Vazão mássica e vazão volumétrica

Tabela de conteúdo:

• Você saber o que é medição de vazão?
• Vazão Volumétrica
• Vazão mássica
• Número de Reynolds
• Perfil de vazão – Vazão laminar e Vazão turbulenta
• Leis dos gases, volumes padrão e vazão mássica dos gases
• Medição de vazão volumétrica e vazão mássica com medidor de vazão eletromagnético
• Medição de vazão em polpa de minério. Qual medidor de vazão mássica utilizar?
• Qual o medidor de vazão mássica mais indicado para medição de vazão de gás natural?

Você sabe o que é medição de vazão?

Para ajudar e exemplificar, utilizarei um exemplo bem prático sobre o assunto. Todos nós recebemos a conta do consumo de água em casa, certo?

Todos os meses, você paga o consumo relativo ao mês, e dentro disso temos a água que você bebe, cozinha, toma banho, lava a louça, etc.  

A empresa que administra o fornecimento de água na sua cidade precisa ter controle do quanto você está consumindo. Para isso, é necessário instalar em sua casa um medidor de vazão, aquele hidrômetro que geralmente fica instalado na área externa da casa. 

Exemplo prático de medição de vazão

Como isso funciona? Imagine que você precise lavar a louça em sua casa. Quando a torneira está fechada, você tem vazão zero. Isso quer dizer que o hidrômetro não está medindo nada, já que não há  fluxo de água dentro da tubulação ou ele está em repouso.

Ao abrir a torneira, o medidor inicia a medição do fluxo de água na tubulação. Todos os meses, a companhia de água verifica o consumo total de água no hidrômeto, ou seja, o valor totalizado de vazão.

É possível fazer não só a medição de  vazão de líquidos, mas também a vazão de gases.

Agora, mais um exemplo do nosso dia a dia! Alguns prédios já possuem gás encanado e o consumo é medido através de um medidor de vazão para gás.

Resumindo, a medição de vazão é a quantificação da quantidade do fluído em movimento em uma determinada área em tempo determinado. 🙂

Vazão volumétrica

Quando falamos em vazão volumétrica,  falamos da medição do volume de fluídos que passam por uma área específica em um período de tempo específico.

Além disso, precisamos lembrar que existem variáveis externas, como a temperatura, que podem afetar o volume. Sendo assim, pode ser necessário acrescentar essas variáveis externas neste cálculo.

Medimos a vazão volumétrica utilizando unidades como metros cúbicos por segundo e hora (m³ / s, m³ / h) ou litros por segundo e hora (l / s, l / h).

Você pode calculá-lo usando a velocidade do fluxo e a seção transversal de um tubo ou o volume conhecido ao longo do tempo.

Segue algumas equações para lhe ajudar a entender melhor este tópico 🙂

Qv = v x A

• Qv = Vazão volumétrica
• v = Velocidade da vazão
• A = área da seção transversal

Qv = V/t

• Qv = Vazão volumétrica
• V = Volume
• t = Tempo

Vazão mássica

Quando temos fluídos voláteis, isto quer dizer que eles se expandem facilmente com a mudança de temperatura. Precisamos utilizar o cálculo para vazão mássica,  ao invés da vazão volumétrica, já que ela fornece uma medida mais precisa.

Desta forma, podemos dizer que a vazão mássica é responsável por medir a massa de um fluído ou o gás que passa por uma área em um período de tempo específico.

Quando falamos de vazão mássica, a unidade padrão é quilogramas por segundo (k/s). Você pode calculá-lo com a velocidade do fluxo e a densidade do fluído ou ainda, com a massa do fluído ao longo do tempo.

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Aqui estão as equações que irão te ajudar, com certeza!

