UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ

CENTRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIAS EXATAS

ENGENHARIA MECÂNICA – PARQUE TECNOLÓGICO ITAIPU
MECÂNICA DOS FLUIDOS
WILLIAM ALEXANDER CARRILLO IBANEZ

SAMUEL FRASSON DA SILVA

VINICIUS YUJI KAWAHARA

BOLHÔMETRO

FOZ DO IGUAÇU
2018
Resumo: Este experimento consiste no cálculo da vazão de massa de um equipamento com
certa potência consumida, tendo em mãos um cilindro com uma mistura de água + detergente
e uma mangueira de silicone acoplada a um orifício próximo à base do recipiente para a
criação de uma bolha que ultrapassará demarcações feitas no recipiente. Será realizada a
marcação do tempo necessário para a bolha percorrer o espaço entre as demarcações e a partir
desses dados será calculado a vazão do equipamento.

Palavras-chave: Vazão mássica, potência, tempo, bolha.

1. INTRODUÇÃO
1.1 HISTÓRICO
Na história, grandes nomes marcaram suas contribuições. Mais precisamente, em 1502
Leonardo da Vinci observou que uma quantidade de água por unidade de tempo escoava
que em um rio era a mesma em qualquer parte, independente da largura, profundidade,
inclinação e outros fatores. Mas o desenvolvimento de dispositivos práticos só foi possível
com o surgimento da era industrial e o trabalho de pesquisadores como Bernoulli, Pitot e
outros.

1.2 TIPOS DE MEDIDORES DE VAZÃO

Resumidamente há três classificações de medidores de vazão:
 Medidores indiretos utilizando fenômenos intimamente relacionados à
quantidade de fluido passante. Esse tipo pode ser dividido em dois:
i. Perda de carga variável (área constante): Tubo de Pitot, Tubo de Venturi,
Tubo de Dall, Annubar, Placa de Orifício;
ii. Área variável (perda de carga constante): Rotâmetro.
 Medidores diretos de volume do fluido passante. Pode ser dividido em dois:
i. Deslocamento positivo do fluido: Disco Nutante, Pistão flutuante, Rodas
ovais, Roots;
ii. Velocidade pelo impacto do fluido: Tipo Hélice, Tipo Turbina.
 Medidores especiais:
i. Eletromagnetismo;
ii. Vortex;
iii. Ultrassônico;
iv. Calhas Parshall;
v. Coriolis.

1.3 MEDIÇÃO DE VAZÃO

A principal característica de um escoamento é a sua vazão, uma vez que seu valor é
utilizado no dimensionamento de obras de engenharia, além de permitir entender melhor o
comportamento de um canal. O estudo da vazão de um rio ou canal é de grande
importância na elaboração de projetos de engenharia para sistemas de água e esgotos,
geração de energia elétrica, irrigação e drenagem.
 Há inúmeros fatores influentes na medição da vazão de massa, tais como o tipo de
fluido, viscosidade, atrito, densidade, calor específico, temperatura, variação de pressão,
tipo de escoamento, entre outros que ajudam a chegar em um resultado mais preciso.
A medição de vazão se faz muito importante nos dias de hoje. Um exemplo disso é o
hidrômetro, que geralmente fica na área externa das casas que controlam a consumação de
água.
A vazão pode ser definida como sendo a quantidade volumétrica ou mássica de um
fluido que escoa através de uma seção de uma tubulação ou canal por unidade de tempo.
Para determinar a vazão foram utilizadas as seguintes equações, e assumidas as
seguintes hipóteses:
Hipóteses assumidas:
i. Fluído incompressível;
ii. Regime permanente;
iii. Efeitos do atrito desprezíveis;
iv. Pressão local igual pressão atmosférica;
v. Temperatura do ar na saída do secador é igual a temperatura ambiente;
vi. Escoamento ao longo de uma linha de corrente;
vii. A densidade do ar é igual a densidade de ar seco, desconsiderando a umidade;

O volume teórico foi obtido através da seguinte equação:

