Um dos conceitos básicos que todo engenheiro de planta deve dominar na medição do fluxo de vapor é compreender as características do fluido. Cada fluido tem um conjunto único de características e o mesmo se aplica ao vapor, incluindo densidade e viscosidade, tanto dinâmica como cinemática.
Neste artigo, vamos dar seguimento a como aumentar a eficiência da planta medindo o fluxo de vapor com o medidor de vazão correto desenvolvendo cada uma das características do fluido detalhadas abaixo:
Medição do fluxo de vapor: Densidade
A densidade (r) de uma substância é a massa (m) por unidade de volume (V) da substância, como mostrado na equação seguinte:
A densidade da água saturada e do vapor saturado varia com a temperatura. Isto pode ser visto na figura abaixo:
O densidade do vapor saturado aumenta com a temperatura (é um gás e é compressivo), enquanto o densidade da água saturada diminui com a temperatura (é um líquido em expansão). Nestas figuras vemos a densidade (r) da água saturada (rf) e do vapor saturado (rg) a diferentes temperaturas.
Medição do fluxo de vapor: Viscosidade dinâmica
A viscosidade dinâmica é a propriedade de resistência ao fluxo interno de um fluido. Se um fluido tiver uma viscosidade elevada (por exemplo, um óleo pesado), terá uma alta resistência ao fluxo. Além disso, um fluido altamente viscoso exigirá mais energia para movê-lo através do tubo do que um fluido com uma viscosidade mais baixa.
Existem várias maneiras de medir a viscosidade, incluindo a utilização de uma chave de torque fixada a uma pá e torcendo-a no fluido, ou a medição da taxa na qual um fluido cai através de um orifício. Uma simples experiência de laboratório escolar demonstra claramente a viscosidade e suas unidades: uma esfera pode cair através de um fluido sob a influência da gravidade. Medindo a distância (d) que cai e o tempo (t) que leva para a esfera cair, a velocidade (u) pode ser determinada.
A seguinte equação pode ser usada para determinar a viscosidade dinâmica:
Há três notas importantes a serem feitas:
- O resultado da equação acima é conhecido como a viscosidade absoluta ou dinâmica do fluido e é medido em segundos pascais. A viscosidade dinâmica também é conhecida como força viscosa.
- Os elementos físicos da equação dão um resultado em kg/m, contudo, as constantes (2 e 9) levam em conta tanto os dados experimentais como a conversão de unidades em pascal segundos (Pa s).
- Algumas publicações dão valores para viscosidade absoluta ou viscosidade dinâmica em centiPoise (cP), 1 cP = 10-3 Pa s.
Exemplo de viscosidade dinâmica na medição do fluxo de vapor
Uma esfera de aço (densidade 7800 kg/m3) de 20 mm de diâmetro leva 0,7 segundos para cair 1 m em óleo a 20oC (Densidade = 920 kg/m3). Determine a viscosidade onde:
Os valores da viscosidade dinâmica do vapor saturado e da água a diferentes temperaturas são indicados nas tabelas de vapor e podem ser vistos na figura seguinte:
Os valores para a água saturada diminuem com a temperatura, enquanto os valores para o vapor aumento saturado com a temperatura. Estamos olhando para a viscosidade dinâmica da água saturada (mf) e do vapor saturado (mg) a diferentes temperaturas.
Medição do fluxo de vapor: viscosidade cinemática
Ela expressa a relação entre a viscosidade absoluta (ou dinâmica) e a densidade do fluido, como mostrado na equação seguinte:
- Número Reynolds (Re)
Todos os fatores introduzidos acima têm um efeito sobre o fluxo de fluido nas tubulações. São todos tomados em conjunto numa quantidade sem dimensão para expressar as características de fluxo, ou seja, o número de Reynolds (Re), como mostrado na equação seguinte:
- Avaliação da relação do número de Reynolds
Para um determinado fluido, se a velocidade for baixa, o número de Reynolds resultante também será baixo.
Se outro fluido com densidade semelhante, mas com maior viscosidade dinâmica, for transportado à mesma velocidade, o número de Reynolds será menor.
Em um determinado sistema onde o tamanho da tubulação, a viscosidade dinâmica (e consequentemente a temperatura) permanecem constantes, o número de Reynolds será diretamente proporcional à velocidade. O fluido utilizado nos exemplos acima é bombeado a 20 m/s através de um tubo de 100 mm de diâmetro. Determinar o número Reynolds (Re) usando a seguinte equação, onde: r = 920 kg/m3 m = 1,05 Pa s
Olhando para o número Reynolds acima, pode-se ver que o fluxo está em uma zona laminar.
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A medição do fluxo de vapor com o caudalímetro certo aumenta a eficiência da instalação
