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Faculdade de Engenharia Mecânica Departamento de Energia EM – 847 – LABORATÓRIO DE CALOR E FLUíDOS AFERIÇÃO DE MEDIDORES DE VAZÃO POR OBSTRUÇAO DE AR OF9 p A experiência trata da aferição de medidores de vazão por obstrução de área. Estes medidores são aplicados para medir escoamentos de fluidos em tubulações. Entre os medidores de vazão por obstrução de área estão os medidores Venturi, a placa de orifício e o bocal. Uma abordagem mais detalhada dos fenômenos do escoamento que ocorrem nestes medidores pode ser encontrada nas referências [1] e [2].

Em tais dispositivos a vazão é obtida medindo-se a diferença de ressão do escoamento do fluido entre seções convenientes do escoamento. Isto é, a diferença de pressão duas seções do escoamento no medidor é proporcional à vazão que escoa por ele. A diferença de pressão é produzida por efeitos inerciais – a aceleração do escoamento devido à obstrução do escoamento (por exemplo, a redução de área da garganta do venturi) – e viscosos, isto é, a perda de carga. do escoamento.

Combinando a Equação de Bernoulli com a Equação de Conservação da Massa, obtemos a equação destes medidores para o escoamento idealizado incompressível: Pl/pg + V12/2 – pupg + V22/2 VIAI = V2A2 Pic] onde: [pic]teorica ( vazão mássica teórica, [kg/s]; Aobstruçao ( área da seção transversal da obstrução, [m2]; p = (d/D) ( razão dos diâmetros das seções 1 e 2 [mim] ( densidade do fluído [kg/m3] g ( aceleração da gravidade [m/s2] ap = (pl – p2) ( diferença de pressão entre as seções 1 e 2, (há seções de medida recomendadas para cada tipo de medidor).

A Equação (3) fornece um valor de vazão proporcional ? diferença de pressão, a qual resulta da aceleração do escoamento entre as seções de medida. Note, entretanto, que o valor real da diferença de pressão, isto é, o valor medido, contempla também feitos viscosos e efeitos inerciais adicionais. Assim, o valor de ap medido é superior àquele resultante da aceleração do escoamento devido à redução de área entre 1 e 2 (da Equação de Bernoulli).

A diferença é proveniente de fenômenos tais como a perda de carga (efeito viscoso), a formação da vena contracta (efeitos inerciais) e mesmo o posicionamento das tomadas de pressão estática. A título de ilustração, as Figuras 2 e 3 mostram visualizações do escoamento em um bocal e em uma placa de orifício. No bocal, ressalta-se a diferença entre escoamentos lento e rápido. Note a formação marcante de vórtices estacionári ressalta-se a diferença entre escoamentos lento e rápido.

Note a formação marcante de vórtices estacionários no bocal da Fig. (25), quando a velocidade do escoamento é elevada. O mesmo pode ser observado no escoamento através do orifício da placa, na Fig. (3). Neste caso específico, note a formação da vena contracta no escoamento após o orifício. Se a vazão na Eq. (3) é calculada com o valor medido da diferença de pressão, diz-se que esta é a vazão teórica.

Para incorporar na equação geral os fatores que aumentam a iferença de pressão, isto é, que a tornam maior que aquela resultante da aceleração entre 1 e 2, usa-se o coeficiente de descarga Cd. Assim, a vazão real que escoa através do medidor de obstrução de área é o produto do coeficiente de descarga com a vazão teórica: [PiC] Ou seja, o coeficiente de descarga [picl é um adimensional, a razão entre a vazão real que escoa através do medidor e a vazão teórica calculada com a Eq. (3), quando a diferença de pressão entre 1 e 2 é o valor medido.