π.D²
V teorico = .h (1)
4
No qual π é constante e D é o diâmetro do cilindro e h a altura do mesmo, que foi
retirado com a régua.
A densidade do ar no local foi obtida com a seguinte equação:
p
ρar = (2)
R.T
Onde p é a pressão do ar em Pascal, a qual foi considerada a pressão atmosférica
101325 Pa, a constante R representa a constante especifica do gás para ar seco no valor de
J
287.05 , e T a temperatura ambiente na escala Kelvin, como a temperatura ambiente
kg . K
foi captada em graus Celsius se faz necessária a aplicação da seguinte equação para
conversão de Celsius para Kelvin:
K=C+237,15 (3)
Onde K é a escala em Kelvin e C é a temperatura em Celsius.
Com os dados obtidos até agora, experimentalmente e teoricamente se torna possível
3
Kg m
realizar os cálculos de Vazão Mássica em e Vazão Volumétrica em
s s
respectivamente pelas seguintes equações, para cada tempo no índice i , obtido com o
cronômetro.

V . ρar
ṁ= (4)
ti
 Onde Μ representa a Vazão Mássica, V representa o volume experimental, ρar
representa a densidade do ar obtida através da equação 2 e o t i representa cada tempo
amostral no índice i .
V
Q= (5)
ti

Onde Q representa a vazão volumétrica, V representa o volume experimental e t i

representa cada tempo amostral no índice i .
L
A vazão volumétrica também foi convertida para (litros por segundo), utilizando a
s
equação 5 e multiplicando o seu resultado por 1000.
Foram também calculados os valores médios de tempos, vazão mássica e vazão
mvolumétrica, calculados com a seguinte equação:
∑Xi
X médio= (6)
n
Onde X médio representa cada um dos termos que foram calculados a média, ∑ X i
representa o somatório da quantidade de termos que foram obtidos para cada grandeza, e n
representa a quantidade de termos obtidos.
Para cada uma das cinco medidas, foi realizado o processo inverso para confirmar a
exatidão dos cálculos manipulando a equação 5 e isolando o Volume experimental,
comprova-se que para cada valor de vazão obtido teoricamente o volume experimental que
é a quantidade de liquido entre as duas marcações do cilindro é sempre a mesma.
Para fins comparativos entre a vazão calculada pelo bolhômetro e a vazão real do
secador foi utilizado um anemômetro. Para tal comparação foi feita a medição da
velocidade através do anemômetro. Utilizando essa velocidade e a área de saída do vento,
achou-se a vazão mássica e volumétrica através das seguintes equações:
ṁ=v . A (7)
Em que ṁ é a vazão mássica, v é a velocidade de saída do secador e A é a área da seção
transversal da saída do secador.
v. A
Q= (8)
ρ
Onde Q é a vazão volumétrica, v é a velocidade de saída do secador, A é a área da seção
transversal de saída do secador e ρ é a densidade do ar.

2. OBJETIVOS
O principal objetivo deste experimento é medir a vazão do sistema cilindro-mangueira-
secador através do método do bolhômetro, que consiste em formar uma película de
detergente utilizando um sistema de convecção forçado (secador de cabelo) dentro de um
cilindro com demarcações previamente feitas.

3. MATERIAIS UTILIZADOS
  Cilindro;
 Mangueira de plástico;
 Loctite Durepoxi;
 Água;
 Copo medidor;
 Detergente;
 Secador de cabelo;
 Fita isolante;
 Trena milimetrada.
 Tubo de caneta BIC;
 Anemômetro.

4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Foi disponibilizado pelo docente da disciplina um cilindro com um furo de 2,1 cm de
altura (distância da base até o centro do orifício), e uma mangueira com diâmetro interno
de 45 mm e diâmetro externo de 75 mm.
Foi utilizado um tubo de caneta para conexão da mangueira até o cilindro, para fazer
com que a massa de ar deslocada pela convecção forçada do secador, chegasse de maneira
uniforme e na horizontal para dentro do cilindro.

Imagens 1 e 2: Conexão mangueira – cilindro.

