MEDIÇÃO DE VAZÃO: UM COMPARATIVO ENTRE TUBO DE VENTURI E VERTEDOR DE DUPLA CONTRAÇÃO

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA

CENTRO DE TECNOLOGIA - CT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL

DISCIPLINA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS

MEDIÇÃO DE VAZÃO: UM COMPARATIVO ENTRE TUBO DE VENTURI E VERTEDOR DE DUPLA CONTRAÇÃO

Santa Maria, Julho de 2018

1. INTRODUÇÃO

1.1 Princípio de Bernoulli

Considera-se que um fluido incompressível, irrotacional e não viscoso esteja escoando através de uma tubulação por ação de uma bomba e desprezando as perdas de carga. Nesse caso existem três fatores que podem interferir no escoamento do fluido em questão: a pressão que age nas extremidades da tubulação (que podem variar de uma para a outra), a variação na área de seção transversal reta da tubulação (que se caso exista, acarretará na variação na velocidade do fluido) e também uma variação na altura (entre uma extremidade e outra).

1.2 Medidor de Venturi

Idealizado por Giovanni Battista Venturi, o chamado tubo de Venturi (Figura 1), é um equipamento que indica a variação da pressão de um fluido em escoamento em regiões com áreas transversais diferentes, este é constituído por uma entrada cilíndrica, de uma seção convergente (cone de entrada), uma segunda região cilíndrica (garganta ou estrangulamento) e um cone divergente (difusor). Após este último cone, há um encaixe com a tubulação normal. As tomadas de pressão são colocadas na entrada e na garganta, ambas situadas no meio de cada parte cilíndrica do medidor conforme figura abaixo. Onde a área é menor, haverá maior velocidade, assim a pressão será maior. Da mesma forma onde a área é maior haverá menor velocidade, assim a pressão será menor.

Figura 1: Medidor de Venturi

Fonte: https://hernanleon1002.wordpress.com/fisica-de-fluidos-y-termodinamica/segundo-corte/marco-teorico/efecto-venturi/

Este efeito é explicado pelo princípio de Bernoulli e no princípio da continuidade da massa. Se o fluxo de um fluido é constante, mas sua área de escoamento diminui então necessariamente sua velocidade aumenta. Para o teorema a conservação da energia se a energia cinética aumenta, a energia determinada pelo valor da pressão diminui.

1.3 Vazão

Vazão é a quantidade de líquido que passa através de uma seção por unidade de tempo. A quantidade de líquido pode ser medida em unidades de massa, de peso ou de volume, sendo estas últimas as mais utilizadas.

A vazão pode ser determinada a partir do escoamento de um fluido através de determinada seção transversal de um conduto livre (canal, rio ou tubulação aberta) ou de um conduto forçado (tubulação com pressão positiva ou negativa).

1.4 Vertedores

Os vertedores (Figura 2) são instrumentos hidráulicos que tem por finalidade a medição da vazão em cursos d'água naturais e em canais construídos, assim como no controle do escoamento em galerias, canais e barragens. Muitos vertedores são retangulares: os vertedores submersos sem contração alguma, geralmente usados para grandes escoamentos, e vertedores contraídos, para pequenos escoamentos.

A borda horizontal denomina-se crista ou soleira. As bordas verticais constituem as faces do vertedor. A carga do vertedor, H, é a altura atingida pelas águas, a contar da cota da soleira do vertedor. A largura do vertedor é L.

Figura 2: Vertedor.

Fonte: http://www.esalq.usp.br/departamentos/leb/disciplinas/Fernando/leb472/Aula_12/Aula%2012%20-%20Vertedor%20retangular%20com%20contra%E7%F5es%20laterais.png

Os vertedores podem ser definidos como paredes, diques ou aberturas sobre as quais um líquido escoa, basicamente são estruturas formadas pela abertura de um orifício na parede de um reservatório, na qual a borda superior atinge a superfície livre do líquido, havendo assim escoamento através da estrutura formada.

2. METODOLOGIA

No dia 15 de junho de 2018, realizou-se uma aula prática no laboratório de Mecânica dos Fluidos e Hidráulica, com o objetivo de realizar a medição das vazões em um vertedor retangular de dupla contração (figura 3) e em um tubo de venturi (figura 4), com o intuito de comparar os resultados obtidos através dos dois métodos experimentados. A turma foi dividida em grupos de 6 pessoas para observação e realização dos testes. O sistema era formado por um reservatório conectado a uma bomba, controlado por um registro, possuindo 3 saídas, sendo que duas delas eram mantidas fechadas e a outra era um tubo de venturi, o qual estava conectado a um manômetro de mercúrio. Realizou-se 3 medições alterando a vazão através do registro, ao notar a estabilização do sistema, em cada ciclo, eram registrados os valores de pressão visual no manômetro e a altura do vertedouro.

A partir dos dados obtidos (tabela 1), utilizou-se a equação de Francis para vertedores sem contrações laterais para o cálculo da vazão

Onde, Q é a vazão em m³/s;

L é a largura do vertedouro em m;

H é a altura do vertedouro em m.

A largura do vertedor era de 15 cm e H variou conforme a vazão aumentava.

A diferença de pressão foi medida pelo manômetro em “U”, ligado em dois pontos do tubo de Venturi, o primeiro no diâmetro maior, de 77,93mm, e o segundo no diâmetro menor de 42,5mm. Os resultados foram obtidos para as três vazões diferentes e pela equação abaixo