Medidores de Vazão

Medidas de vazão, expresso em termos da taxa volumétrica ou em velocidade de massa, são usadas em muitas aplicações, tais como controle de processo industrial, sistemas de abastecimento de uma cidade, sistema de dutos petrolíferos e sistemas de irrigação. Os fluídos envolvidos podem ser líquidos, gás ou uma mistura dos dois. O fluxo pode ser confinado ou fechado (como em um duto), semiconfinado (como em um rio ou um canal aberto), ou não confinado (como em um jato de líquido). Em cada caso muitos métodos de medidas de fluxo podem ser usados.
A quantidade total movimentada pode ser medida em unidades de volume ou em unidades de massa. A vazão instantânea é dada por uma das unidades acima, dividida por uma unidade de tempo.
TIPOS DE MEDIDORES DE VAZÃO:
Existem dois tipos de medidores de vazão, os medidores de quantidade e os medidores
volumétricos.
1. MEDIDORES DE QUANTIDADE
São aqueles que, a qualquer instante permitem saber que quantidade de fluxo passou mas não vazão
do fluxo que está passando. Exemplo: bombas de gasolina, hidrômetros, balanças industriais, etc.
- Medidores de Quantidade por Pesagem São utilizados para medição de sólidos, que são as
balanças industriais.
- Medidores de Quantidade Volumétrica São aqueles que o fluído, passando em quantidades
sucessivas pelo mecanismo de medição faz com que o mesmo acione o mecanismo de indicação.
São este medidores que são utilizados para serem os elementos primários das bombas de
gasolina e dos hidrômetros. Exemplo: disco nutante, tipo pistão rotativo oscilante, tipo pistão
alternativa, tipo pás, tipo engrenagem.

2. MEDIDORES VOLUMÉTRICOS
São aqueles que exprimem a vazão por unidade de tempo.
- Medição de Vazão por Pressão Diferencial
A pressão diferencial é produzida por vários tipos de elementos primários colocados na tubulação de forma tal que o fluído passa através deles. A sua função é aumentar a velocidade do fluído diminuindo a área da seção em um pequeno comprimento para haver uma queda de pressão. A vazão pode então, ser medida a partir desta queda. Um inconveniente deste tipo de medidor é a perda de carga que o mesmo causa ao processo, sendo a placa de orifício, o dispositivo que provoca a maior perda de carga.

PLACA DE ORIFÍCIO
Dos muitos dispositivos inseridos numa tubulação para se criar uma pressão diferencial, o mais simples e mais comum empregado é o da placa de orifício. Consiste em uma placa precisamente perfurada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação. É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque, se ficarem, imprecisas ou corroídas pelo fluído, a precisão da medição será comprometida. Comumente, são fabricadas com aço inox ou latão, dependendo do fluído.

Tipos de Orifícios
- Orifício concêntrico: Este tipo de placa é utilizado para líquidos, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão.
- Orifíco excêntrico: Utilizada quando tivermos fluído com sólidos em suspensão, os quais possam ser retidos e acumulados na base da placa, sendo o orifício posicionado na parte de baixo do tubo.
- Orifício segmental: Esta placa tem a abertura para passagem de fluido, disposta em forma de segmento de círculo. É destinada para uso em fluídos laminados e com alta porcentagem de sólidos em suspensão.
TUBO VENTURI
O tubo Venturi, combina dentro de uma unidade simples, uma curta garganta estreitada entre duas seções cônicas e está usualmente instalado entre duas flanges, numa tubulações. Seu propósito é acelerar o fluído e temporariamente baixar sua pressão estática.
A recuperação de pressão em um tubo Venturi é bastante eficiente, sendo seu uso recomendado quando se deseja um maior restabelecimento de pressão e quando o fluido medido carrega sólidos em suspensão. O Venturi produz um diferencial menor que uma placa de orifício para uma mesma vazão e diâmetro igual à sua garganta.
Bocal de Vazão
O perfil dos bocais de vazão permite sua aplicação em serviços onde o fluído é abrasivo e corrosivo. O perfil de entrada é projetado de forma à guiar a veia fluída até atingir a seção mais estrangulada do elemento de medição. Seu principal uso é em medição de vapor com alta velocidade.

Tubo Pitot
É um dispositivo para medição de vazão através da velocidade detectada em um ponto da tubulação.
O tubo de Pitot é um tubo com uma abertura em sua extremidade, sendo esta colocada na direção da corrente fluida de um duto. A diferença da pressão total e a pressão estática da linha nos dará a pressão dinâmica, a qual é proporcional ao quadrado da velocidade.

