFT – 4 => 1600 = PFT - 4

2500 - 0 20 – 4 2500 16

PFT = 1600 x 16 + 4 = 0,64 x 16 + 4 =>PFT = 14,24 mA

2500 ___________________________________________ Podermos, também, efetuar o cálculo, do sinal da saída, a partir da vazão.

A relação que existe entre a vazão (Q) e a PFT não é linear. Na verdade a PFT é proporcional ao quadrado da vazão; como já visto anteriormente. Porém, isto não impede de aplicarmos proporção. Para tal, é necessário determinamos a fração que o primeiro valor representa na primeira escala. De posse desta fração, aplicar nela relação existente (no caso potenciação) e aplicarmos a nova fração na nova escala.

VAZÃO Tipo de Sinal

10m³/h 15PSI 20 mA

0m³/h Pro

porç

ão

Ope

raçã

o

3PSI 4 mA

Vazão fração fração² Saída Saída 10m³/h 1 1 15,00 PSI 20,00 PSI 9m³/h 0,9 0,81 12,72 PSI 16,96 PSI 8m³/h 0,8 0,64 10,68 PSI 14,24 PSI 7m³/h 0,7 0,49 8,88 PSI 11,84 PSI 6m³/h 0,6 0,36 7,32 PSI 9,76 PSI 5m³/h 0,5 0,25 6,00 PSI 8,00 PSI 4m³/h 0,4 0,16 4,92 PSI 6,56 PSI 3m³/h 0,3 0,09 4,08 PSI 5,44 PSI 2m³/h 0,2 0,04 3,48 PSI 4,64 PSI 1m³/h 0,1 0,01 3,12 PSI 4,16 PSI 0m³/h 0 0 3,00 PSI 4,00 PSI

Por exemplo: Suponhamos que a vazão esteja em 8 m³/h em uma rede de água que possua um range de 0 a 10 m³/h. Ou seja: vazão de água é de 80% da escala ou 0,8 . Como a relação é quadrática, eleva-se 0,8 ao quadrado obtendo-se 0,64. Esta fração (64%) é então aplicada na nova escala de 3 a 15 PSI, obtendo-se: 0,64 x (15 - 3) + 3 = 0,64 x 12 +3 = 10,68 PSI Ou, no caso de 4 a 20mA: 0,64 x (20 - 4) + 4 = 0,64 x 16 +4 = 14,24 mA

O sinal de saída de um transmissor de vazão, por pressão diferencial variável, varia linearmente em função do �P e quadraticamente em função da vazão. Portanto, para se acoplar um indicador para exibir a vazão, torna-se necessário que sua escala seja quadrática para que a leitura seja direta.

100

70,7

50 25

49

% % 100

Vazão �P

3 PSI

15 PSI

PFT Q

15 - 3

PFT – 3

8 m³/h

10 m³/h

0 m³/h

8 – 0

10 – 0

3 PSI

15 PSI

PFT �P

15 - 3

PFT – 3

1600 mmH2O

2500 mmH2O

0 mmH2O

1600 – 0

2500 – 0

Page 8: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.8 -

Para linearizar o sinal de saída do transmissor em função de vazão, faz-se necessário o uso de um EXTRATOR DE RAIZ QUADRADA (FY), conforme mostrado no fluxograma da fig. 10.

Fig. 10 – FLUXOGRAMA COM EXTRATOR DE RAIZ

QUADRADA

A pressão de saída do extrator (SFY), é linearmente proporcional a vazão Q e a pressão de entrada no Extrator (EFY), é linearmente proporcional ao �P.

