O Departamento de Engenharia Química Diadema

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Universidade Federal de São Paulo – UNIFESP

Departamento de Engenharia Química

Diadema – São Paulo

 

Laboratório de Engenharia Química

RELATÓRIO - Experimento 3

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Diadema
2021

1        INTRODUÇÃO TEÓRICA

O objetivo deste experimento foi a calibração de um medidor de vazão Venturi. Portanto, se fez necessário a realização do cálculo da vazão volumétrica real e da vazão volumétrica teórica e para assim determinar um valor de coeficiente de descarga (Cd) que representa cada sistema analizado. Ainda, construiu-se um gráfico de Cd versus Re e um gráfico de vazão volumétrica real versus a perda de carga para cada sistema analisado.        

O medidor de vazão Venturi ou  tubo  de  Venturi, assim  como  o  próprio  nome  já indica,  foi  inventado  no  século XVIII  pelo  cientista  Giovanni  Battista Venturi.  Este é  um  aparato  criado  para  medir  a  velocidade  do  escoamento  e  a  vazão  de  um  líquido  incompressível, através  da  variação  da  pressão  durante  a  passagem  deste  líquido  por  um  tubo  de  seção mais  larga,  e  depois  por  outro  de  seção  mais  estreita. (FILHO, 2017)

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. (ANTUNES; NONATO; POIT, 2015)

O princípio de Bernoulli acontece considerando  um  fluido  incompressível,  irrotacional  e  não  viscoso  que  esteja escoando  através  de  uma  tubulação.  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  secção  transversal  reta  da tubulação  (que  se  caso  exista,  acarretará  variação  na  velocidade  do  fluído)  e  também uma variação na  altura  (entre  uma extremidade  e  outra). Observando  as Figura 1  e  2:

Figura 1 - Deslocamento do fluido no Venturi.

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Fonte: ANTUNES; NONATO; POIT, 2015.

Figura 2 - Deslocamento do fluido no Venturi.

[pic 4]

Fonte: ANTUNES; NONATO; POIT, 2015.

O  fluido  sofre  um  deslocamento  Δx1.  A quantidade  de  massa  Δm  possui  velocidade  v1.  Na  extremidade  direita  onde está a saída,  atua  uma força  F2 ,  produto  da  pressão  P2 pela  área  A2.  Esta  força  pode  ser  devido  ao  fluido existente à  direita  da  parte  do  sistema  que  está sendo analisado. Esta é  contrária  à  F1. Nesta  extremidade  o  fluído  se  movimenta  com  velocidade  v1  através  da  área  A1  de modo  que  uma  quantidade  de  massa  igual  a  Δm,  representada  pelo  azul  escuro,  que ocupava  o  volume  V1 delimitado  por  A1  e  Δx1  passe  a  ocupar  o  espaço  delimitando  um volume  V2, que  é  encerrado pela área  A2  e  o deslocamento Δx2. (ANTUNES; NONATO; POIT, 2015)

A equação 1 obtida pelo desenvolvimento deste fenômeno é

 (1)[pic 5][pic 6]

Considerando que o tubo não possui diferenças de elevação, podemos escrever a Equação de Bernoulli conforme a equação 2:

                                                                                        (2)[pic 7]

O Tubo de Venturi é um elemento primário gerador de depressão, uma vez que interage com o fluido com fundamentos físicos diretos, sem mecanismos intermediários (daí estar classificado entre os elementos deprimogênios). Sua função é criar uma diferença de pressão Δp que seja relacionada à vazão Q através de uma equação.

O funcionamento do tubo, como mencionado acima, ocorre devido à diferença de seção transversal. Como  a região central do tubo é menor que as demais, a velocidade do escoamento ao longo da região central do tubo será maior, o que resultará em um menor campo de pressão, devido a conservação da energia do sistema. Sendo assim, a diferença de pressão é registrada pela diferença de altura da coluna de líquido ao longo de um tubo em U. Esta diferença é utilizada para determinar a velocidade e vazão do escoamento.

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2        METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Para a realização do experimento "medidores de vazão", utilizou-se o simulador de medidor de vazão (venturímetro) da plataforma Virtual Labs, desenvolvido pelo National Institute of Technology Karntaka Surathkal (Students Online Laboratory Through Virtual Experientation). O experimento foi realizado em 3 tubos com diâmetros diferentes, sendo o primeiro de 50 mm, o segundo de 40 mm e o último de 20 mm, e 4 vezes para cada tubo. Para todos a metodologia foi a mesma. Primeiro escolheu-se o diâmetro do tubo e anotou-se o valor do comprimento. Em seguida, a simulação foi ativada e os valores das alturas dos dois ramos do manômetro (LL e RL) foram dadas pelo programa e assim calculou-se o valor da perda de carga (H) utilizando a fórmula

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Após isso, observou-se o fluxo de água pelo medidor Venturi e anotou-se os valores dados pelo simulador dos diâmetros D1 (diâmetro do         Venturi) e D2 (diâmetro da  garganta do Venturi), e das áreas A (área do tanque coletor), A1 (área do Venturi) e A2 (área da garganta do Venturi). Depois disso, a válvula de saída do tanque coletor foi fechada e o tempo (t) até que a água alcançasse a altura (h) de 5 cm foi medido. Então, o valor da vazão volumétrica de descarga teórica (Qth), a vazão volumétrica de descarga real (Qact) e o coeficiente de descarga do Venturi (Cd) foram calculados a partir das seguintes fórmulas: