Efeito Venturi - Venturi effect

A pressão estática no primeiro tubo de medição (1) é maior do que no segundo (2), e a velocidade do fluido em "1" é menor do que em "2", porque a área da seção transversal em "1" é maior que em "2".

Um fluxo de ar através de um medidor de Venturi tubo Pitot, mostrando as colunas conectadas em um manômetro e parcialmente preenchidas com água. O medidor é "lido" como uma pressão diferencial em cm ou polegadas de água.

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Vídeo de um medidor de Venturi usado em um experimento de laboratório

Fluxo idealizado em tubo de Venturi

O efeito Venturi é a redução na pressão do fluido que resulta quando um fluido flui através de uma seção restrita (ou estrangulamento) de um tubo. O efeito Venturi deve o seu nome ao seu descobridor, o físico italiano do século 18 , Giovanni Battista Venturi .

Fundo

Na dinâmica dos fluidos invíscidos , a velocidade de um fluido incompressível deve aumentar à medida que passa por uma constrição de acordo com o princípio da continuidade da massa , enquanto sua pressão estática deve diminuir de acordo com o princípio da conservação da energia mecânica ( princípio de Bernoulli ). Assim, qualquer ganho de energia cinética que um fluido pode atingir por sua velocidade aumentada por meio de uma constrição é equilibrado por uma queda na pressão.

Medindo a pressão, a taxa de fluxo pode ser determinada, como em vários dispositivos de medição de fluxo , como medidores Venturi, bicos Venturi e placas de orifício .

Referindo-se ao diagrama adjacente, usando a equação de Bernoulli no caso especial de fluxos constantes, incompressíveis e invíscidos (como o fluxo de água ou outro líquido, ou fluxo de gás de baixa velocidade) ao longo de uma linha de água, a queda de pressão teórica na constrição é dado por:

${\ displaystyle p_ {1} -p_ {2} = {\ frac {\ rho} {2}} \ left (v_ {2} ^ {2} -v_ {1} ^ {2} \ right)}$

onde é a densidade do fluido, é a velocidade do fluido (mais lenta) onde o tubo é mais largo, é a velocidade do fluido (mais rápida) onde o tubo é mais estreito (como visto na figura). ${\ displaystyle \ scriptstyle \ rho \,}$${\ displaystyle \ scriptstyle v_ {1}}$${\ displaystyle \ scriptstyle v_ {2}}$

Fluxo obstruído

O caso limite do efeito Venturi é quando um fluido atinge o estado de fluxo obstruído , onde a velocidade do fluido se aproxima da velocidade local do som . Quando um sistema de fluido está em um estado de fluxo obstruído, uma diminuição adicional no ambiente de pressão a jusante não levará a um aumento na velocidade, a menos que o fluido seja comprimido.

A taxa de fluxo de massa para um fluido compressível aumentará com o aumento da pressão a montante, o que aumentará a densidade do fluido através da constrição (embora a velocidade permaneça constante). Este é o princípio de funcionamento de um bico de Laval . O aumento da temperatura da fonte também aumentará a velocidade sônica local, permitindo assim um aumento da taxa de fluxo de massa, mas apenas se a área do bico também for aumentada para compensar a diminuição resultante na densidade.

Expansão da seção

A equação de Bernoulli é invertível e a pressão deve aumentar quando um fluido diminui. No entanto, se houver uma expansão da seção do tubo, surgirá turbulência e o teorema não se sustentará. Em todos os tubos de Venturi experimentais, a pressão na entrada é comparada com a pressão na seção intermediária; a seção de saída nunca é comparada com eles.

Aparato experimental

Aparelho de demonstração de tubo de Venturi construído em tubo de PVC e operado com uma bomba de vácuo

Um par de tubos de Venturi em uma aeronave leve, usado para fornecer fluxo de ar para instrumentos giroscópicos movidos a ar

Tubos de Venturi

O aparelho mais simples é uma configuração tubular conhecida como tubo de Venturi ou simplesmente Venturi (plural: "Venturis" ou ocasionalmente "Venturies"). O fluido flui através de um tubo de diâmetro variável. Para evitar o arrasto aerodinâmico indevido , um tubo de Venturi normalmente tem um cone de entrada de 30 graus e um cone de saída de 5 graus.