Para determinarmos o valor da saída SFy a partir da entrada EFY, aplica-se potenciação na fração relativa que o valor representa nessa escala. Se for ao contrário, quisermos determinar o valor da entrada EFY a partir da da valor de saída SFy, aplica-se potenciação. Exemplo: 1. Na figura acima, se quisermos determina o valor

da saída SFy a partir da entrada EFY, calcula-se a fração que 6 PSI representa nesta escala; no caso 0,25 ou 25%. Extrai-se a raiz quadrada obtendo-se 0,5 ou 50% e aplica-se na nova escala. Ou seja:

0,5 x (15 - 3) + 3 = 9 PSI 2. Se fosse de SFY para EFy, determinaria a fração

que 9 PSI representa nesta escala; no caso 0,5 ou 50%. Elevaria ao quadrado, obtendo-se 0,25 ou 25% e aplicaria na nova escala. Ou seja:

0,25 x (15 - 3) + 3 = 6 PSI 3. Supondo que na entrada do extrator a pressão

esteja com 10,68 PSI, qual a pressão na sua saída?

Determina-se a fração que 10,68 PSI representa nesta escala; no caso 0,64 ou 64%. Extrai-se a raiz quadrada obtendo-se 0,8 ou 80% e aplica-se na nova escala. Ou seja:

SFY = 0,8 x (15 - 3) + 3 = 12,6 PSI

5.3.2 - Placa De Orifício

Dos muitos dispositivos inseridos numa tubulação para se criar uma pressão diferencial, o mais simples e mais comumente empregado é o da placa de orifício.

Fig. 11A – PLACA DE ORIFÍCIO INSTALADA NA

TUBULAÇÃO (EM CORTE).

Fig. 11B – PLACA DE ORIFÍCIO INSTALADA NA

TUBULAÇÃO (EM CORTE). Consiste em uma placa precisamente perfurada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação. 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 em aço inox, monel, latão etc, dependendo do fluído. Vantagens: Desvantagens: �Instalação fácil � Alta perda de carga �Econômica �Construção simples �Manutenção e troca simples

Fig. 9 – FLUXOGRAMA

FE

FT FY FI

������������

��� � �� �� ������� �� �

��� � �� ���� ������

��� � �� �� ������ ��P�

�P�����������

��� � �� �� ������� ���

�P�

EFY

SFY

100

00

50

15

3

9

15

3

6

100

00

25

“Q” “SFY” “EFY” “�P”

25% 50% f ²

FE

FT FI

Page 9: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.9 -

a) Tipos de Orifícios

Fig. 12 – PLACAS DE ORIFÍCIOS CONCÊNTRICOS E

EXCÊNTRICOS 1- Orifício concêntrico:

Este tipo de placa é utilizado para líquidos, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão.

2 - Orifício excêntrico:

Utilizada quando tivermos fluído com partículas em suspensão, os quais possam ser retidos e acumulados na base da placa, sendo o orifício posicionado na parte de baixo do tubo.

3 - Orifício segmental:

Esta placa tem abertura para passagem de fluído disposta em forma de segmento de círculo. É destinada para uso em fluídos laminados e com alta porcentagem de sólidos em suspensão.

* Para tubulações > 24", o orifício segmental é soldado internamente ao tubo.

* Tipo ajustável b) Tipos de Bordo 1- Bordo Quadrado (Aresta viva): * Usado em tubulações normalmente maiores que 6" * Não usada em fluxo com baixos Nº de RD.

Fig. 13 – BORDO QUADRADO

2 - Bordo Arredondado (Quadrant edge ou quarto de círculo): Usado em fluídos altamente viscosos, onde o Nº de RD inferior está em torno de 250.

Fig. 14 – BORDO ARREDONDADO

3 - Bordo com entrada cônica: Usado em aplicações, onde o N° de RD inferior é de 25 e em condições severas de viscosidade.

Fig. 15 – BORDO COM ENTRADA CÔNICA

c) Tipos de Tomada de Impulso (Fig. 17) 1- Tomadas em flange: São as mais populares, onde os furos das tomadas já são feitos no próprio flange. 2- Tomadas na vena contracta: Utiliza flanges comuns, sendo o centro da tomada de alta pressão entre 1/2 e 2D (em geral 1 D) e o centro da tomada de baixa estará no ponto de pressão mínima conforme figura a abaixo, dependendo do �. 3- Tomada D e D/2: usada em tubulações de 2" a 30" com Reynolds entre 8.000 e 400.000 para � entre 0,15 e 0,75. 3- Tomadas em canto: são construídas no próprio flange e seu uso principal é em tubulações menores que 2", tendo como desvantagem a grande possibilidade de entupimento