Qm = ρ x v x A

• Qm = vazão mássica
• ρ = densidade
• v = velocidade da vazão
• A = área da seção transversal

Qm = m/t

• Qm = vazão mássica
• m = massa do fluído
• t = tempo

Número de Reynolds

Um fato importante é que o número de Reynolds não tem unidades para medir. O que isso quer dizer? Quer dizer que isto é um número adimensional. Em mecânica dos fluídos, (você deve amar essa aula..haha) utilizamos Reynolds para determinar o perfil da vazão.

Por exemplo, é possível determinar se a vazão é uma vazão laminar ou vazão turbulenta, mas isso depende de diversos fatores.

Quando o número de Reynolds é menor que 2300, indica que temos uma vazão laminar, ou seja, quando maior que 4000 o perfil de vazão é um perfil turbulento.

Existem alguns medidores de vazão que precisam de um número mínimo de Reynolds para medir, como os medidores de vazão do tipo Vortex. Outro ponto muito relevante dos números de Reynolds é que ele pode dizer as chances de cavitação em seu processo.

Aqui está a equação para calcular o número de Reynolds de um fluído em um tubo.

Onde:

• D_H = Diâmetro hidráulico do tubo (m)
• Q = Vazão volumétrica (m³/s)
• A = Área transversal (m²)
• u = Velocidade média do fluído (m/s)
• μ = Velocidade dinâmica do fluido (Pa·s = N·s/m² = kg/(m·s))
• ν (nu) = viscosidade cinemática (ν = μ/ρ) (m²/s)
• ρ = densidade do fluído (kg/m³)

Perfil de vazão – Vazão laminar e Vazão turbulenta

Quando já dito no número Reynolds, identificamos dois tipos de perfis de vazão – o laminar e turbulento. No entanto, quando os perfis ocorrem ao mesmo tempo, chamamos de vazão de transição.

Então, para entendermos o tipo de perfil de vazão que temos, precisamos calcular o número de Reynolds.

• Laminar: Re <2300
• Transitório: 2300 < Re < 4000
• Turbulento: 4000 < Re

Normalmente, a vazão laminar acontece com uma baixa velocidade do fluxo ou em uma tubulação pequena. A vazão laminar é ordenada e tem uma velocidade constante em qualquer ponto dentro do fluído.

Quando falamos da vazão turbulenta, isso que dizer que temos fluxo em alta velocidade e tubos maiores. Normalmente, a vazão turbulenta é mais caótica e criará redemoinhos.

Agora, quando falamos da vazão transitória, isso quer dizer que temos uma vazão laminar nas bordas dos tubos e redemoinhos no meio.

Leis dos gases, volumes padrão e vazão mássica dos gases

Por mais que esse assunto seja um pouco mais básico, é sempre importante rever o conhecimento básico sobre vazão de gases.

Quando estamos dimensionando um novo medidor de vazão, é importante saber a diferença entre um gás ideal e um gás não ideal, entendendo também a diferença que eles podem pode fazer na medição.

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Leis dos gases

Para começar, vamos falar sobre as leis dos gases. Essas leis são responsáveis por apresentar como um gás se comporta, caso ele seja um gás ideal. Diferentes tipos de gases podem se comportar de forma semelhante e as leis são baseadas neste fato.

Desta forma, o comportamento desses gases dependerá do seu volume, temperatura e pressão.

Nós falamos leis, pois 3 cientistas foram os responsáveis por descobrir uma parte da equação, Robert Boyle, Jacques Charles e Amedeo Avogadro.

Mais tarde, Émile Clapeyron combinou a lei de Boyle, a lei de Charles e a lei de Avogadro no que hoje é conhecido como a lei do gases ideais:

P.V =  .R.T

• P = Pressão
• V = Volume
• T = Temperatura absoluta
• = Número de mols da amostra gasosa
• R = Constante universal dos gases perfeitos

Volume padrão

O volume padrão é um estado específico de gás sob uma determinada pressão e temperatura. Sendo o volume um mol de um gás ideal a 20 graus Celsius a uma pressão atmosférica.