Para vedação do dispositivo mangueira-caneta-cilindro, foi utilizado fita isolante para
a junção, e posteriormente o Loctite Durepoxi, que cria uma massa epóxi que funciona
como adesivo bi componente.
A outra ponta da mangueira foi conectada diretamente no bocal do secador de cabelo,
o qual utilizamos para o processo de convecção forçada, com várias camadas de fita
isolante para provocar o mínimo de perdas possíveis, aliado à potência de 4000W do
secador de cabelo, que possuí duas opções de potência sendo média e máxima, os dados
foram retirados com a potência média.
 Imagens 3 e 4: Sistema completo.
Para fins de estudo e de maior confiabilidade foram retirados cinco dados amostrais do
experimento para analisar os valores médios encontrados, o experimento foi filmado na
opção câmera lenta a 240fps (quadros por segundos) do smartphone, para facilitar a
visualização e posteriormente a contagem do tempo com o cronometro, em que as bolhas
passavam da marcação inferior para marcação superior.
À temperatura ambiente aproximadamente 26ºC, a altura e o diâmetro do cilindro
foram retiradas utilizando uma trena, o volume experimental foi obtido preenchendo com
água até a marcação inferior do cilindro, e posteriormente foi inserido mais 225 mililitros
de água, marcados através de um copo medidor, que fez com que o liquido se alinhasse
com a marcação superior do cilindro.

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Para a realização dos cálculos foi feito a retirada dos dados necessários para tal.
Densidade (kg /m3) 1,18256
Temperatura ( ℃ ) 26
Volume Experimental 0,00025
(m¿¿ 3)¿
Volume Teórico (m¿¿ 3)¿ 0,0002449
Altura ( m ) 0,076
Diâmetro ( m ) 0,064
Tabela 1: Dados necessários para a realização dos cálculos
Foi cronometrado 5 vezes o tempo necessário para a bolha atravessar os espaços
previamente demarcados.
Nº de medidas tempo (s)
1 0,401
2 0,402
3 0,452
4 0,401
5 0,500
Média 0,4312
Tabela 2: Tempos necessário para a bolha atravessar as marcações.

Tendo em mãos os tempos, a densidade do ar e o volume demarcado no cilindro, foi

possível encontrar a vazão mássica, utilizando a equação (4).
 Nº de medidas vazão mássica (kg /s )
1 0,000662409
2 0,000660761
3 0,000587668
4 0,000660761
5 0,000531252
Média 0,0006209
Tabela 3: Valores de vazão mássica.

Tendo em mãos os tempos e o volume demarcado no cilindro, foi possível calcular a

vazão volumétrica, através da equação (5).
Nº DE MEDIDAS VAZÃO VOLUMÉTRICA VAZÃO
( m3 /s ) VOLUMÉTRICA ( L/s )
1 0,000561097 0,561097257
2 0,000559701 0,559701493
3 0,000497788 0,497787611
4 0,000561097 0,561097257
5 0,00045 0,45
Média 0,000525937 0,525936723
Tabela 4: Valores de vazão volumétrica.
Com os resultados obtidos, foi notado que chegamos à valores plausíveis pois a vazão
média é de 0,5225936723 L/s. Pois em uma média de 0,4312s foi ocupado 0,000225L.
Utilizando um anemômetro e as equações (7) e (8), foram obtidos os seguintes valores.
Vazão pelo Velocidade
Anemômetro (m/s ) Diâmetro ( m ) Área (m2 ¿
(m¿¿ 3/ s)¿

SECADOR 0,0311811092 29 0,037 0,00107521

TUBO 0,000111919 5,7 0,005 1,9635×10−5
Tabela 5: Vazões medidas a partir das velocidades retiradas com o anemômetro.

6. CONCLUSÃO
Analisando os ambos os resultados obtidos, é possível perceber uma divergência
razoavelmente grande entra os valores de vazão. Pois além da imprecisão na retirada de
dados, é grande a diferença da velocidade quando medida com e sem o bucal. Entretanto,
para o estudo do caso, e fazendo o uso de todas as hipóteses mencionadas para facilitação
dos cálculos do experimento bem como a geometria dos materiais utilizados de modo
geral, o conjunto faz com que os resultados obtidos sejam satisfatórios.

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
https://www.trabalhosgratuitos.com/Exatas/Engenharia/DETERMINA
%C3%87%C3%83O-DA-VAZ%C3%83O-EM-FUN%C3%87%C3%83O-DA-MASSA-E-
1285799.html
https://br.omega.com/prodinfo/medidores-de-vazao.html
http://www.smar.com/newsletter/marketing/index40.html
https://www.brisbanehotairballooning.com.au/calculate-air-density/
https://automacaoecartoons.com/2018/09/16/vazao-massica-vazao-volumetrica/#1