Fig. 18 – RELAÇÃO ENTRE O DIÂMETRO (d) E �

d

0,3d

45° 75°

r =

d

0,06d

45° 40°

0,3d

d

s=0,25d

r = 0,5s

d

1,0 0,9

0,2

0,8

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3

0,1 0,0

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 ,0,5 0,6 0,8 0,9 1,0 DIÂ

ME

TR

O D

E L

INH

A A

JUS

AN

TE

DO

OR

IFÍC

IO (

d)

0,7 RAZÃO DE DIÂMETRO �

Page 10: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.10 -

FIG. 19 - DISTÂNCIAS MÍNIMAS A MONTANTE E JUSANTE DE PLACA E BOCAIS

Page 11: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.11 -

d) Trechos retos adotados em projetos: Nos projetos de instalações com placa de orifício envolvendo grande número de pontos de medição, é comum estimar os comprimentos retos admitindo que todos os valores de � sejam iguais a 0,75. Esta prática permite que se reservem os comprimentos necessários a instalação dos elementos primários, antes de se proceder ao cálculo, e permite também mudanças futuras da placa com condição de permanecer o valor de � inferior ou igual a 0,75. Nestes casos, uma tabela simplificada pode ser elaborada servindo como critério de projeto de instrumentação e tubulação (figura 17A). A regra a ser aplicada quando vários acessórios estão montados em série é a seguinte: acrescentar ao trecho reto do acessório mais próximo à placa de orifício, a metade do trecho reto correspondente ao acessório anterior, para o valor de � considerado.

5.3.3 - Tubo Venturi

O tubo Venturi, combina dentro de uma unidade simples, uma curta garganta estreitada entre duas seções cônicas e está usualmente instalado entre dois flanges, numa tubulação. Seu propósito é acelerar o fluído e temporariamente baixar sua pressão estática.

Fig.20 - RECUPERAÇÃO DE PRESSÃO NO TUBO DE

VENTURI

A recuperação de pressão em um tubo Venturi é bastante eficiente, como podemos ver na figura ao lado, sendo seu uso recomendado quando se deseja um maior restabelecimento de pressão e quando o fluído medido carrega sólidos em suspensão. O Venturi produz um diferencial menor que uma placa de orifício para uma mesma vazão e diâmetro igual a sua garganta. A fig. 21 mostra os detalhes de construção de um dispositivo Venturi:

Fig. 21 - DIMENSÕES BÁSICAS DE UM TUBO DE

VENTURI BÁSICO Onde: D = Diâmetro interno da tubulação d = diâmetro da garganta a = Localização da tomada de impulso de alta pressão 0.25D a 0,75D para 4" < D < 6" 0.25D a 0.50D para 6" < D < 32" b = comprimento da garganta igual a "d" c = Localização da tomada de baixa pressão = "d'/2 � =Diâmetro interno da tomada de impulso 3/16 à 1/2"� r1 = 0 à 1.375D r2 = 3,5 à 3.75D �1 =21º +/- 2º��2 = 5o à 15° Em lugar de ser um simples furo, a tomada de impulso, é formada por vários furos espaçados em torno do tubo. Eles são interligados por meio de um anel chamado anel piezométrico. Isto é destinado para obter-se a média das pressões em torno do ponto de medição.

