Princípio de medição de vazão Vortex

Esse princípio de medição baseia-se no fato de que os vórtices são formados a jusante de um obstáculo em um fluxo de fluido, seja em um tubo fechado ou em um canal aberto. Esse fenômeno pode ser observado observando-se os redemoinhos (“rua de vórtices de Kármán”) formados a jusante de um pilar de ponte, por exemplo (Fig. 1). A frequência do desprendimento de vórtices em cada lado do pilar (corpo rombudo) é proporcional à velocidade média da vazão e, portanto, à vazão volumétrica. Já em 1513, Leonardo da Vinci havia esboçado vórtices estacionários a jusante de obstáculos que desviavam a vazão.

Em 1878, Strouhal tentava descrever de forma científica os redemoinhos que se formam atrás dos corpos rombudos. Seus estudos revelaram que um fio esticado em um jato de ar irá oscilar. Ele descobriu que a frequência dessa oscilação é proporcional à velocidade do jato de ar. Esse fenômeno pode ser observado em um carro ou casa: o assobio do vento é causado pela formação de vórtices e aumenta ou diminui conforme a velocidade muda. Isso é chamado de “sons eólicos”.

O número de Strouhal usado nesse contexto descreve a relação entre a frequência de formação de vórtices, a velocidade da vazão e o diâmetro do corpo rombudo (consulte a Fig. 2):

O físico Theodore von Kármán estabeleceu mais bases teóricas para a medição de vazão com medidores Vortex em 1912, quando descreveu o que ficou conhecido como “rua de vórtices de Kármán”. Sua análise da fileira dupla de vórtices atrás de um corpo rombudo em um fluxo de fluido revelou uma proporção fixa entre o espaçamento transversal (d) e o espaçamento longitudinal (L). Se o corpo rombudo for cilíndrico, essa proporção será de 0,281, por exemplo. Com um diâmetro de tubo uniforme, o volume dos vórtices individuais é, portanto, constante. Presumindo que os vórtices tenham o mesmo tamanho apesar das diferenças nas condições de operação, a vazão pode, portanto, ser derivada diretamente do número de vórtices por unidade de tempo.

A vazão atinge sua velocidade máxima na parte mais larga do corpo rombudo e, em seguida, perde parte dessa velocidade. A Figura 3 mostra que a vazão tenta se afastar (a) do contorno do corpo rombudo, em vez de continuar a segui-lo. Isso causa uma baixa pressão localizada, produzindo refluxos e, em última instância, vórtices (b). Esses vórtices se espalham alternadamente por cada lado do corpo rombudo e são levados pelo fluido.

Os corpos rombudos variam em formato de fabricante para fabricante. Eles podem ser retangulares, triangulares, redondos, em forma de delta ou um dos diversos designs exclusivos e patenteados. O formato deve ser tal que o número de Strouhal permaneça constante por toda a faixa de medição; em outras palavras, a frequência dos vórtices é independente da pressão, da temperatura e da densidade. É essa faixa constante (Re > 10.000) que é utilizada para medir a vazão volumétrica com medidores Vortex (consulte a Fig. 4). Os corpos rombudos em forma de delta exibem uma linearidade quase ideal e se mostraram particularmente confiáveis. Engenheiros da NASA submeteram esses formatos de corpos rombudos a estudos exaustivos. A precisão da medição pode ser de ±0,75% da leitura, e a reprodutibilidade é de cerca de 0,1%.

É comum definir as características dos medidores de vazão Vortex em termos do “fator K”. Esse fator representa o número de vórtices em uma unidade de tempo (pulsos por unidade de volume). O fabricante obtém esse fator K por meio da calibração e inclui essa informação na etiqueta de identificação do instrumento. Ele depende do formato do corpo rombudo e do tamanho do tubo.

Um medidor de vazão Vortex (DN 50/2") tem um fator K de 10 pulsos por litro, de modo que cada pulso de vórtice gerado corresponde a um volume de 0,1 litro, independentemente de o fluido que está sendo medido ser água, vapor ou qualquer outro fluido.

Os medidores de vazão Vortex são usados em diversos setores da indústria para medir a vazão volumétrica de vapor, líquidos e gases. Os medidores de vazão Vortex estão se tornando cada vez mais comuns em aplicações que antes usavam exclusivamente medidores de vazão de pressão diferencial, como placas com orifícios. Essa tendência está se mantendo, pelo simples fato de que os medidores de vórtice são mais fáceis de instalar e têm uma faixa mais ampla de rangeabilidade. A Figura 5 mostra um exemplo desse tipo de caso.

Desde os anos 1980, os medidores Vortex se tornaram particularmente populares em todos os setores da indústria para a medição de vapor. Os medidores Vortex medem apenas a vazão volumétrica, mas os sistemas de vapor são geralmente classificados pelo conteúdo de massa ou energia, portanto, esses medidores são frequentemente usados em combinação com sensores de pressão e temperatura integrados ou instalados separadamente.

Ao contrário dos medidores de vazão eletromagnéticos (também conhecidos como medidores magnéticos), os medidores Vortex podem ser usados para determinar a vazão de líquidos não condutores ou apenas ligeiramente condutores, como hidrocarbonetos, água desmineralizada, condensado ou água de alimentação de caldeiras. Eles também podem ser usados em pressões elevadas e temperaturas muito mais altas do que os medidores de vazão eletromagnéticos.

Em aplicações dessa natureza, os medidores Vortex são amplamente utilizados na medição de ar comprimido, gás natural ou componentes individuais do ar, como nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono, hidrocarbonetos, etc.

O foco dos clientes finais evoluiu da medição puramente volumétrica para a medição de massa compensada. Esse desenvolvimento possibilita a elaboração de balanços precisos. Ao levar em conta a pressão e a temperatura, é possível obter medições precisas de massa, o que é essencial para balanços precisos, controle e otimização do processo.

Além disso, a medição especial de vapor úmido (fração de secura/qualidade do vapor) pode ajudar operadores a entender a qualidade de seu vapor e detectar o possível acúmulo de umidade online. Dessa forma, a segurança e a eficiência podem ser aprimoradas de forma confiável. Melhores resultados de precisão tornam-se possíveis em ambientes de vapor saturado/úmido, permitindo que os clientes eliminem possíveis lacunas em seus balanços de massa.

Os medidores de vazão Proline Prowirl da Endress+Hauser combinam a medição de vazão, pressão e temperatura em um único instrumento, resultando em um aumento significativo de eficiência e precisão.

• Precisão: ao registrar a pressão e a temperatura simultaneamente, é possível determinar medições precisas de vazão que independem de flutuações nas condições operacionais e, portanto, são ideais para o balanço da massa de gás e vapor.
• Eficiência: a integração de múltiplos parâmetros em um único equipamento reduz significativamente os esforços de instalação e custos de manutenção.
• Confiabilidade: os medidores de vazão Prowirl são robustos e duráveis, garantindo um desempenho confiável mesmo em condições exigentes.