  

Rotâmetros
Rotâmetros são medidores de vazão por área variável, nos quais um flutuador varia sua posição dentro de um tubo cônico, proporcionalmente à vazão do fluido. Basicamente, um rotâmetro consiste de duas partes:
- Um tubo de vidro de formato cônico, o qual é colocado verticalmente na tubulação em que passará o fluido que queremos medir. A extremidade maior do tubo cônico ficará voltada para cima.
- No interior do tubo cônico teremos um flutuador que se moverá verticalmente, em função da vazão medida.

 

MEDIDORES DE VAZÃO EM CANAIS ABERTOS
Os dois principais tipos são: o vertedor e a calha de Parshall.
Vertedor
O vertedor mede a altura estática do fluxo em reservatório que verte o fluído de uma abertura de forma variável.

Calha de Parshall
O medidor tipo calha de Parshall é um tipo de Venturi aberto que mede a altura estática do fluxo. É
um medir mais vantajoso que o vertedor, porque apresenta menor perda de carga e serve para medir
fluídos com sólidos em suspensão.

MEDIDORES ESPECIAIS DE VAZÃO
Os principais medidores especiais de vazão são: medidores magnéticos de vazão com eletrodos, tipo
turbina, tipo Coriolis , Vortex e Ultra-sônico

Medidor Eletromagnético de Vazão
O medidor magnético de vazão é seguramente um dos medidores mais flexíveis e universais dentre os métodos de medição de vazão . Sua perda de carga é equivalente a de um trecho reto de tubulação, já que não possui qualquer obstrução. É virtualmente insensível à densidade e à viscosidade do fluido de medição. Medidores magnéticos são portanto ideais para medição de produtos químicos altamente corrosivos, fluidos com sólidos em suspensão, lama, água, polpa de papel. Sua aplicação estende-se desde saneamento até indústrias químicas, papel e celulose, mineração e indústrias alimentícias. A única restrição, em princípio é que o fluído tem que ser eletricamente condutivo. Tem ainda como limitação o fato de fluidos com propriedades magnéticas adicionarem um certo erro de medição. De acordo com a Lei de Faraday de Indução Magnética, uma tensão é induzida em um condutor que se move em um campo magnético. Com o princípio de medida eletromagnética, o fluído se move dentro do condutor. A tensão induzida é proporcional ao fluxo e é medido por um par de eletrodos. Conhecendo-se a área da seção do duto, o volume do fluído pode ser calculado.

Medidor Tipo Turbina
O medidor é constituído basicamente por um rotor montado axialmente na tubulação. O rotor é provido de aletas que o fazem girar quando passa um fluido na tubulação do processo. Uma bobina
captadora com um imã permanente é montada externamente fora da trajetória do fluido. Quando este se movimenta através do tubo, o rotor gira a uma velocidade determinada pela velocidade do fluido e pelo ângulo das lâminas do rotor. Á medida que cada lâmina passa diante da bobina e do imã , ocorre uma variação da relutância do circuito magnético e no fluxo magnético total a que está submetida a bobina. Verifica-se então a indução de um ciclo de tensão alternada. A freqüência dos pulsos gerados esta maneira é proporcional á velocidade do fluido e a Vazão pode ser determinada pela medição total de pulsos.

Medidor por Efeito Coriolis
É um instrumento de grande sucesso no momento, pois tem grande aplicabilidade desde indústria alimentícia, farmacêutica, química, papel, petróleo etc. e sua medição, independe das variáveis de processo - densidade, viscosidade, condutibilidade, pressão, temperatura, perfil do fluído.
Resumidamente, um medidor Coriolis possui dois componentes: tubos de sensores de medição e transmissor. Os tubos de medição são submetidos a uma oscilação e ficam vibrando na sua própria freqüência natural à baixa amplitude, quase imperceptível a olho nu. Quando um fluído qualquer é introduzido no tubo em vibração, o efeito do Coriolis se manifesta causando uma deformação, isto é, uma torção, que é captada por meio de sensores magnéticos que geram uma tensão em formato de ondas senoidais. As forças geradas pelos tubos criam uma certa oposição à passagem do fluido na sua região de entrada, e em oposição auxiliam o fluído na região de saída dostubos O atraso entre os dois lados é diretamente proporcional à vazão mássica. Um RTD é montado no tubo, monitorando a temperatura deste, a fim de compensar as vibrações das deformações elásticas sofridas com a oscilação da temperatura.

Medidor Vortex
Quando um anteparo de geometria definida é colocado de forma a obstruir parcialmente uma tubulação em que escoa um fluido, ocorre a formação de vórtices; que se desprendem alternadamente de cada lado do anteparo. Este é um fenômeno muito conhecido e demostrado em todos os livros de mecânica dos fluidos. Os vórtices também podem ser observados em situações freqüentes do nosso dia a dia, como por exemplo: O movimento oscilatório da plantas aquáticas, em razão da correnteza; As bandeiras flutuando ao vento; As oscilações das copas das árvores ou dos fios elétricos quando expostas ao vento. O princípio de funcionamento é baseado no vórtice de Karman. Quando fluídos fluem através de uma restrição introduzida no duto, vórtices são formados pelos lados. A freqüência do vórtice é proporcional ao fluxo médio e, desta forma, ao fluxo volumétrico. Variações de pressão causadas pelo vórtices são transmitidas via alguns orifícios introduzidos nas laterais. Os sensores são colocados dentro do duto é protegidos de choques, temperaturas e desgaste pela passagem do fluído.
Os sensores capacitivos detectam os pulsos de pressão e os convertem em pulsos elétricos.