5.3.4 - Bocal

O Bocal de vazão (Flow nozzle) é, em muitos aspectos, um meio termo entre a placa de orifício e o tubo Venturi. O perfil dos bocais de vazão permite sua aplicação em serviços onde o fluído é abrasivo e corrosivo. O perfil de entrada é projetado de forma a guiar a veia fluídica até atingir a seção mais estrangulada do elemento de

Page 12: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.12 -

medição. Segue uma curva elíptica se o projeto for da ASME ou pseudo-elípticas se o projeto for da ISA. Seu principal uso é em medição de vapor com alta velocidade e é recomendado para tubulações maiores que 50 mm. TIPOS: 1 - Bocal ISA 1932:

Neste tipo de bocal as tomadas são do tipo em canto (corner taps). Possui as limitações de: 0,32 < � < 0,8 50 mm < D < 500 mm 2.104 < RD < 107

2 - Bocal ASME Neste bocal as tomadas são do tipo D e D/2 com as seguinte limitações: 0,2 < P < 0,8 50 mm < D < 400 mm 104 < RD < 107

Fig. 2 -: BOCAL DE VAZÃO (ASME)

Fig. 2B -: APLICAÇÃO

5.4 - MEDIÇÃO DE VAZÃO POR ÁREA VARIÁVEL

Entre os medidores de vazão por área variável, o Rotâmetro é o mais utilizado. Outros medidores operam pelo mesmo princípio e possuem características comuns.

5.4.1 - Rotâmetro

Fig. 24 ROTÂMETRO

É um dispositivo de medição direta de vazão utilizada em líquidos e gases. Possui escala aproximadamente linear, precisão em torno de 15% e não necessita de trecho reto em sua instalação, pois não sofre influência da turbulência do fluído. É constituído de um tubo cônico, geralmente de vidro, contendo um flutuador que pode se mover livremente no sentido vertical. A posição do flutuador é indicada em uma escala graduada e depende da vazão.

Page 13: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.13 -

Fig. 25 - FORÇAS ATUANTES EM UM

ROTÂMETRO Princípio de Funcionamento: Com o aumento da Vazão, aumenta-se a força da arraste deslocando o flutuador para cima, fazendo aumentar a área de passagem do fluído, portanto com o aumento da área a diferença de pressão permanece constante. O equilíbrio dinâmico é atingido quando o peso do flutuador for igual a soma do empuxo e a força da arraste que é resultante da velocidade de escoamento. Equilíbrio Dinâmico

Onde: W = Peso do flutuador F = Força de arraste (em função da velocidade) E = Empuxo sofrido pelo flutuador A escala do rotâmetro normalmente é gravada no próprio vidro ou externamente, podendo ser substituída dando as características do escoamento. (recalibração da escala). As equações de trabalho são obtidas partindo-se da condição de equilíbrio dinâmico onde os fatores que irão determinar a vazão máxima indicada no medidor são as dimensões do tubo cônico, as características do fluído e do flutuador.

( )Afyl

gylVfKCdAwQ

⋅⋅⋅⋅⋅= 2

Onde: Q = Vazão máxima Aw = Área de passagem do fluído Cd = Coeficiente de descarga (depende do Nº de

Reynolds e da aerodinâmica do flutuador) K = Constante de compatibilização de unidades Vf = Volume do flutuador yf = Peso específico do flutuador yl = Peso específico do fluído Af = área da secção de leitura do flutuador G = Aceleração da gravidade

Características de trabalho: • Pode medir tanto vazões extremamente pequenas,

como vazões muito altas. • Tubos de vidro com paredes grossas podem

suportar pressão de 30 Kgf/cm2 e temp. de 90°C. • A forma do flutuador é escolhida em função do tipo

de fluído e da viscosidade do mesmo. • A queda de pressão provocada pelo rotâmetro é

praticamente constante em todo o percurso do flutuador.

5.5 - MEDIDOR MAGNÉTICO DE VAZÃO

Fig. 26A

A lei Faraday estabelece que a tensão induzida através de qualquer condutor, ao mover-se perpendicularmente entre um campo magnético é proporcional a velocidade do condutor. Tentou aplicar sua teoria na medição da velocidade do rio Támesis do sul da Inglaterra em 1832, supondo que a água circulava perpendicularmente ao campo magnético da terra e sendo a água um condutor relativamente bom. Mergulhou um par de eletrodos na água e esperava obter um sinal que variasse diretamente com a velocidade. Não obteve êxito, pois não dispunha de medidores sensíveis e o campo magnético da terra é baixo.

