Departamento de Recursos Hídricos e Meio Ambiente

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  Universidade Federal do Rio de Janeiro

  Escola de Engenharia

  Departamento de Recursos Hídricos e Meio Ambiente

Disciplina: Mecânica dos Fluidos

Professor: Susana Vinzon

Aluna: Bruna Dalmacio

Data: 19/01/2016

Trabalho Prático

 Dispositivo para medir a pressão e velocidade – a Placa de Orifício e o Coeficiente de Descarga

1. A Placa de Orifício

Um dos dispositivos mais utilizados para medição de fluxos por obstrução é a placa de orifício (Figura 1). Ao restringirmos o escoamento interno de um fluido em uma tubulação com a placa de orifício, podemos determinar a velocidade e a vazão medindo a diferença de pressão através de um manômetro em U (por exemplo) entre pontos antes e depois da placa.

Normalmente, o conjunto é fixado entre flanges e os medidores de vazão de placa de orifício consistem de uma placa plana de metal com um orifício de diâmetro conhecido D. A placa provoca uma redução da seção do fluxo e é colocada entre dois anéis que contêm furos para tomada de pressão em cada lado. As tomadas de pressão a cada lado da placa são usadas para detectar a perda de carga.

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Figura 1 – A) Exemplo de Placa de Orifício localizada em uma tubulação; B) Ilustração esquemática de uma Placa de Orifício, com diâmetro D.

        As Placas de Orifício são de baixo custo, fácil instalação e de simples manuseio e manutenção. No entanto, provocam perda de carga no fluxo e possuem desgaste considerável da placa.  Existem três modelos, representados na Figura 2, o orifício segmentado: para fluidos laminados e com alta porcentagem de sólidos em suspensão; o orifício concêntrico: para líquidos, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão; e o orifício excêntrico: para fluidos com sólidos em suspensão que possam ser retidos e acumulados na base da placa.

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2. O Coeficiente de Descarga (Cd)

        

As perdas de carga no fluxo são causadas pela variação repentina na área do escoamento, proporcionada pela utilização da Placa de Orifício, o que também gera redemoinhos no fluido. Assim, o fator de correção Coeficiente de Descarga ou de Calibração (Cd) é adotado, determinado experimentalmente e possui valor menor que 1. As equações gerais estão representadas na Figura 3. O valor de Cd representa a razão entre resultados reais e resultados teóricos para a vazão, e depende da razão entre os diâmetros do orifício e do tubo (β = D/d) e do número de Reynolds (Re), variando com os pontos onde são medidas as pressões. Segundo a literatura técnica, Cd normalmente está entre 0,3 e 0,7 para a Placa de Orifício.                                  

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Figura 3 – Equações gerais para o Coeficiente de Descarga (Cd), Vazão mássica experimental e Vazão Mássica Teórica, respectivamente.

Segundo a referência literária de Jean Stolz, a seguinte equação pode ser usada para qualquer tomada de pressão:

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Nesta relação, D é o diâmetro da tubulação, L1 é a distância da tomada de pressão à montante e, L2, a distância da tomada de pressão à jusante da placa até a face montante da placa de orifício.

De acordo as referências literárias: R W. Miller.FlowMeasurementEngineeringHandbook. 3. ed. Nova Iorque McGraw-Hill, 1997 e Y. A. Çengel e J. M. Cimbala. Mecânica dos Fluidos – Fundamentos e Aplicações.1. ed. McGraw-Hill, 2007, os dados determinados experimentalmente para Cd são expressos através da equação abaixo:

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Para tomadas de pressão, Cd é medido logo antes e logo após a placa de orifício, com precisão de ±0,6% para  e . Em escoamentos com , o valor de Cd pode ser adotado como 0,61.[pic 9][pic 10][pic 11]

Os gráficos a seguir apresentam os dados dos Coeficientes de Descarga Cd em função dos valores de β e do número de Reynolds Re:

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1. A Variação da Massa Específica (ρ) e Viscosidade do Ar e da Água (µ) (em função da Temperatura (T) e Pressão (P))

A relação entre a massa específica (ρ) e a pressão (P) é obtida através da equação de Bernoulli, que também relaciona as velocidades no escoamento (V), nos pontos antes e depois da Placa de Orifício, a uma mesma altura (z):