Medidores Ultra-sônicos
Os medidores de vazão que usam a velocidade do som como meio auxiliar de medição podem ser divididos em dois tipos principais:
- Medidores a efeito doppler
- Medidores de tempo de trânsito.
Existem medidores ultra-sônicos nos quais os transdutores são presos à superfície externa da tubulação, e outros com os transdutores em contato direto com o fluído. Os transdutores-emissores de ultra-sons consistem em cristais piezoelétricos que são usados como fonte de ultra-som, para enviar sinais acústicos que passam no fluído, antes de atingir os sensores correspondentes.

- Medidores de efeito Doppler
O efeito Doppler é aparente variação de freqüência produzida pelo movimento relativo de um
emissor e de um receptor de freqüência. No caso, esta variação de freqüência ocorre quando as
ondas são refletidas pelas partículas móveis do fluído. Nos medidores baseados neste princípio, os transdutores-emissores projetam um feixe contínuo de ultra-som na faixa das centenas de khz. Os ultrasons refletidos por partículas veiculadas pelo fluído têm sua freqüência alterada proporcionalmente ao componente da velocidade das partículas na direção do feixe. Estes instrumentos são consequentemente adequados para medir vazão de fluídos que contêm partículas
capazes de refletir ondas acústicas.

Medidores de tempo de trânsito
Ao contrário dos instrumentos anteriores, estes instrumentos não são adequados para medir vazão de fluídos que contêm partículas. Para que a medição seja possível, os medidores de tempo de trânsito devem medir vazão de fluídos relativamente limpos. Nestes medidores, um transdutor – emissor -receptor de ultra-sons é fixado à parede externa do tubo, ao longo de duas geratrizes diametralmente opostas. O eixo que reúne os emissores - receptores forma com o eixo da tubulação, um ângulo α. Os transdutores transmitem e recebem alternadamente um trem de ondas ultra-sônicas de duração pequena. O tempo de transmissão é levemente inferior (t1) orientada para a jusante, e levemente superior (t2) quando orientada para a montante. Sendo L a distância entre os sensores, V1 a velocidade média do fluído e V2 a velocidade do som no líquido considerado.
O princípio de funcionamento é baseado no tempo de trânsito de sinais no meio. Um sinal acústico (ultrasom) é transmitido de um sensor a outro. Este pode ser tanto na direção do fluxo, quanto contrário ao fluxo. O tempo do trânsito do sinal é medido. De acordo com princípio físico, o sinal enviado na direção do fluxo requer menos tempo de trânsito que o sinal enviado contra o fluxo. A diferença entre os tempos de trânsito é proporcional à velocidade do fluído.

Medidas de vazão por Temperatura
Ele opera monitorando o efeito de arrefecimento de um fluxo de gás, quando ele passa através de um sensor. O gás fluindo, passa por dois transdutores RTD tipo PT100. Um destes é usado para sentir a temperatura do fluído, enquanto que o outro é usado como aquecedor. Este último é mantido a uma temperatura diferencial (relativa a temperatura atual do gás) variando a corrente sobre ele. Maior o fluxo passando sobre o sensor aquecido, maior é a corrente exigida para manter constante a diferença de temperatura. A corrente do sensor aquecido é proporcional ao fluxo do gás.

Equipamentos para Deslocamentos de Fuidos - BOMBAS

Artigo referente a equipamentos para deslocar fuidos - Bombas:

BOMBAS
Bombas são máquinas hidráulicas cuja função é transmitir energia ao fluidolíquid o, pastoso ou em suspensão. Os inúmeros tipos existentes agrupam-se em duas classes principais :

· Bombas de deslocamento positivo - que imprimem um certa quantidade de movimento a cada ciclo do dispositivo, em regime pulsante ou contínuo.
· Bombas centrífugas – impelem um fluxo contínuo que dependerá da pressão de descarga ou da energia adicionada.

Bombas rotativas - como o próprio nome diz, a vazão deste tipo de bomba vai depender do movimento de rotação das engrenagens existentes em seu interior, promovendo um fluxo contínuo.

