Ensaio experimental Tubo de Pitot

TUBO DE PITOT

História

  O tubo de Pitot foi inventado por Henri de Pitot (1695-1771), físico e engenheiro naval francês de Aramon, na região francesa de Gard, sudoeste do país, especialista em drenagens, construção de aquedutos como o que projetou e construiu em Montpelier (1760), canais abertos. E criador do medidor hidrodinâmico tubo de Pitot (1732). Tornou-se membro da Royal Society of London e da Académie des Sciences, onde publicou vários trabalhos sobre hidráulica, estruturas, geodésia, astronomia, matemática, saneamento, etc. Desenvolveu investigações científicas sobre as bombas e o rendimento das máquinas hidráulicas que trouxeram grandes contribuições para a termodinâmica e a hidrodinâmica. 

OO que é

O Tubo de Pitot é um tubo com uma abertura em sua extremidade, sendo esta, colocada na direção da corrente fluida de um duto, mas em sentido contrário. A diferença entre a pressão total e a pressão estática da linha nos fornecerá a pressão dinâmica a qual é proporcional ao quadrado da velocidade.

Funcionamento

       O tubo de Pitot funciona basicamente como um medidor de pressão diferencial, necessitando para isso, possuir duas pressões bem definidas e comparadas. A primeira fonte de pressão do sistema é a pressão de impacto, podendo ser chamada também de pressão total ou pressão de estagnação, sendo esta pressão a soma da pressão estática com a pressão dinâmica. A sua medição é feita através de uma tomada de pressão, a qual é voltada contra o escoamento e alinhada com as linhas de corrente, com o intuito de receber o impacto do fluído, encontrando-se na extremidade do tubo de Pitot. •A segunda tomada de pressão é a pressão estática, que pode ou não ser apoderada na mesma localidade do Tubo de Pitot. Geralmente essa expugnação localiza-se nas proximidades da tomada de pressão de impacto, se não, no mesmo corpo do Tubo de Pitot, porém podendo estar locada em uma posição totalmente distinta da apreensão de pressão de impacto. Encontra-se sua proporção através do uso de um pequeno orifício executado na parede da tubulação ou de outra superfície alinhada com o escoamento, cuidando para que esta medição altere o mínimo possível o movimento do fluído. A tomada de pressão estática precisa estar localizada numa posição de ângulo reto ao fluxo laminar do fluido, para melhor precisão. Possuindo os resultados das diferenças das pressões encontradas, tem-se a pressão dinâmica, ou seja, é a pressão derivada da conversão da energia cinética do fluído em pressão, através da desaceleração isentrópica do mesmo. Conhecendo essa pressão e a densidade do fluido, é possível obter a velocidade do mesmo, através de equações convenientes. Em geral o tubo de Pitot encontra-se em áreas de fluxo laminar, sem muita perturbação ou turbilhonamento. Na placa de orifício à medida que o fluido se aproxima da placa há um ligeiro aumento na pressão, após a passagem pelo orifício há uma súbita queda. Esta pressão continua a cair até atingir um ponto de tensão mínima chamada “vena contracta”, logo a mesma começa a subir até atingir a pressão máxima após a placa. Essa pressão será sempre menor que a pressão anterior da placa, porém a diferença entre elas é chamada de “perda de carga” e é importante para  dimensioná-lo bombas e outros elementos da tubulação, o que também significa energia perdida devido à restrição imposta na linha pela placa. Quando atravessada no orifício, a redução da pressão é resultado do aumento em sua velocidade, o qual passa pela área reduzida. O fluido que está escoando através da área da tubulação tende a querer passar pelo orifício que possui área menor, assim o fluido é “acelerado”, o que causa a queda de pressão. Percebe-se neste método que à medida que a vazão no tubo aumenta, a diferença da pressão medida antes e depois da placa (pressão diferencial) também aumenta, sendo que essa pressão diferencial é proporcional ao quadrado da velocidade do fluido. Supondo que todos os outros fatores permaneçam constantes, tais como a área do tubo, área do orifício, viscosidade do fluido etc, pode-se verificar que a P é proporcional ao quadrado da vazão. 

