Medidores de Vazão de Orifício, Bocal e Venturi

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Os medidores de vazão de orifício, bocal e venturi fazem o uso da Equação de Bernoulli para calcular a vazão do fluido usando a diferença de pressão através de obstruções na vazão.

 

Em um medidor de vazão baseado na Equação de Bernoulli , a pressão a jusante após uma obstrução será menor do que a pressão anterior. Para entender os medidores de orifício, bocal e venturi é necessário explorar a Equação de Bernoulli.

A equação de Bernoulli

Assumindo um fluxo horizontal (desconsiderando a menor diferença de elevação entre os pontos de medição), a Equação de Bernoulli pode ser modificada para:

p 1 + 1/2 ρ v 1 2 = p 2 + 1/2 ρ v 2 2                             (1)

Onde

p = pressão (Pa, psf (lb/ft 2 ))

ρ = densidade (kg/m 3 , slugs /ft 3 )

v = velocidade do fluxo (m/s, pés/s)

A equação pode ser adaptada ao fluxo vertical adicionando alturas de elevação :

p 1 + 1/2 ρ v 1 2 + γ h 1 = p 2 + 1/2 ρ v 2 2 + γ h 2                      (1b)

Onde

γ = peso específico do fluido (kg/m 3 , slugs/ft 3 )

h = elevação (m, pés)

Assumindo perfis de velocidade uniformes no fluxo a montante e a jusante – a Equação de Continuidade pode ser expressa como

q = v 1 A 1 = v 2 A 2                                   (2)

Onde

q = vazão (m 3 /s, ft 3 /s)

A = área de fluxo (m 2 , ft 2 )

Combinando (1) e (2) , assumindo A 2 < A 1 , obtém-se a equação “ideal”:

q = A 2 [ 2(p 1 – p 2 ) / ρ(1 – (A 2 / A 1 ) 2 ) ] 1/2                                  (3)

Para uma dada geometria (A) , a vazão pode ser determinada medindo a diferença de pressão p 1 – p 2 .

A vazão teórica q será na prática menor ( 2 – 40%) devido às condições geométricas.

 

A equação ideal (3) pode ser modificada com um coeficiente de descarga:

q = c d A 2 [ 2 (p 1 – p 2 ) / ρ (1 – (A 2 / A 1 ) 2 ) ] 1/2                                   (3b)

Onde

c d = coeficiente de descarga

O coeficiente de descarga c d é uma função do tamanho do jato – ou abertura do orifício – a

razão de área = A vc / A 2

Onde

A vc = área em “vena contracta” (m 2 , ft 2 )

 

” Vena Contracta ” é a área mínima do jato que aparece logo a jusante da restrição. O efeito viscoso é normalmente expresso em termos do parâmetro não dimensional Reynolds Number – Re .

Devido ao Benoulli e à Equação de Continuidade, a velocidade do fluido será máxima e a pressão mínima em ” Vena Contracta “. Após o dispositivo de medição, a velocidade diminuirá para o mesmo nível de antes da obstrução. A pressão recupera para um nível de pressão inferior à pressão antes da obstrução e adiciona uma perda de carga ao fluxo.

A equação (3) pode ser modificada com diâmetros para:

q = c d (π / 4) D 2 2 [ 2 (p 1 – p 2 ) / ρ (1 – d 4 ) ] 1/2                                       (4)

Onde

D 2 = orifício, venturi ou diâmetro interno do bocal (m, ft)

D 1 = diâmetro do tubo a montante e a jusante (m, pés)

d = razão de diâmetro D 2 / D 1

π = 3,14…

A equação (4) pode ser modificada para fluxo de massa para fluidos simplesmente multiplicando com a densidade:

m = c d (π / 4) D 2 2 ρ [ 2 (p 1 – p 2 ) / ρ (1 – d 4 ) ] 1/2                                     (5)

Onde

m = fluxo de massa (kg/s)

Ao medir o fluxo de massa em gases, é necessário considerar a redução de pressão e mudança na densidade do fluido. A fórmula acima pode ser usada com limitações para aplicações com mudanças relativamente pequenas de pressão e densidade.

A placa de orifício

O medidor de orifício consiste em uma placa de orifício plana com um orifício circular perfurado nela. Há uma tomada de pressão a montante da placa de orifício e outra logo a jusante. Existem em geral três métodos para colocar as torneiras. O coeficiente de um medidor depende da posição das torneiras.

 

  • Localização do flange – Localização da tomada de pressão 1 polegada a montante e 1 polegada a jusante da face do orifício
  • Localização ” Vena Contracta ” – Localização da tomada de pressão 1 diâmetro do tubo (real dentro) a montante e 0,3 a 0,8 diâmetro do tubo a jusante da face do orifício
  • Localização do tubo – Localização da tomada de pressão 2,5 vezes o diâmetro nominal do tubo a montante e 8 vezes o diâmetro nominal do tubo a jusante da face do orifício

O coeficiente de descarga – c d – varia consideravelmente com as mudanças na razão de área e o número de Reynolds . Um coeficiente de descarga c d = 0,60 pode ser considerado padrão, mas o valor varia notavelmente em valores baixos do número de Reynolds.

Coeficiente de Descarga – c d
Relação de diâmetro
d = D 2 / D 
1
Número de Reynolds – Re
10 4 10 5 10 6 10 7
0,2 0,60 0,595 0,594 0,594
0,4 0,61 0,603 0,598 0,598
0,5 0,62 0,608 0,603 0,603
0,6 0,63 0,61 0,608 0,608
0,7 0,64 0,614 0,609 0,609

A recuperação de pressão é limitada para uma placa de orifício e a perda de pressão permanente depende principalmente da razão de área. Para uma razão de área de 0,5 , a perda de carga é de cerca de 70 a 75% do diferencial do orifício.

  • O medidor de orifício é recomendado para líquidos limpos e sujos e alguns serviços de polpa.
  • A escalabilidade é de 4 para 1
  • A perda de pressão é média
  • A precisão típica é de 2 a 4% da escala completa
  • O diâmetro a montante necessário é de 10 a 30
  • O efeito de viscosidade é alto
  • O custo relativo é baixo

Exemplo – Fluxo de Orifício

Um orifício com diâmetro D 2 = 50 mm é inserido em um tubo de aço Sch 40 de 4″ com diâmetro interno D 1 = 102 mm . A relação de diâmetro pode ser calculada para

d = (50 mm) / (102 mm)

  = 0,49

A partir da tabela acima, o coeficiente de descarga pode ser estimado em aproximadamente 0,6 para uma ampla faixa do número de Reynolds.

Se o fluido for água com densidade de 1.000 kg/m 3 e a diferença de pressão sobre o orifício for de 20 kPa (20.000 Pa, N/m 2 ) – o fluxo de massa através do tubo pode ser calculado a partir de (5) como

m = 0,6 (π / 4) (0,05 m) 2 (1000 kg/m 3 ) [ 2 (20000 Pa) / (1000 kg/m 3 ) (1 – 0,49 4 ) ] 1/2     

   = 7,7 kg/s

 

Tamanho do Orifício
(mm)
Kv ( m3 / h)
0,8 0,02
1.2 0,05
1,6 0,08
2.4 0,17
3.2 0,26
3.6 0,31
4,8 0,45
6.4 0,60
8 1,5
9 1,7
13 3
16 4
18 4,5
19 6,5
25 11
32 15
38 22
51 41
64 51
76 86
80 99
100 150
125 264
150 383

 

Fonte: https://www.engineeringtoolbox.com/orifice-nozzle-venturi-d_590.html

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