BOMBAS ALTERNATIVAS
A taxa de vazão do fluido na bombas alternativas é uma função do volume varrido do pistão e do número de ciclos do pistão por unidade de tempo. A eficiência volumétrica de um bomba é definida como a razão entre o volume de fluido descarregado pela bomba e o volume percorrido pelo pistão, ou seja, a razão entre o 3 vazão prática e a teórica. Esta diferença pode ocorrer devido a enchimento incompleto ou vazamento do pistão. Quando a bomba está bem ajustada esta eficiência situa-se acima de 95%.
Já a eficiência mecânica é a relação entre a energia fornecida ao fluido pela energia fornecida a bomba. As perdas ocorridas é devido ao atrito mecânico da bomba e ao atrito do fluido. Este tipo de bomba geralmente apresenta eficiência mecânica superior às bombas centrífugas. As bombas alternativas podem ser classificadas de acordo com o acionamento em :
· Bombas acionadas a motor, Figura 01, que utilizam um motor elétrico, uma correia, ou uma corrente, através de uma engrenagem motriz e de um eixo de manivela, transformam o movimento rotatório em linear.
· Bombas acionadas a vapor, que utilizam um cilindro de vapor com o pistão no mesmo eixo que os pisões da bomba.

Quanto a descarga do fluido estas bombas podem ser de simples ou duplo efeito. Quando só ocorre uma descarga por ciclo(na ida do cilindro) a bomba é dita de efeito simples e quando a descarga ocorre duas descargas por ciclo (uma na ida e outro na volta do cilindro), é dita de duplo efeito. Se a bomba apresenta dois cilindros com êmbolos separados ela é dita duplex, no caso de possuir apenas um é simplex.
Desta forma pode-se ter, por exemplo, bombas simplex de duplo efeito, como a da Figura 01. A Figura 02 mostra o comportamento da vazão para bombas simplex de simples efeito, onde não há fluxo durante a admissão do líquido no êmbolo; a simplex de duplo efeito, onde o fluxo sé cessa no ponto de inversão entre a carga e a descarga e a duplex de duplo efeito, onde o fluxo não cessa porém há uma diminuição quando um dos cilindros estão invertendo seu movimento.

BOMBAS ROTATIVAS
Existem diversos tipos de bombas rotativas, dentre elas destacam-se a de engrenagem, a de arafuso e a de cavidade caminhante. O princípio de funcionamento é o mesmo para todos os tipos, na entrada o rotor gera uma pressão mais baixa que faz o fluido entrar na bomba, ficando preso entre o rotor e a carcaça para depois ser ejetado para fora. Estas bombas trabalham afogadas, ou seja, a baixa pressão da entrada da bomba não é suficiente para realizar a sucção do fluido.
As bombas rotativas são empregadas para deslocar líquidos com qualquer viscosidade e sólidos, desde que não sejam abrasivos. São essencialmente utilizadas no bombeamento de óleos, graxas melados e tintas. A Figura 03 mostra o funcionamento de uma bomba rotativa de engrenagem externa


A Figura 04 mostra curvas de desempenho de uma bomba rotativa de engrenagem externa. Esta pode ser utilizada para o cálculo de velocidade e potência da bomba. Como exemplo faremos estes cálculos para uma vazão de 90 gal/min e 200 psi.


Utilizando-se a Figura 04 e tomando como base o valor da vazão e da pressão, encontramos que a capacidade da bomba deve-se situar entre 400 e 600 rpm. Fazendo a interpolação (não é linear conforme pode ser observado pela diferença entre 200 e 400 rpm), obtém-se 450 rpm. Utilizando-se as curvas de potência encontradas na parte inferior do gráfico e interpolando para 450, encontramos que uma potência de 21 HP é suficiente para obter-se a pressão de 200 psi.


BOMBAS CENTRÍFUGAS
Dentre todas, as bombas centrífugas, Figura 05, são as mais utilizadas na indústria por razões tais como : simplicidade de modelo, pequeno custo inicial, manutenção barata e flexibilidade de operação. Este tipo pode operar em amplas faixas de pressão e vazão.
O seu funcionamento, ilustrado na Figura 06, é fundamentado na força centrífuga imprimida ao fluido quando é lançado do centro do rotor à ponta das palhetas 6 propulsoras, aumentando a sua energia cinética que é transformada em pressão quando o fluido sai do impulsor e entra na voluta ou difusor.




Conforme pode ser observado na Figura 6, a carcaça de uma bomba centrífuga pode ser circular, de uma forma anular que inclui um difusor ou em forma de caracol (voluta). O rotor é o coração da bomba, é a peça mais importante. Ele pode ser aberto, fechado ou semi-fechado. O primeiro deles, é empregado para líquidos viscosos ou com partículas sólidas em suspensão. O rotor semi-aberto tem uso praticamente igual ao do aberto, enquanto o fechado só é empregado para líquidos límpidos. As pás são posicionadas na posição inversa ao do escoamento.A descrição do funcionamento da bomba acima é para as que tem escoamento puramente radial. Existe ainda as bombas turbina, que têm palhetas pequenas e operam a alta velocidade, promovendo vazões moderadas com pressões relativamente altas, onde há um escoamento misto radial e axial. As bombas de escoamento axial e compressores possuem rotores com várias palhetas com grandes vazões e pressão do fluido relativamente baixa, com escoamento puramente axial.