Vazão mássica dos gases

Por último, vamos falar da vazão mássica dos gases. Como já sabemos, os gases variam de volume de acordo com as mudanças de temperatura ou pressão.

Calcular a vazão volumétrica de um gás lhe daria uma leitura diferente para a mesma quantidade de gás em diferentes condições. Portanto, quando falamos de medição da vazão de gás, você geralmente usa a vazão mássica.

Medição de vazão volumétrica e vazão mássica com medidor de vazão eletromagnético

Os medidores de vazão eletromagnéticos geralmente usam medição de vazão volumétrica. Mas você pode converter a medição do medidor magnético de volume em massa. Para isso, precisamos analisar como a densidade no seu processo se comporta.

Os valores de densidade mudam ou sempre permanecem os mesmos no seu processo? 

Caso o medidor de vazão magnético seja configurado com uma densidade fixa e ela mudar. Teremos um erro na medição de vazão, pois a vazão do medidor não refletirá a realidade.

Mas existem alguns modelos de medidores de vazão magnéticos que podem receber 4-20 mA de outro dispositivo. Assim, você pode ter um medidor de densidade enviando dados para o medidor de vazão. Esta instalação permite que o medidor corrija a medição com base na densidade online.

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Empresas de mineração possuem diversos medidores de vazão eletromagnéticos instalados com densímetros para este tipo de medição. Um fato interessante é que o medidor de densidade nessa aplicação normalmente é um medidor por radiação gama. 

Mas dependendo da sua aplicação, um Coriolis pode resolver o problema sem a necessidade de um medidor extra.

Medição de vazão em polpa de minério. Qual medidor de vazão mássica utilizar?

Diversos fornecedores oferecem medidores de vazão eletromagnéticos especificamente desenvolvidos para polpas abrasivas. Neste tipo de aplicação, o grande desafio está relacionado à abrasão.

Por conta disso, estes medidores de vazão trabalham com diferentes tipos de revestimento e eletrodos específicos para prolongar a vida útil dos medidores de vazão.

Quando é feito o dimensionamento de um medidor magnético de vazão para esse tipo de uso, deve-se prestar atenção à velocidade do fluído. Mas por quê isso? Uma alta velocidade aumentará a abrasão, diminuindo a vida útil do seu medidor de vazão.

Outra opção seria os medidores de vazão ultrassônicos para polpa. Estes medidores são montados externamente à tubulação não sofrendo com a abrasão. No entanto, o investimento neste tipo de solução é muito maior do que os medidores de vazão convencionais.

Qual o medidor de vazão mássica mais indicado para medição de vazão de gás natural?

Uma aplicação de vazão de gás não é complexa. Dito isso, algo que você deve ter em mente ao escolher um medidor para este tipo de aplicação é a precisão da solução.

Sem clichê, a melhor alternativa aqui é implementar um medidor de vazão Coriolis. O medidor de vazão Coriolis trará muitas vantagens relacionadas à instalação e um alto nível de precisão.

O lado negativo é que o Coriolis é um dos medidores de vazão mais caros. Nesse caso, seu orçamento pode ser um fator decisivo ao decidir usar um Coriolis ou se você precisar escolher um princípio diferente de medição.

Mas pensando-se em custo x benefício – vale muito a pena! 😉

A segunda opção, é usar um medidor de vazão termal. O medidor de vazão termal possui grande semelhança com o medidor de vazão Coriolis. Ele é um medidor de vazão mássica, além de uma solução padrão em um sistema de monitoramento de energia.

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A precisão não será a mesma que a do medidor de vazão Coriolis. No entanto, o custo de implementação será menor que a do Coriolis.

Existem outras possibilidades, e afirmo: Sempre olhe o custo x benefício de cada uma delas durante o dimensionamento.

O que achou deste artigo? Qual a sua experiência com medidores de vazão? Deixe seu comentário, compartilhe o artigo e nos segue lá no LinkedIn! Vamos ajudar nossos colegas a entender mais sobre medição de vazão! Até a próxima!