Consequentemente, a equação geral dos medidores de vazão por obstrução de área é escrita como: picl Pode-se mostrar, através de uma análise dimensional, que o coeficiente de descarga, [picl é função da densidade e da viscosidade do fluido, da vazão e de um diâmetro característico. Ou seja, depende do número de Reynolds do escoamento. Para o caso de um medidor instalado em uma tubulação, o número de Reynolds calcula-se como indicado na Eq- (4), podendo estar relacionado ao diâmetro d 3 Reynolds calcula-se como Indicado na Eq. 4), podendo estar relacionado ao diâmetro da obstrução (d) ou ao da tubulação (D): [pic] ou [picl [pic] Figura 2. Escoamento em um bocal divergente; lento (? squerda, velocidade 0,3 -0,4 m/s) e rápido (à direita, 1,5 – 2,0 m/ s); fluido: agua; ângulo divergente: 200; visualização: método dos traçadores. Reproduzido da Ref. [3]. Figura 3: Escoamento através de uma placa – orif[cio. Fluído: água; velocidade: 1. 4 m/s; Re = 4. 300. Visualização através do método das bolhas de hidrogênio. Reproduzido da Ref.

Na referência [2] são fornecidas equações detalhadas dos coeficientes de descarga de tipos diversos de medidores de obstrução de área, em função do número de Reynolds. A aferição de um medidor de vazão por obstrução de área onsiste justamente na determinação da sua curva de vazão (real) versus a diferença de pressão, (mreal versus ap). Ou, em uma representação adimensional, que generaliza a aferição do medidor, na determinação da curva de Cd versus o número de Reynolds, (Red versus cd). Estes, então, são os objetivos da presente experiência: aferir dois medidores de vazão, um venturi e uma placa de orifício.

Para aferir os medidores deve-se então medir e registrar a vazão em massa do escoamento e a respectiva diferença de pressão produzida pelo dispositivo. Para se obter uma curva de aferição, videntemente, vários valores de vazão devem ser aplicados. Para reforçar o conceito de diferença de pressão em o 4DF9 valores de vazão devem ser aplicados. para reforçar o conceito de diferença de pressão em obstruções, vamos medir também a perda de carga em um trecho do ecoamento que contém o medidor por obstrução de área.

A Idéia é distinguir a diferença de pressão produzida por efeitos viscosos (a perda de carga por atrito) da diferença de pressão total no medidor, que superpõe efeitos viscosos e inerciais (a aceleração provocada pela redução de área). 2. – Montagem Experimental A Figura 4 mostra um esquema da montagem experimental disponível no Laboratório, onde se tem instalados um medidor Venturi e uma placa de orif(c10. Estes medidores estão conectados a tubulações, as quais são alimentadas por um tanque de água com nível constante.

O nível constante no tanque garante um escoamento com vazão também constante através do medidor. Os medidores foram instalados atendendo as condições da norma ASME, com mais de 40 diâmetros livres à montante e 10 diâmetros livres à jusante de qualquer singularidade (cotovelos, válvulas, etc) da tubulação. Os requisitos da norma visam inimizar efeitos indesejáveis no escoamento (deformação de linhas de fluxo, vorticidade, etc) induzidos por singularidades. Cada um dos medidores tem tomadas de pressão adequadamente posicionadas, segundo norma própria.

As diferenças de pressão são medidas por manômetros apropriados (na montagem atual, manômetros tipo U, manômetro de poço, inclinado, e sensores eletrônicos de pressão). Na saída da seção de teste da tubulação existe um diversor de fluxo que permite desviar o f S pressão). fluxo que permite desviar o fluxo de água para o reservatório de sucção da bomba ou para o tanque-coletor, instalado sobre uma alança. O desvio do fluxo para o tanque-coletor permite a determinação da vazão real que escoa através do medidor.

Cronometra-se o tempo que uma certa massa de água é descarregada sobre o tanque-coletor, a qual é pesada pela balança. Assim, a vazão real em massa que escoa pelo medidor (7) [pic]massa de fluído coletada no tanque [kg] a[pic] tempo da coleta [s] 3. – Características Físicas do Sistema: Placa de orifício: Material: aço inox 316 Diâmetro interno da tubulação: 45,1 mm Diâmetro do orifício: 28,7 mm Características do orifício: “bordas retas”, Posicionamento das tomadas de pressão: 1 De h D