Fig. 26B - Londres - Rio Támesis

Mas sua teoria foi aceita. Os holandeses foram os primeiros a utilizarem este princípio com o aparecimento

NORTE

SUL

FLUXO DO RIO TÁMESIS

Page 14: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.14 -

dos amplificadores mais confiáveis e econômicos. A partir daí passou a utilizar-se em aplicações industriais.

5.5.1 - Teoria de Faraday

VLBE ⋅⋅= (1) Onde: E = Tensão gerada por um condutor B = Densidade do campo magnético L = Distância entre os eletrodos V = Velocidade de escoamento

5.5.2 - Princípios de Funcionamento do Medidor Magnético

O Campo magnético é provocado por um eletroímã, ou um par de bobinas alimentadas por uma fonte de corrente alternada.

Fig. 26 - MEDIDOR MAGNÉTICO DE VAZÃO

Dois eletrodos são colocados nas paredes do medidor que é revestido por um material isolante (normalmente teflon). De acordo com a lei de Faraday, quando o fluído atravessar o medidor cortando as linhas do fluxo magnético, uma pequena tensão será induzida entre os eletrodos sendo proporcional ao movimento do fluído. A milivoltagem gerada é amplificada e convertida em sinal analógico padronizado de instrumentação (4 a 20 mA). A vazão é então expressa a partir da lei de Faraday:

LBE

V⋅

= (2)

Sendo,

AVq ⋅= (3) Substituindo (2) em (3), temos que:

LBEA

Q⋅⋅=

Onde a Vazão (Q) é diretamente proporcional a tensão induzida.

5.5.3 - Principais Aplicações Dos Medidores Magnéticos

• Fluídos pastosos • Fluídos viscosos • Ácidos • Lamas A precisão deste tipo de medidor depende muito do circuito de medição e pode variar de 0,5% a 1,0% do valor máximo da vazão. Não sofrem influência da viscosidade e nem da densidade, pois é basicamente um medidor de velocidade e consequentemente mede a vazão em volume.

5.6 - MEDIDOR DE VAZÃO TIPO TURBINA

Consiste em um rotor provido de palhetas em ângulo com seu eixo de rotação paralelo ao fluxo.

Fig. 27 - TURBINA

Uma bobina alimentada por uma fonte externa de energia produz um campo magnético e cada vez que uma palheta cruza o campo magnético gera um impulso devido a relutância do fluxo magnético. O sinal de saída é uma seqüência de pulsos cuja freqüência é proporcional a vazão. O sinal gerado pelas turbinas pode ser usado tanto para medição de vazão como para totalização.

5.7 - MEDIÇÃO DE VAZÃO EM CANAIS ABERTOS

A principal diferença de característica destes medidores em relação aqueles em tubulações industriais é que ao contrário dos mesmos, ficam parcialmente confinados e tem aplicação típica em sistemas de irrigação para agricultura, tratamento de água, redes de esgoto, etc. Principais Medidores

5.7.1 - Vertedor

Page 15: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.15 -

Consiste basicamente em uma barragem colocada no canal, com uma abertura colocada na parte superior (em "V", retangular ou trapezoidal). Onde: Q = Vazão L = Largura do dique H = Nível do lençol (altura) A equação acima é específica para o vertedor com barragem retangular. A medição do nível (lençol) é feita através de bóia ou sistema de purga em câmara por vasos comunicantes para eliminar o efeito da turbulência do líquido.

Fig. 28 – VERTEDOR RETANGULAR

5.7.2 - Calha Parshall

É semelhante a um tubo Venturi e consiste em uma canaleta com as paredes de entrada convergentes, paredes da garganta paralelas com base inclinada para baixo, e parede de saída divergente (com base inclinada para cima).