Os tubos de Venturi são frequentemente usados ​​em processos onde a perda de pressão permanente não é tolerável e onde a precisão máxima é necessária no caso de líquidos altamente viscosos.

Placa de orifício

Tubos de Venturi são mais caros de construir do que placas de orifício simples e ambos funcionam com o mesmo princípio básico. No entanto, para qualquer pressão diferencial dada, as placas de orifício causam perda de energia significativamente mais permanente.

Instrumentação e medição

Os tubos de Venturi e as placas de orifício são usados ​​em aplicações industriais e em laboratórios científicos para medir a vazão de líquidos.

Quociente de vazão

Um venturi pode ser usado para medir a taxa de fluxo volumétrico , utilizando o princípio de Bernoulli . ${\ displaystyle \ scriptstyle Q}$

Desde

${\ displaystyle {\ begin {alinhados} Q & = v_ {1} A_ {1} = v_ {2} A_ {2} \\ [3pt] p_ {1} -p_ {2} & = {\ frac {\ rho } {2}} \ left (v_ {2} ^ {2} -v_ {1} ^ {2} \ right) \ end {alinhado}}}$

então

${\ displaystyle Q = A_ {1} {\ sqrt {{\ frac {2} {\ rho}} \ cdot {\ frac {p_ {1} -p_ {2}} {\ left ({\ frac {A_ { 1}} {A_ {2}}} \ right) ^ {2} -1}}}} = A_ {2} {\ sqrt {{\ frac {2} {\ rho}} \ cdot {\ frac {p_ {1} -p_ {2}} {1- \ esquerda ({\ frac {A_ {2}} {A_ {1}}} \ direita) ^ {2}}}}}}$

Um Venturi também pode ser usado para misturar um líquido com um gás. Se uma bomba força o líquido através de um tubo conectado a um sistema consistindo de um Venturi para aumentar a velocidade do líquido (o diâmetro diminui), um pequeno pedaço de tubo com um pequeno orifício nele, e por último um Venturi que diminui a velocidade (então o tubo fica mais largo novamente), o gás será sugado pelo pequeno orifício devido às mudanças na pressão. No final do sistema, aparecerá uma mistura de líquido e gás. Veja aspirador e cabeça de pressão para uma discussão sobre este tipo de sifão .

Pressão diferencial

À medida que o fluido flui através de um Venturi, a expansão e a compressão dos fluidos fazem com que a pressão dentro do Venturi mude. Este princípio pode ser usado em metrologia para medidores calibrados para pressões diferenciais. Este tipo de medição de pressão pode ser mais conveniente, por exemplo, para medir as pressões de combustível ou combustão em motores a jato ou foguete.

Os primeiros medidores Venturi em grande escala para medir fluxos de líquidos foram desenvolvidos por Clemens Herschel, que os usou para medir pequenos e grandes fluxos de água e esgoto a partir do final do século XIX. Enquanto trabalhava para a Holyoke Water Power Company , Herschel desenvolveria os meios para medir esses fluxos para determinar o consumo de energia de água de diferentes moinhos no Sistema de Canal de Holyoke , primeiro iniciando o desenvolvimento do dispositivo em 1886, dois anos depois ele descreveria sua invenção do medidor de Venturi para William Unwin em uma carta datada de 5 de junho de 1888.

Compensação para temperatura, pressão e massa

Fundamentalmente, os medidores baseados em pressão medem a densidade da energia cinética . A equação de Bernoulli (usada acima) relaciona isso à densidade de massa e fluxo volumétrico,

${\ displaystyle \ Delta P = {\ frac {1} {2}} \ rho (v_ {2} ^ {2} -v_ {1} ^ {2}) = {\ frac {1} {2}} \ rho \ left (\ left ({\ frac {A_ {1}} {A_ {2}}} \ right) ^ {2} -1 \ right) v_ {1} ^ {2} = {\ frac {1} {2}} \ rho \ left ({\ frac {1} {A_ {2} ^ {2}}} - {\ frac {1} {A_ {1} ^ {2}}} \ right) Q ^ { 2} = k \, \ rho \, Q ^ {2}}$

onde os termos constantes são absorvidos em k . Usando as definições de densidade ( ), concentração molar ( ) e massa molar ( ), também se pode derivar o fluxo de massa ou fluxo molar (ou seja, fluxo de volume padrão), ${\ displaystyle m = \ rho V}$${\ displaystyle n = CV}$${\ displaystyle m = Mn}$

