Placa de orifício

Placa de orifício

Uma placa de orifício é um dispositivo, modelo de medidores de restrição, usado para medir a vazão, reduzir a pressão ou restringir a vazão (nos dois últimos casos, costuma ser chamado de placa de restrição). De acordo com a norma ABNT NBR ISO 5167-1 (2008) uma placa de orifício é uma placa fina com uma abertura circular usinada em sua superfície permitindo a passagem de fluido no orifício. Ou seja, a placa de orifício é um disco com furo concêntrico, excêntrico ou segmentado que é colocado perpendicularmente à tubulação, sendo o furo com diâmetro menor que o da tubulação. O diâmetro externo é igual ao espaço interno entre os parafusos dos flanges para facilitar a montagem.

Tipos de Placa de Orifício

• Placa de Orifício Concêntrico

Esta placa também é chamada de clássica, possui um orifício centralizado sendo utilizada principalmente para líquidos e gases sem sólidos em suspensão.

Placa Concêntrica

• Placas de Orifício Excêntricas

Esse tipo de placa é utilizado frequentemente em tubulações de diâmetros pequenos, utilizada principalmente quando o fluido é carregado de impurezas que podem ficar acumuladas na montante e parte inferior da placa. Além disso, é mais frequentemente colocada em casos da presença de condensados em medições de gases sujos.

Placa Excêntrica

• Placa de Orifício Segmental

Este tipo de placa é considerada mais imprecisa, sendo aplicável para líquidos carregados de sólidos, além de meios bifásicos, sujos e com partículas. Dessa forma, é mais utilizada para fluidos laminares e com proporções mais elevadas de partículas se comparada a excêntrica.

Placa segmental

Princípios de Funcionamento

A placa de orifício é posicionada na flange entre duas tubulações, à medida que o fluido (líquido ou gás) flui pela abertura, sua pressão diminui até atingir seu mínimo em uma área chamada “vena contracta”. Neste ponto, o valor mínimo de pressão e a velocidade máxima são alcançados. A pressão então aumenta novamente, mas não atinge o valor anterior devido à turbulência e às perdas por atrito. A diferença de pressão criada pelo orifício é usada para calcular a vazão, as pressões são obtidas por manômetros, em que esse sinal passa por um transdutor transformando o valor em medida de vazão.

Direcionamento do Fluxo

Aplicações

A placa de orifício é um dispositivo amplamente utilizado em indústrias como petróleo e gás, produtos químicos, água e águas residuais, usinas de energia, alimentos e bebidas, produtos farmacêuticos, papel e celulose, mineração e metalurgia e em processos industriais automotivos.

Vantagens e desvantagens

A placa de orifício se caracteriza pela grande resistência, oferecendo durabilidade excepcional, tudo por uma relação custo-benefício favorável. A instalação é simples e prática, facilitando tanto o processo inicial, como a manutenção final, reduzindo a necessidade de pessoal qualificado e os custos associados. Além disso, a qualidade dos materiais utilizados na fabricação proporciona longa vida útil e minimiza a necessidade de manutenções frequentes, resultando em economia para o cliente.

Porém, ressalta-se que a utilização de placas de orifício, apesar de ser uma opção econômica, pode causar perdas de energia e turbulência no fluxo, o que pode afetar a precisão das medições, principalmente em baixas velocidades. Vale ressaltar também que a baixa precisão de medidas, faz com que esse tipo de medidor não seja considerado como seguro em casos de faturamento por vazão, por exemplo em indústrias que utilizam a compra de gás diretamente por dutos.

Equacionamento

Iniciando com as considerações de regime permanente, fluido incompreensível e o tubo, de diâmetro “D”, no sentido horizontal somente. Sendo o orifício do medidor possuindo diâmetro “d”, faz-se o balanço de energia no volume de controle que possui o equipamento:

Desenho para equacionamento

$H\text{1}=H\text{2}=>\frac{P\text{1}}{\rho g}+Z\text{1}+\frac{v{\text{1}}^2}{2g}+h\text{b}-h\text{p}=\frac{P\text{2}}{\rho g}+Z\text{2}+\frac{v{\text{2}}^2}{2g}$

            (1)

Sendo a perda de carga desprezível (hp=0), o tubo totalmente na horizontal (Z1=Z2=0) e sem a presença de bombas (hb=0) no volume de controle, o balanço se exemplifica para:

$\frac{P\text{1}}{\rho g}+\frac{v{\text{1}}^2}{2g}=\frac{P\text{2}}{\rho g}+\frac{v{\text{2}}^2}{2g}$ (2)

Sendo as unidades utilizadas no S.I.

$P$ = Pressão $[Pa]$

$\rho$ = Massa Especifica $[\frac{kg}{m^3}]$

$v$ = velocidade linear $[\frac{m}{s}]$

$g$ = aceleração da gravidade $[\frac{m}{s^2}]$

Por conseguinte, fazendo-se o balanço de massa no mesmo volume de controle:

$Q\text{1}=Q\text{2}=>v\text{1}A\text{1}=v\text{2}A\text{2}=>v\text{1}=\frac{A\text{2}}{A\text{1}}v\text{2}=>v\text{1}=(\frac{d}{D}{)}^{2}v\text{2}$ (3)

Onde:

$A\text{1}$ = Área da seção transversal contendo o ponto 1 $[m^2]$

$A\text{2}$ = Área da seção transversal do orifício $[m^2]$

$D$ = Diâmetro da região do tubo contendo o ponto 1 $[m]$

$d$ = Diâmetro do orifício $[m]$

Fazendo-se a substituição da equação (3) na (2), tem-se:

$v\text{1}=(\frac{2(P\text{1}-P\text{2})}{\rho [1-(\frac{d}{D}{)}^4]}{)}^{1/2}$ (4)

Contudo, tal equacionamento só é válido para o cenário ideal onde a perda de carga pelo atrito é nula. Para o contexto real, sabe-se que a obstrução da passagem(diminuição repentina da passagem do fluido a partir de uma diminuição do diâmetro do tubo), acarreta em perda de energia decorrente desse atrito causado entre o fluido e as paredes do tubo. Portanto, para uma medida real, adiciona-se um parâmetro, $C\text{d}$, à equação a fim de se considerar esse efeito.

$v\text{1}=A\text{2}C\text{d}(\frac{2(P\text{1}-P\text{2})}{\rho [1-(\frac{d}{D}{)}^4]}{)}^{1/2}$ (5)

Tal parâmetro é determinado experimentalmente e possui relação direta com o número de Reynolds e a razão de diâmetros entre o orifício e a tubulação.

$C\text{d}=f(Re,\frac{d}{D})$ (6)

Para se estimar esse parâmetro de atrito, pode-se utilizar a seguinte equação (6) (Miller, 1997)

$C\text{d}=0,5959+0,0312(\frac{d}{D}{)}^{2,1}-0,184(\frac{d}{D}{)}^8+\frac{91,71(d/D{)}^{2,5}}{R{e}^{0,5}}$

• Linford, A (1961). Flow Measurement & Meters 2nd ed. London: E. & F. N. Spon