Fig. 29 - CALHA PARSHALL

Assim, como nos vertedores, a vazão é medida em função da altura do líquido. Só que, nesse caso, a tomada é feita na parte convergente da calha e expressa pela equação:

Q = K . Hn

Onde: Q = Vazão K = Constante de proporcionalidade H = Altura (nível) n = Aproximadamente 1,5 Normalmente a calha Parshall é utilizada em situações onde não é possível utilizar os vertedores, como no caso de vazão de líquidos que contenham sólidos em suspensão. Conhecendo-se a velocidade da correia e peso momentâneo do produto granulado, obtém a vazão em peso instantâneo.

Fig. 30 – VAZÃO DE SÓLIDOS O sinal da célula de carga atua na velocidade do motor do transportador de forma que um peso acima do valor esperado (set-point) provoca o aumento da velocidade e vice versa. Desta forma, o fluxo após a célula de carga se torna constante.

5.7.3 - Medidores de Deslocamento Positivo ou medidores volumétricos

CÉLULA DE CARGA

CORREIA TRANSPORTADORA

ALIMENTADOR (PIPE FEED)

WT WY ST

M

WIC

Page 16: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.16 -

Medidores de deslocamento positivo são medidores que possuem uma relação bem definida entre o volume de produto que passa pelo medidor e o acionamento de um dispositivo de medição para permitir o escoamento. Para cada unidade de volume que atravessa o medidor o dispositivo de medição é acionado um certo número de vezes. Esse tipo de medidor apresenta um fator que permite determinar a vazão em volume. Alguns tipos de Medidores de Deslocamento Positivo Medidor de Engrenagens Ovais

O fluido circula entre as engrenagens e as paredes da câmara de medição.

5.7.4 - Medidor de Lóbulos

O fluido circula entre os lóbulos e as paredes da câmara de medição.

5.7.5 - Disco de Nutação

Page 17: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.17 -

Page 18: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.18 -

EXERCÍCIOS – VAZÃO 3 ptos

ALUNO: ____________________________________________N:___________

Turma

5.8 - EXERCÍCIOS PROPOSTOS

Responda de 1 a 5 baseando-se nos seguintes dados: * A Vazão máxima da linha é de 12 m3/h * Quando a vazão for 8,4 m3/h, o �P é 2940 mmH2O

Fig. 31 – EXERCÍCIOS

1- Qual o �P para Q = 9,6 m3/h? __________________________________________ AP = ________________________mmH2O 2- Qual a Q para o �P = 3000 mmH2O? __________________________________________ Q = _________________________m3/h 3- Qual a PFT, quando Q = 5,4 m3/h?

(Range do Sinal de Saída: 3 a 15 PSI) __________________________________________ PFT = ________________________PSI 4- Qual é o Sinal de Saída, quando o �P = 3400

mmH2O? (Range do Sinal de Saída: 4 a 20 mA) __________________________________________ Saída = _____________________ mA 5- Qual o �P = e Q, quando o Sinal de Saída =

15,2mA? (Range do Sinal de Saída: 4 a 20 mA) __________________________________________ AP = ______________________ mmH2O Q = _______________________ m3/h

Fig. 32 - EXERCÍCIOS

Dado o fluxograma acima, responda de 6 a 10:

6- Qual o valor do sinal de pressão da saída do FY

(SFY), quando a entrada (EFY) for 10,2 PSI? (Range do Sinal de Saída: 3 a 15 PSI) __________________________________________ SFY= PSI 7 - Se SFY vale 15,2 mA quanto valerá o EFY? (Range do Sinal de Saída: 4 a 20 mA) __________________________________________ EFY = mA 8 - Qual o sinal de saída de FY (SFY), supondo que o

Fl, indique 40% da vazão máxima? (Range do Sinal de Saída: 4 a 20 mA) __________________________________________ SFY = _____________________ mA 9 - Quais os valores da saída e da entrada de FY,

para uma vazão de 5,2 m3/h se a vazão máxima for de 10 m3/h?