${\ displaystyle {\ begin {alinhado} \ Delta P & = k \, \ rho \, Q ^ {2} \\ & = k {\ frac {1} {\ rho}} \, {\ dot {m}} ^ {2} \\ & = k {\ frac {\ rho} {C ^ {2}}} \, {\ dot {n}} ^ {2} = k {\ frac {M} {C}} \ , {\ ponto {n}} ^ {2}. \ end {alinhado}}}$

No entanto, as medições fora do ponto do projeto devem compensar os efeitos da temperatura, pressão e massa molar na densidade e concentração. A lei do gás ideal é usada para relacionar os valores reais aos valores do projeto,

${\ displaystyle C = {\ frac {P} {RT}} = {\ frac {\ left ({\ frac {P} {P ^ {\ ominus}}} \ right)} {\ left ({\ frac { T} {T ^ {\ ominus}}} \ right)}} C ^ {\ ominus}}$

${\ displaystyle \ rho = {\ frac {MP} {RT}} = {\ frac {\ left ({\ frac {M} {M ^ {\ ominus}}} {\ frac {P} {P ^ {\ ominus}}} \ right)} {\ left ({\ frac {T} {T ^ {\ ominus}}} \ right)}} \ rho ^ {\ ominus}.}$

Substituir essas duas relações nas equações de pressão-fluxo acima produz os fluxos totalmente compensados,

${\ displaystyle {\ begin {alinhados} \ Delta P & = k {\ frac {\ left ({\ frac {M} {M ^ {\ ominus}}} {\ frac {P} {P ^ {\ ominus}} } \ right)} {\ left ({\ frac {T} {T ^ {\ ominus}}} \ right)}} \ rho ^ {\ ominus} \, Q ^ {2} & = \ Delta P_ {max } {\ frac {\ left ({\ frac {M} {M ^ {\ ominus}}} {\ frac {P} {P ^ {\ ominus}}} \ right)} {\ left ({\ frac { T} {T ^ {\ ominus}}} \ right)}} \ left ({\ frac {Q} {Q_ {max}}} \ right) ^ {2} \\ & = k {\ frac {\ left ({\ frac {T} {T ^ {\ ominus}}} \ right)} {\ left ({\ frac {M} {M ^ {\ ominus}}} {\ frac {P} {P ^ {\ ominus}}} \ right) \ rho ^ {\ ominus}}} {\ dot {m}} ^ {2} & = \ Delta P_ {max} {\ frac {\ left ({\ frac {T} {T ^ {\ ominus}}} \ right)} {\ left ({\ frac {M} {M ^ {\ ominus}}} {\ frac {P} {P ^ {\ ominus}}} \ right)}} \ left ({\ frac {\ dot {m}} {{\ dot {m}} _ {max}}} \ right) ^ {2} \\ & = k {\ frac {M \ left ({\ frac {T} {T ^ {\ ominus}}} \ right)} {\ left ({\ frac {P} {P ^ {\ ominus}}} \ right) C ^ {\ ominus}}} {\ dot { n}} ^ {2} & = \ Delta P_ {max} {\ frac {\ left ({\ frac {M} {M ^ {\ ominus}}} {\ frac {T} {T ^ {\ ominus} }} \ direita)} {\ esquerda ({\ frac {P} {P ^ {\ ominus}}} \ direita)}} \ esquerda ({\ frac {\ ponto {n}} {{\ ponto {n} } _ {max}}} \ right) ^ {2}. \ end {alinhado}}}$

Q , m ou n são facilmente isolados dividindo e obtendo a raiz quadrada . Observe que a compensação de pressão, temperatura e massa é necessária para cada fluxo, independentemente das unidades ou dimensões finais. Também vemos as relações,

