Análise de Vazão com Placa de Orifício: Escoamento Turbulento e Laminar, Trabalhos de Práticas e Gestão de Laboratórios

Baixe Análise de Vazão com Placa de Orifício: Escoamento Turbulento e Laminar e outras Trabalhos em PDF para Práticas e Gestão de Laboratórios, somente na Docsity! UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA Laboratório de Engenharia Química I (216/02) Calibração de Placa de Orifício Giovana Beatriz Frigato Barbosa, RA 123780 Guilherme Castanho de Andrade, RA 124047 Guilherme Piovesan Pereira, RA 125109 Juan Garcia Binatti, RA 124816 Pedro Henrique Schmoeller Bacurau, RA 123812 Rodrigo Norio Ito, RA 125508 Professora: Bruna Gonçalves de Souza Setembro de 2023 Maringá – PR 1. Introdução As placas de orifício são instrumentos importantes e muito empregados na indústria, pois promovem a redução da seção transversal para se obter a vazão, ou seja, restringem a tubulação onde a medição é realizada. Tal restrição é provocada pelo orifício feito em uma placa de pouca espessura e aplicada no tubo, de modo que o fluxo é obrigado a mudar de velocidade, obtendo-se um diferencial de pressão como consequência. Os métodos de medição de vazão através de dispositivos do tipo orifício geradores de pressão diferencial são os mais empregados pela indústria. O uso em larga escala de métodos se deve a instalação e manutenção fáceis em razão de sua geometria simples, de boa confiabilidade e de baixo custo. Em determinadas indústrias, esses dispositivos representam a principal parte dos sistemas de vazão, sendo empregados nas mais variadas funções de medição e controle. Em relação ao escoamento interno, há duas classificações de perfil de velocidades: laminar e turbulento, e uma fase de transição entre eles. O escoamento é denominado laminar quando ele é caracterizado por movimentos ordenados e pela formação de camadas paralelas. Já o escoamento turbulento é caracterizado pelo movimento desordenado das partículas. Figura 1: Perfil da velocidade laminar e turbulento Fonte: [1]. 1 Sendo C=Cd .√ 1 1− d2 D2 e isolando o C na equação (10): C= Q A2 .√2. P1−P2 ρ (11) onde C é o coeficiente de vazão da placa de orifício. O número de reynolds é calculado pela seguinte fórmula: ℜ=D<v>ρ μ (12) Para escoamento compressível, usa-se equações diferentes das usados em escoamento incompreensível, ou seja, sem a consideração de incompressibilidade, tem-se as equações: v2= 1 √1−(D2 D1 )❑4 .√ 2(P1−P2) ρ (13) Para desconsiderar escoamento ideal, coloca-se o coeficiente de descarga Cd : v2= Cd √1−( D2 D1 )❑4 .√ 2(P1−P2) ρ (14) A vazão total é dada pela seguinte equação: Q=v2 π D 2 2❑ 4 (15) Para medir a vazão mássica do escoamento com característica de compressível usa-se a equação: 4 m= Cd A2 γ √1−( D2 D1 )❑4 .√2(P1−P2) ρ1 (16) Durante o experimento, usa-se um tubo cilíndrico, cuja área pode ser calculada pela equação (17) A=π D2 4 (17) 4. Materiais ● Tubo de pitot, inclinado ● Tubulação longa ● ventilador centrífugo ● placa de orifício (coeficiente de vazão = 0,676 e Diâmetro = 0,45) ● Manômetro em U ● Água destilada ● Termômetro ● Paquímetro 5. Metodologia A Montagem experimental é feita com a tubulação retilínea conectada a um ventilador centrífugo. Ao longo da tubulação são instalados os dispositivos para as práticas da disciplina, incluindo a placa de orifício e o pitot utilizados nesse procedimento. O manômetro em U estava disposto verticalmente sobre uma escala graduada e suas duas extremidades foram conectadas à placa de orifício por meio de mangueiras, sendo um ponto antes e outro logo após o estrangulamento. O tubo pitot foi acoplado a uma placa graduada com papel milimetrado, e associada a um painel que permite ajustar a inclinação do tubo para um valor conhecido. Este também foi conectado à tubulação em um ponto antes da placa de orifício, também 5 por uma mangueira. Tanto a coluna inclinada do pitot quanto o manômetro foram preenchidas com água destilada. Foram determinadas a pressão atmosférica e a temperatura local na tubulação, mantendo as devidas válvulas fechadas e a válvula de saída do sistema totalmente aberta, de modo que não houvesse reação no manômetro. Uma vez acionado o ventilador centrífugo, determinou-se a vazão mínima e máxima para o experimento, utilizando as diferenças nas colunas de líquido do manômetro. Além disso, foi definida a inclinação do tubo de pitot que permitisse uma variação aferível na coluna de líquido, permitindo assim a quantificação das vazões de ar através da tubulação. Dessa maneira, observa-se o deslocamento da coluna de líquido, e em obtém-se indiretamente a variação da coluna de líquido, conforme figura 2. Figura 2 - Representação do tubo de Pitot utilizado Fonte: IOPE, 2022.[2] Após definidos estes valores de referência, a válvula de saída do sistema foi fechada até se atingir a vazão mínima. A diferença da altura das colunas do manômetro foram aferidas, bem como a variação do líquido no Pitot. Repetiu-se o processo para 3 vazões de ar diferentes. 6. Resultados e Discussão Primeiramente, obteve-se os dados que serão utilizados nos cálculos posteriores, apresentados na Tabela 1. Tabela 1 - Dados experimentais para Placa de Orifício. ρH 2O a 25°C (Kg/m3) 1000 6 Vazão mínima Vazão intermediária Vazão máxima C 2,9626 2,2994 2,6022 Re 78822,2 138821,23 176190,85 Fonte: Os próprios autores. Podemos observar que os valores dos coeficientes de vazão apresentaram um valor muito alto comparado com o correto, o qual seria um valor menor que 1. Isso se dá ao fato do fluido utilizado no experimento ser compreensível e as equações utilizadas consideram um fluido incompressível. Dos resultados da Tabela 5, gerou-se o seguinte gráfico de calibração da placa de orifício, de função polinomial y=a+bx+cx ². Gráfico 1 - Gráfico de Re x C. Fonte: Os próprios autores. Após um ajuste polinomial, determinou-se que: a=5,987 b=−5,387×10−5 c=1,967×10−10 7. Conclusão 9 Os resultados obtidos apresentaram valores próximos dos esperados, ressaltando que o tubo de Pitot encontrava-se na entrada do tubo para fins didáticos, em que os alunos poderiam observá-lo, mas o correto é que seja feita a medição em um local onde o escoamento já tenha um perfil de velocidade definido. Outra ressalva que deve ser feita e que mesmo sendo feita a consideração de que o fluido escoando fosse incompressível, utilizar um fluido compressível como o ar permitiu a caracterização do regime de escoamento, bem como permitiu quantificar os valores das vazões e seus respectivos coeficientes, não apresentando um valor efeito para o coeficiente de vazão. Conclui-se que o método utilizado para determinação da vazão é viável, apenas atentando-se para o manuseio e calibração corretos dos equipamentos para evitar discrepâncias nos valores obtidos. 8. Referências [1] ÇENGEL, Yunus A. Mecânica dos Fluidos. [S. l.: s. n.], 2007. [2]IOPE-INSTRUMENTOS DE PRECISÃO. Manômetro de tubo inclinado com reservatório. Disponível em <http://www.iopeservice.iope.com.br/p_pres_man_vac_d.php> Acesso em 23/09/2023. 10