__________________________________________ EFY = ______________________ mA SFY = ______________________ mA 10 - Qual a vazão medida, quando SFY = 10,4 mA,

sendo que Qmáx = 22 GPM? (S.Saída: 4 a 20 mA) __________________________________________ Q = _____________________________ GPM

FT FI

FE

FE

FY FI

������������

��� � �� �� ������� �� �

�P�� � �� ���� �����

��� � �� �� ��������

�P�����������

��� � �� �� �������� � �

�P�

EFY

SFY FT

2

��

���

�=∆KQ

P

( ) psiE

S FYFY →+−⋅�

���

−−= 33153153 ( ) mA

ES FY

FY →+−⋅��

���

−−= 44204204

Page 19: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.19 -

APLICATIVO PARA O CÁLCULO DE PLACA DE ORIFÍCIO: http://www.flowmeterdirectory.com/flowmeter_orifice_calc.html. Entrando com os parâmetros nos campos em branco obtém-se os resultados em cinza Corner Taps

D & D2 Taps

1° Taps

Sigla DESCRIÇÃO Corner Taps D & D2 Taps 1° Taps Unid D1 Diâmetro do Tubo 20,93 mm D2 Diâmetro do Furo 4 mm P1 Pressão antes da placa 5000 mmH2O P2 Pressão depois da placa 2500 mmH2O P1-P2 Diferença de pressão antes de depois 2500 mmH2O ni Viscosidade cinemática 1.31E-006 m2/s mi Viscosidade dinâmica 0,00131 Pas T Temperatura antes da placa n/a K Densidade antes da placa 1000 Kg/m3 R Constante dos gases n/a J/kgK Kappa Coeficiente isotrópico (K) n/a Q Vazão em volume 0,19673678 m3/h G Vazão em massa 0,054649148 Kg/s V1 Velocidade antes da placa 0,1588382 m/s V2 Velocidade após a placa 4,34884 m/s ReD N° de Reynolds 2537,774 e n/a C 0,6204151

Page 20: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.20 -

5.9 - ANEXO 1 – PLACA DE ORIFÍCIO

Determinação da Vazão em função das características da placa de orifício e do fluído. Cálculo de fluxo usando placa de orifício para um líquido incompreensível baseado na equação de Bernoulli.

2

222

1

211

22zg

VPzg

VP ⋅++=⋅++ρρ

Considerando que tanto a gravidade e a altura sejam iguais (g.z1 = g.z2) teremos:

22

222

1

211 VPVP +=+

ρρ ou

22

21

22

1

21 VVPP −=−ρρ

ou 2

21

2221 VVPP −=−

ρ

E se a velocidade for substituída pela vazão teremos: Vazão = Volume / Tempo = Velocidade x área transversal / tempo = espaço/tempo x área transversal / tempo

TempoEspaçoeralÁreaTransv

VazãoTempoVolume

Vazão⋅=�= .... (1)

TempoVelocidadeEspaçoTempoEspaço

Velocidade ⋅=�= substituindo em (1) teremos:

VelocidadeersalÁreaTransvVazãoTempoVelocidadeTempo

eralÁreaTransvVazão ⋅=�⋅⋅=

Então:

�⋅��

���

�=�⋅= VD

QVRQ2

2

2ππ

22

2 42 D

QVV

DQ

ππ =�⋅= portanto:

21

14DQ

= e 2

22

4DQ

=

A queda de pressão através do furo, devido ao aumento da velocidade, pode ser calculada por:

( )�−⋅=−�

−=− 21

22

212

12

221

21

2VV

PPVVPPρρ ��

����

�−=−

���

��

���

����

�−��

����

�=−

41

2

2

42

2

221

2

21

2

22

21 16162144

21

DQ

DQPP

DQ

DQPP

ππρππρ

.