${\ displaystyle {\ begin {align} {\ frac {k} {\ Delta P_ {max}}} & = {\ frac {1} {\ rho ^ {\ ominus} Q_ {max} ^ {2}}} \\ & = {\ frac {\ rho ^ {\ ominus}} {{\ dot {m}} _ {max} ^ {2}}} \\ & = {\ frac {{C ^ {\ ominus}} ^ {2}} {\ rho ^ {\ ominus} {\ dot {n}} _ {max} ^ {2}}} = {\ frac {C ^ {\ ominus}} {M ^ {\ ominus} { \ dot {n}} _ {max} ^ {2}}}. \ end {alinhado}}}$

Exemplos

O efeito Venturi pode ser observado ou usado no seguinte:

Maquinas

• Edutores de carga em produtos petrolíferos e navios-tanques de produtos químicos
• Os inspiradores misturam ar e gás inflamável em churrasqueiras , fogões a gás , bicos de Bunsen e aerógrafos
• Os aspiradores de água produzem um vácuo parcial usando a energia cinética da pressão da água da torneira
• Os sifões de vapor usam a energia cinética da pressão do vapor para criar um vácuo parcial
• Atomizadores dispersam perfume ou tinta spray (ou seja, de uma pistola)
• Os carburadores usam o efeito para sugar a gasolina para o fluxo de ar de admissão do motor
• A cabeça do cilindro no motor de pistão tem várias áreas de Venturi, como a sede da válvula e a entrada da porta
• Os arejadores de vinho infundem ar no vinho enquanto ele é derramado em um copo
• Escumadeiras filtram aquários de água salgada
• Os limpadores de piscina automatizados usam o fluxo de água do lado da pressão para coletar sedimentos e detritos
• Os clarinetes usam um afunilamento reverso para acelerar o ar no tubo, permitindo melhor tom, resposta e entonação
• O tubo principal de um trombone , afetando o timbre
• Os aspiradores industriais usam ar comprimido
• Purificadores Venturi são usados ​​para limpar as emissões de gases de combustão
• Injetores (também chamados de ejetores) são usados ​​para adicionar gás cloro aos sistemas de cloração de tratamento de água
• Os injetores de vapor usam o efeito Venturi e o calor latente de evaporação para fornecer água de alimentação a uma caldeira de locomotiva a vapor .
• Bicos de jato de areia aceleram e mistura de ar e mídia
• A água do porão pode ser esvaziada de um barco em movimento por meio de uma pequena comporta de esgoto no casco. A pressão do ar dentro do barco em movimento é maior do que a água que desliza por baixo.
• Um regulador de mergulho usa o efeito Venturi para ajudar a manter o fluxo de gás assim que ele começa a fluir
• Em rifles sem recuo para diminuir o recuo do tiro
• O difusor em um automóvel
• Carros de corrida que utilizam o efeito de solo para aumentar a força descendente e, assim, tornam-se capazes de velocidades de curva mais altas
• Dosadores de espuma usados ​​para induzir o concentrado de espuma de combate a incêndio em sistemas de proteção contra incêndio
• Os compressores de ar Trompe levam o ar para uma coluna de água em queda
• Os parafusos em algumas marcas de marcadores de paintball

Na natureza

• Hawa Mahal de Jaipur, também utiliza o efeito Venturi, permitindo a passagem de ar fresco, tornando toda a área mais agradável durante as altas temperaturas do verão.
• Grandes cidades onde o vento é forçado entre os edifícios - a lacuna entre as Torres Gêmeas do World Trade Center original foi um exemplo extremo do fenômeno, que tornou a praça no nível do solo notoriamente ventosa. Na verdade, algumas rajadas eram tão altas que o deslocamento dos pedestres precisava ser auxiliado por cordas.
• Em passagens de montanha ventosas, resultando em leituras errôneas do altímetro de pressão
• O vento Mistral no sul da França aumenta de velocidade através do vale do Ródano .
• Os túneis de vento de baixa velocidade podem ser considerados Venturi muito grandes porque aproveitam o efeito Venturi para aumentar a velocidade e diminuir a pressão para simular as condições de voo esperadas.

Veja também

• Efeito Joule – Thomson

Referências

links externos

• Animação 3D do Princípio de Medição de Fluxo de Pressão Diferencial (medidor Venturi)
• UT Austin. "Simulação de tubo de Venturi" . Página visitada em 2009-11-03 .