As bombas centrífugas podem ser configuradas para bombear líquidos especiais, como ácidos em que o rotor e a carcaça possuem uma proteção especial.

Texto retirado de artigo da Universidade de Pernambuco, Autores: Prof. Maurício A. da Motta Sobrinho, Prof. Valdemir Alexandre dos Santos no ano de 1998.

Tipos de Escoamentos

Tipos de Escoamento:
Variável
O movimento do fluido é dito variável quando os elementos que o definem
(velocidade, força, pressão, e etc.) são função do ponto (posição) e do tempo. Considere,
por exemplo, na figura 3.1, um reservatório sendo esvaziado rapidamente. Num
determinado instante (t) os valores das velocidades de escoamento em tubos
extravasores acoplados à parede do reservatório nas posições (1) e (2) são diferentes.
Com o passar do tempo as velocidades numa mesma posição (1) ou (2) assumem
também valores diferentes.

Permanente
O movimento do fluido é dito permanente quando os elementos que o definem
(velocidade, força, pressão, e etc.) são função exclusiva do ponto (posição), e não variam
com do tempo. Considere, por exemplo, na figura 3.2, um reservatório de grandes
dimensões com um pequeno orifício, tal que no decorrer de um determinado período de
tempo o nível da água mantém-se constante.


Escoamentos laminar e turbulento [Experiência de Osborne Reynolds (1883)]
Para caracterizar os regimes de escoamento, levando em consideração o efeito
viscoso do fluido em movimento, Reynolds no ano de 1883 realizou a experiência que
ficou denominada de Experiência de Reynolds, descrita a seguir e ilustrada pela figura
3.3.
Em uma das paredes de um reservatório, contendo água de massa especifica (ρa),
foi acoplada uma das extremidades de um tubo de vidro transparente de diâmetro (D).
Próxima da outra extremidade a velocidade média do fluído era controlada através de
uma válvula de controle (VC). No centro do tubo transparente era injetado um líquido
corante de massa específica (ρc) igual à massa específica da água. Inicialmente mantida
a velocidade de escoamento com um valor muito baixo, tal que o valor do número de
Reynolds, calculado com a equação adimensional (3.1) resultasse inferior a 2000, foi
verificado que o filete de corante movimentava em linha reta, numa demonstração que
forças turbulentas normais ao escoamento eram totalmente anuladas. Uma vez que a
velocidade máxima ocorre no centro do tubo e diminui até zero junto á parede do tubo, em
qualquer outra posição de sua seção transversal comportamento semelhante é
observado. Assim, a perda de energia, (perda de carga Δh), deve-se ao atrito entre
lâminas concêntricas de fluidos de velocidades diferentes. Devido a esta característica o
escoamento é denominado laminar.
Aumentando a velocidade média tal que resulte valores do número de Reynolds
entre o intervalo 2000 a 4000, forças normas ao escoamento passam a intensificar-se, de
modo que o filete de corante começa a sofrer oscilações. Para este intervalo o
escoamento é dito de transição ou crítico.
Para valores do número de Reynolds superior a 4000 o filete desintegra-se, as
partículas fluidas movimentam-se de modo desordenado chocando-se uma contra as
outras, e o escoamento é denominado de turbulento. Nesta situação a perda de carga
deve-se em parte ao choque entre as partículas.

Medidores de Pressão

Abaixo 2 slides sobre o assunto de medidores de pressão:



Fonte:http://www.cct.uema.br/Cursos_OnLine/Mecanica_dos_Fluidos/2_Semestre_2003/FT1-04-Hidrost%E1tica-2003-02.pdf

Medidores de Viscosidade

     Instrumentos que medem a viscosidade de um determinado fluido são denominados viscosímetros ou viscômetros.      Existem diversos tipos de de viscosímetros, dentre os quais se destacam pela sua importância e sua aplicação industrial. São alguns exemplos os viscosímetros capilar ou viscosímetro de Ostwald, os viscosímetros de esfera em queda e os viscosímetros rotativos. Esses medidores podem ser classificados de acordo com o seu princípio de funcionamento que divide os viscosímetros em: Viscosímetros por escoamento e viscosímetros por cisalhamento e outros.