Venturi: Material: nylon Diâmetro interno da tubulação: 54,4 mm Diâmetro da garganta: 30,7 mm Características da garganta: seção convergente – divergente de Tomadas de pressão: à montante e na garganta, por anel piezométrico. Manômetros: laboratório. 1. — Antes de iniciar qualquer procedimento de teste, observe a montagem do experimento e procure entender a função dos vários dispositivos do conjunto; 2. – Duas válvulas do conjunto devem ficar permanentemente abertas (a que permite a passagem da água da descarga da bomba para o tanque superior, e a do dreno do tanque, # 8 na Fig. ). As manoplas destas válvulas foram retiradas para que não sejam operadas. Certifique-se que todas as outras válvulas do sistema estejam fechadas; 3. — Ligue bomba e certifique-se que há alimentação de água para o tanque superior (quando o tanque superior estiver cheio, haverá retorno para o tanque de sucção da bomba através da linha de retorno); 4. — Quando o tanque superior estiver cheio, abra as válvulas adequadas para alimentar o medidor que será ensaiado inicialmente (o venturi); 5. ?? Deixe que a água escoe por um pequeno intervalo de tempo através da tubulação e do medidor e verifique (teste) funcionamento do diversor e da válvula na extremidade da tubulação. 6. – Verifique a operação da balança e do cronômetro fornecido e estabeleça um procedimento de medida do peso da água acumulada no tanque-coletor; 7. -. Agora é o momento de retirar as bolhas de ar das mangueiras dos manômetros (eventuais bolhas de ar Irão provocar erros de medida da diferença de pressão! ); 8. O equipamento está p realização dos ensaios. vazão máxima e uma vazão mínima que você vai estabelecer (em função da resolução do manômetro utilizado), e as respectivas pressões diferenciais. Estabeleça com os companheiros o tempo ínimo de armazenamento de água no tanque coletor (ou a massa de água coletada), com base em um critério racional (incerteza da medição da vazão real? ); 9. -Meça a temperatura da água utilizada nos testes (esta é a temperatura de referência para a aferição dos medidores); 10. Para ensaiar a placa de orifício, repita os procedimentos desde o item 5, sem esquecer de fechar a válvula que alimenta o venturi; 11. — Quando estiver aferindo a placa de oriffcio, meça também a diferença de pressão entre as duas seções do escoamento que contêm a placa (há um manômetro U com mercúrio conectado às omadas de pressão). Procedimento de parada: 1. Certifique – se que todas as válvulas estejam fechadas (a menos das duas válvulas sem manoplas); 2. Desligue a bomba. 5. – Relatório 1.

Apresente numa planilha os valores medidos da diferença de pressão nos medidores e na seção que tem a placa de orifício, e os respectivos pesos de agua coletada e tempos de medição, nas unidades de medição; 8 apresente também a coluna de perda de carga através da placa; (c) apresente na planilha a incerteza das variáveis, medidas e calculadas (utilize o conceito de propagação de incerteza). As variáveis devem ter unidades do SI (nao se esqueça de equacionar os manômetros); 3. Correlacione a vazão dos medidores com a diferença de pressão.

Apresente a curva juntamente com os dados experimentais (inclua a incerteza da medida). Correlacione o coeficiente de descarga dos medidores com o número de Reynolds. Apresente a cuwa juntamente com os dados experimentais (inclua a incerteza da medida). Se não for possível obtê-la, informe um valor médio adequado, juntamente com a faixa de variação do número de Reynolds para a qual ele é válido; 4. Verifique a consistência entre as correlações obtidas e os undamentos; 5. Procure na literatura valores do coeficiente de descarga de placas de orifício e compare com o obtido na experiência; 6.

Faça uma análise geral do experimento realizado e dos resultados obtidos. 6. – Bibliografia [1]. – Fox, Robert W. and McDonald, Alan T. ; “Introdução ? Mecânica dos Fluídos”, Edit. Guanabara DOiS, 1981. [2] . -Benedict, R. P. ; “Fundamentals of Temperature, Pressure and Flow Measurements”, Edit- John Wiley and Sons, 1977. [3] Japan Society of Mechanical Engineers, “Visualized Flow”, Edit. pergamon press, 1988. [4] – Rosa, E. S. e Nebra, S. A. Apostila do curso de Instrumentação e Medidas g