Colocando-se 2

216πQ em evidência obtém-se:

( )�

⋅���

����

�−

⋅−=����

����

�−⋅=−⋅

ρ

ππρ

1611

211162

41

42

2212

41

42

2

221

DD

pPQ

DDQpP ( ) ( )

ρπ

ρ

π 212

41

42

41

42

221 2

16111

1611

2 pP

DD

Q

DD

pPQ

−⋅⋅⋅

���

����

�−

=�

⋅���

����

�−

⋅−=

( )�

−⋅⋅⋅

���

����

�−

π 212

41

42

21611

1 PP

DD

Q( )

�−⋅⋅⋅

���

����

�−

π 21

41

42

2411

1 PP

DD

Q( )

�−⋅⋅⋅

−=

ρπ 21

41

42

42

41

24

1 PP

DD

DDQ

( ) ( ) ( )ρ

πρ

πρ

π 21

41

42

41

2221

41

42

41

4221

41

42

42

41

24

24

24

1 PP

DDD

DQ

PP

D

DD

DQ

PP

DD

DDQ

−⋅⋅⋅

−=�

−⋅⋅⋅

−=�

−⋅⋅⋅

−=

( )�

−⋅⋅⋅

π 21

41

42

41

41

22 2

4PP

DD

DD

DQ

( )�

−⋅⋅

⋅⋅

π 2122

41

42

24

1

1 PPD

DD

Q �−⋅⋅

⋅⋅−

= 21

42

41

42

162

1

1PP

D

DD

π PD

DD

Q ∆⋅⋅

⋅⋅

π162

1

1 42

41

42

Substituindo o 1° termo da equação por “E” e inserindo um coeficiente de dilatação e um de descarga, teremos a equação a direita: Mas, como C, e, E, D e �, também são constantes, podemos escrever que. Onde: C = Coeficiente de descarga e = Coeficiente de dilatação

P1 P2

D2 D1

�∆⋅⋅

⋅⋅= PD

CeEQρ16

2 42

Onde: P = pressão � = densidade V = Velocidade g = constante gravitacional (9.81 m/s2) z = Altura geodésica

4

1

21

1

���

����

�−

=

DD

E PKQ ∆⋅= ou

Page 21: Cap 05 Variaveis de Processo Vazao

Variáveis de Processo Vazão – compilado por Sidney A. Fontoura

- 5.21 -

5.10 - ANEXO 2 – VISCOSIDADE

Temp. °C Visc.Cinem. (x 10-6 m2/s)

Água 10 1,31 Água 20 1,00 Água 40 0,66 Água 80 0,37 Água do mar 5 1,61 Água do mar 15 1,22 Água do mar 25 0,97 Álcool metílico 20 0,727 Asfalto 120 1600 Azeite 38 43 Benzol 20 0,744 Gasolina 20 0,6 Glicerina 0 8310 Glicerina 20 1180 Glicerina 40 223 Leite 20 1,13 Óleo bruto densidade 0,855 30 5,5 Óleo bruto densidade 0,855 40 4,5 Óleo bruto densidade 0,855 60 3,5 Óleo bruto densidade 0,855 80 2,7 Óleo bruto densidade 0,855 100 2,1 Óleo bruto densidade 0,855 120 1,7 Óleo bruto densidade 0,855 150 1,5 Óleo combustível densidade 0,940 400 30 Óleo combustível densidade 0,940 180 40 Óleo combustível densidade 0,940 60 60 Óleo combustível densidade 0,940 80 25 Óleo combustível densidade 0,940 13 100 Óleo combustível densidade 0,940 120 8 Óleo combustível densidade 0,968 1200 40 Óleo combustível densidade 0,968 300 60 Óleo combustível densidade 0,968 80 80 Óleo combustível densidade 0,968 100 35 Óleo combustível densidade 0,968 120 18,5 Óleo combustível densidade 0,968 150 10 Óleo de algodão 38 38 Óleo de baleia 38 38 Óleo de linhaça 38 30 Óleo de soja 38 35 Óleo SAE-10 20 80 Óleo SAE-10 30 45 Óleo SAE-10 40 30 Óleo SAE-10 60 15 Óleo SAE-10 80 10 Óleo SAE-10 100 5 Óleo SAE-10 120 3 Óleo SAE-30 20 250 Óleo SAE-30 30 130 Óleo SAE-30 40 80 Óleo SAE-30 60 35 Óleo SAE-30 80 19 Óleo SAE-30 100 10 Óleo SAE-30 120 6,5 Óleo SAE-90 40 250 Tetracloreto de carbono 20 0,612