Viscosímetros por escoamento
No viscosímetro de esfera, que é o tipo mais simples de viscosímetro, abandona-se uma esfera em queda livre no fluido e mede-se sua velocidade terminal. Em seguida, calcula-se a viscosidade por meio da Lei de Stokes. O corpo do medidor precisa ser largo de forma que as paredes tenham pouca influência sobre o escoamento. Esse instrumento tem a desvantagem de exigir um grande volume de líquido. Este método consiste em diversos tubos contendo líquidos padrões de viscosidades conhecidas, com uma bola de aço em cada um deles. O tempo que a bola leva a descer o comprimento do tubo depende da viscosidade do líquido. Colocando-se a amostra num tubo semelhante, pode determinar-se aproximadamente a sua viscosidade por comparação com os outros tubos.

Nos viscosímetros de escoamento por capilar, como, por exemplo, o viscosímetro de Ostwald. Baseia-se na determinação de alguns dos parâmetros relacionados com a fricção desenvolvida por um líquido quando este escoa no interior de um capilar. Ele é essencialmente um tubo em U, sendo que um dos seus ramos é um tubo capilar fino ligado a um reservatório superior. O tubo é mantido na vertical e coloca-se uma quantidade conhecida de um líquido no reservatório, deixando-se escoar sob a ação da gravidade através do capilar.
A medida da viscosidade é o tempo que a superfície de líquido no reservatório demora a percorrer o espaço entre duas marcas gravadas sobre o mesmo.
Uma variação do viscosímetro de Ostwald é o viscosímetro de Ubbelohde, que possui uma entrada de ar extra, que torna o tempo de escoamento independente da temperatura da solução.



V iscosímetro de Ostwald





















Existe também o viscosímetro de copo; neste caso, mede-se o tempo que o líquido leva para escoar de um reservatório por meio de um orifício aberto no fundo.
Esses instrumentos medem a viscosidade cinemática do fluido, e são medidores confiáveis e baratos, mas não geralmente adequados para medição on-line. Uma exceção é o viscosímetro de Norcross, variação do viscosímetro de Stokes (esfera) em que a esfera é substituída por um pistão e são introduzidos mecanismos e eletrônica específicos para permitir a execução de medidas sem interferência de seres humanos.

Viscosímetros por cisalhamento
Os viscosímetros por cisalhamento empregam um elemento móvel que, imerso no fluido, sofre a resistência deste, resistência que é proporcional à viscosidade.
Os viscosímetros oscilatórios utilizam um pistão imerso no fluido, que oscila a uma determinada frequência; essa frequência é diferente da frequência de oscilação sem a presença do fluido. A partir do período medido da oscilação, calcula-se a viscosidade do líquido.
Os viscosímetros vibratórios baseiam-se na medida da potência elétrica que precisa ser aplicada a um elemento sensor imerso no fluido para que ele oscile a uma determinada frequência; a partir da potência medida, calcula-se a viscosidade por meio de uma fórmula obtida teoricamente. Alternativamente, pode-se estimar a velocidade não através da potência, mas por meio de um outro parâmetro, como amortecimento ou atraso de fase entre excitação e resposta.
Em ambos os tipos de medidor acima, a velocidade de cisalhamento é variável.
Viscosímetros rotativos utilizam um elemento que gira com velocidade angular constante, imerso no fluido. Nesse tipo de medidor, a velocidade de cisalhamento é constante. O elemento rotativo pode ser um disco, um cone, ou um cilindro. Este viscosímetro é o mais usado na indústria, eles combinam alta sensibilidade, repetibilidade e precisão, e são mais adequados para medições on-line.

Outros viscosímetros
Existem viscosímetros que usam outros princípios de medição.
Nos viscosímetros de bolha, o tempo que uma bolha de gás leva para ascender num reservatório com o líquido permite estimar a viscosidade deste.
No viscosímetro por extrusão, o fluido é forçado mecanicamente a passar por um tubo capilar.
No viscosímetro por fenda, o fluido é forçado mecanicamente a passar por uma abertura estreita.

Resumo de Tipos de Escoamentos

 

 

Erosão e escoamento superficial

No Brasil, a erosão carrega anualmente 500 milhões de toneladas de solo, o que corresponde a uma camada de solo de 15 centímetros numa área de 280.000 ha. Esse material arrastado pela erosão irá se depositar nas baixadas e nos rios, riachos e lagoas, causando uma elevação de seus leitos e possibilitando grandes enchentes.

A presença de uma boa cobertura florestal é de grande importância para o controle do processo de erosão, que pode resultar em grandes acúmulos de sedimentos nos cursos d'água, assoreando os mesmos e até mesmo causando a eutrofização de reservatórios.

Numa bacia hidrográfica, com 23% da área ocupadas por florestas e o restante por pastagens, o escoamento superficial atinge 90% e as perdas do solo são 61 toneladas/hectare/ano. Após 20 anos, estando toda a bacia reflorestada, o escoamento superficial será reduzido para 18% e as perdas do solo por erosão serão reduzidas para 1,2 tonelada/hectare/ano.

No caso específico do Rio Grande do Sul, um exemplo clássico dos problemas causados pela erosão do solo é o da barragem de Passo Real localizada no rio Jacuí.

Após uma chuva de intensidade média, foi coletada uma amostra de água, encontrando-se, por m³ de água: 1,6 kg de terra em suspensão, 1,5 ppm de potássio (K), 4,6 ppm de cálcio e 2,1 ppm de magnésio (Mg). Cálculos sobre o assoreamento da bacia hidráulica, com capacidade de 3,7 bilhões de m3 de água, indicam haver, num determinado momento, aproximadamente 5.920.000 de toneladas de solo em suspensão.

Na hipótese desse solo em suspensão se precipitar no fundo do rio, haveria um assoreamento de 2 centímetros de espessura em toda a superfície submersa da bacia. Através da simulação de cálculo, pode-se concluir que num período de 30 anos todo o lago estará assoreado, e ficará inutilizado para a produção de energia elétrica e outros fins.

Aspecto da erosão. Nesta foto, pode-se observar que onde há raízes de plantas e árvores o solo conseguiu fixar-se melhor, evitando um maior desmoronamento do leito. Em trabalho realizado no município de Santa Maria-RS, em terreno levemente ondulado, sobre a avaliação das perdas de água e de solo em decorrência de diferentes sistemas de manejo dos resíduos da floresta de Acácia Negra, verificou-se que a cobertura vegetal realmente desempenha papel fundamental no que se refere à amenização dos problemas decorrentes da erosão.
Conhecendo a gravidade dos problemas causados pelo escoamento superficial, deve-se considerar a importância da floresta na retenção dessas águas. Geralmente esse tipo de escoamento em áreas florestais é muito pequeno devido à grande infiltração e retenção da água pela serrapilheira e pelas camadas superficiais do solo. Portanto, o escoamento superficial da água é inversamente proporcional à cobertura da floresta. Relação entre a área com cobertura florestal e o escoamento superficial.

A intensidade do escoamento superficial de uma floresta depende de alguns fatores, tais como:

Declive - quanto maior o declive, maior será o escoamento superficial;
Densidade da floresta - existe uma estreita correlação entre a densidade e o escoamento, porém em floresta densa com a mesma declividade o escoamento superficial é menor. Exposição - nas encostas, com exposição Norte, ocorre um maior escoamento superficial. Isso se deve à alta insolação que acelera a decomposição e impede a formação de uma espessa camada de serrapilheira. Espécie - nas florestas de folhosas, o escoamento superficial é ligeiramente menor que nas florestas de coníferas, embora nas coníferas ocorra formação de uma manta hidrofóbica. Esse menor escoamento ocorre em florestas que produzem manta densa e com boa estrutura.

Esforços em superfícies submersas

Na Figura 01, considera-se uma porção genérica de área S da parede de um reservatório, inclinada de α em relação à horizontal.

A representação adotada é um rebatimento da parede no plano frontal. Assim, na realidade, o eixo X está na superfície do líquido, onde a pressão (relativa) é supostamente nula.

C é o centróide da superfície (ou centro de gravidade, no conceito prático). P é o ponto de atuação da resultante das forças de pressão.

Figura 01

A magnitude da força F atuante no ponto P é dada por:

F = pc S = γ yc sen α S  #A.1#

Onde γ é o peso específico do líquido.

A coordenada y_p do ponto P de aplicação dessa força é:

#B.1#

Onde J_xc é o momento de inércia da superfície S em relação ao eixo XC, que passa pelo centróide.

Da relação #B.1#, pode-se concluir que yp ≈ yc para grandes profundidades (y_c grande).


Exemplo: Conforme Figura 02, um reservatório de água, peso específico 9,81 kN/m³, tem um tubo de saída com uma tampa articulada em A, formando uma elipse com AB = 5 m. Determinar a força F, aplicada em B, necessária para abrir a tampa.

Figura 02

A simetria da elipse permite concluir que o centróide C está a uma profundidade 8 + 4/2 = 10 m. Portanto, na relação #A.1#,

yc sen α = 10 m
Área da elipse S = π 2,5 2 ≈ 15,7 m2

Segundo #A.1#, a força F_p devido à pressão na superfície inclinada é

Fp = 9,81 103 10 15,7 ≈ 1540 kN

Ela deve atuar em P, abaixo de C.

O momento de inércia de uma elipse em relação a XC da Figura 01 é (1/4) π a3 b. Onde a é o raio perpendicular e b é o raio ao logo desse eixo. Portanto, para este caso,

Jxc = (1/4) π 2,53 2 ≈ 24,5 m4

É preciso determinar y_c para aplicação da relação #B.1#. Notar que não é a profundidade de C, mas a distância na direção BA até a superfície da água. Da semelhança de triângulos, pode-se concluir que, de A até a superfície, são 10 m. Portanto,

yc = 10 + 2,5 = 12,5 m. Aplicando #B.1#,

CP = yp − yc = Jxc / (yc S) = 24,5 / (12,5 15,7) ≈ 0,125 m

Usando a condição de equilíbrio da soma nula dos momentos em A,

F AB = Fp (AC + CP)

F 5 = 1540 (2,5 + 0,125)

F = 808,5 kN

Figura 03

Exemplo: o reservatório de água da Figura 03 tem supostamente largura de 1 metro na direção perpendicular ao plano da imagem.

Determinar a força de reação F_R da parte curva, com perfil em forma de setor circular.

Esse problema poderia ser resolvido por integração das forças de pressão ao longo da superfície curva. Entretanto, é mais fácil adotar o procedimento conforme Figura 04 (a), isto é, isolar a porção de líquido com o perfil da seção e comprimento 1 metro.

As forças atuantes devido ao fluido são as forças de pressão nas superfícies superior e lateral, F_V e F_H.

Há também a força F_W correspondente ao peso da porção de líquido. E a reação F_R deve ser oposta à resultante dessas três forças.

Figura 04

Para a força F_H, a superfície lateral tem 2 × 1 = 2 m². Na aplicação da relação #A.1#, notar que o centróide é o ponto D da Figura 04 e não C. O valor é y_D = 4 + 1 = 5 m. Assim,

FH = 9,81 103 5 sen 90 2 = 98,1 kN 

Aplicando a fórmula do momento de inércia de um retângulo em relação ao eixo horizontal que passa pelo centróide D,

JD = 1 23 / 12 ≈ 0,67

Usando agora a fórmula #B.1#, yC = 5 + 0,67 / (5 2) = 5,067 m

Assim, EC = 5,067 − 4 = 1,067 m

Desde que a superfície é horizontal, a força F_V é a pressão no nível multiplicada pela área:

FV = 9,81 103 4 2 ≈ 78,5 kN

Naturalmente, a ação é no centróide do retângulo e EH = 1 m

A força F_W é dada pelo peso específico multiplicado pelo volume de líquido:

FW = 9,81 102 (1/4) π 22 1 ≈ 30,8 kN

A ação de F_W está no centro de gravidade da seção, que, para material homogêneo como este caso, equivale ao centróide. Segundo página Seções planas I-12,

EF = 4 R / (3 π) = 4 2 / (3 π) ≈ 0,85 m

Em (b) da Figura 04, F₁ é a resultante de F_W e F_V. A posição da linha de ação (distância EG) é calculada por:

EG = (EF FW + EH FV) / (FW + FV) = (0,85 30,8 + 1 78,5) / (30,8 + 78,5) ≈ 0,96

E o valor é a soma F1 = FW + FV = 30,8 + 78,5 = 109,3 kN

Com os valores de F_H e F₁, o módulo de F_R é calculado de acordo com as regras da soma vetorial de dois vetores perpendiculares entre si:

FR = √(98,12 + 109,32) ≈ 146,9 kN

A inclinação é φ = tan−1 (−109,3/98,1) ≈ 132°

Fluídos Não-Newtonianos

Fluidos nos quais a tensão de cisalhamento não é diretamente proporcional à taxa de deformação são não-newtonianos. Muitos fluidos comuns apresentam comportamento não-newtoniano e, como exemplo, podemos citar o creme dental. O creme dental comporta-se como um “fluido” quando espremido do tubo. Contudo, ele não escorre por si só quando a tampa é removida. Há uma demarcação ou um limite de tensão abaixo do qual o creme dental comporta-se como um sólido. Estritamente falando, a nossa definição de fluido é válida apenas para materiais cuja tensão limítrofe é igual a zero. Os fluidos não-newtonianos são geralmente classificados como tendo comportamento independente ou dependente do tempo. A figura mostra curvas apenas ilustrativas dos tipos de fluidos de acordo com o comportamento da tensão de cisalhamento. Todos eles pertencem à classe dos independentes do tempo, isto é, as relações não variam com o tempo de aplicação das tensões.

Os fluidos nos quais a viscosidade aparente decresce conforme a taxa de deformação cresce (n<1)>1), o fluido é chamado dilatante (torna-se mais espesso quando sujeito a tensões cisalhantes). As suspensões de amido e de areia são exemplos de fluidos dilatantes. Suspensões de argila, lama de perfuração e creme dental são exemplos de substâncias que exibem esse comportamento.
O estudo dos fluidos não-newtonianos é ainda mais complicado pelo fato de que a viscosidade aparente pode ser dependente do tempo. Fluido tixotrópicos mostram um decréscimo em "n" com o tempo sob uma tensão cisalhante constante; muitas tintas são tixotrópicas. Fluidos reopéticos mostram um aumento em "n" com o tempo. Após a deformação, alguns fluidos retornam parcialmente à sua forma original quando livres da tensão aplicada; esses fluidos são denominados viscoelásticos.