Aplicações

Atualmente o tubo de Pitot possui inúmeras aplicações, entre elas: aviação, náutica, aeromodelismo, vazão de fluxo em tubulações industriais, estudos relacionados aos fluidos, medição de temperatura (com o aparato necessário), simples medição de pressões, altitudes, velocidades, e também auxiliando pesquisas meteorológicas.

 Aviação e o Tubo de Pitot

       A aviação, este tipo de aplicação tem sido citada frequentemente em jornais e outros meios, devido ao recente acidente do Air France. O tubo de Pitot utilizado em aviões tem a função de medir a velocidade dos mesmos, baseando-se na diferença de pressão. A aplicação depende da velocidade do avião e a pressão exercida no tubo, ou seja, conforme a velocidade do avião aumenta ou diminui, atua-se diretamente na pressão total localizada na entrada do tubo, causando a aplicação de uma força na coluna do líquido provocando a diferença de altura “h”. Com isto é possível indicar e identificar a velocidade do avião.

Método e equipamento utilizado

       O medidor de pressão diferencial utilizado foi um tubo em U, justamente por ser muito simples e de funcionamento facilmente compreendido. Através da diferença de altura entre as colunas do fluido interno ao tubo em U, pode-se calcular a pressão diferencial e a começar a calcular a velocidade do fluido que está em movimento, neste caso o ar. Utiliza-se a equação de Bernouli para fluidos incompressíveis, uma vez que a velocidade do fluido a ser medida é baixa. O medidor de pressão consiste de um ventilador, com a finalidade de direcionar o fluxo de ar, existindo no centro do canal duas extremidades do Tubo de Pitot. O fluido a ser colocado dentro do tubo em U deve ser de densidade e viscosidade conhecidas. Quanto maior a densidade do fluido menor a sensibilidade da escala, e quanto menor a densidade do fluido mais sensível será a escala. Para se conhecer a velocidade do fluido, primeiramente deve-se encontrar a pressão diferencial, a qual é encontrada através da medida da diferença de altura, em milímetros, entre as colunas do tubo em U. Como já citado anteriormente, é necessário conhecer a densidade e a viscosidade do fluido que se encontra dentro do tubo em U. De posse da pressão diferencial pode-se calcular a velocidade do fluido que está em movimento através das Equações de Bernoulli para fluidos incompressíveis, já que a velocidade do fluido é baixa. É indispensável conhecer também a densidade do fluido que está em movimento, neste caso, o ar. A fim de se atingir o objetivo do experimento determinar o perfil de velocidade experimental utilizou-se o seguinte método: Mediu-se a pressão piezométrica pelas diferenças de altura do tubo de PT, obtida através dos dados coletados com o auxilio de trena de medição. Após o procedimento, foram coletados os demais dados como, a temperatura local, o diâmetro interno da tubulação e da placa de orifício, o líquido utilizado no manômetro 01 e 02 e a pressão atmosférica. Na tubulação onde foi instalada a placa de orifício, através de mangueiras ligou-se um manômetro de coluna em U, determinando assim a queda de pressão no escoamento do ar que passa pela obstrução gerada pela placa. Com o auxilio de um tubo de Pitot determinou-se a velocidade do escoamento no final do túnel de vento. 

Materiais utilizados

       Os materiais utilizados para a realizar este experimento em laboratório foram: uma bancada composta por um conjunto de tubulações, cujo diâmetro é de 52 mm; válvulas; um reservatório de ar; um manômetro com escala graduada e um ventilador. 

TABELA COM DADOS COLETADOS

TUBO DE PITOT

ITEM	ALTURA	“Δh” VAZÃO 1	“Δh” VAZÃO2
1	3,5 cm	4 mm	4 mm
2	2,5 cm	5 mm	3 mm
3	1,5 cm	4 mm	3 mm
4	0 cm	3 mm	2 mm

PLACA DE ORIFÍCIO 

Medição	“h” Placa de orifício
1	3,7 cm
2	3,0 cm

Resultados e Discussões 

Perfil de velocidade do ar no interior da Tubulação para cada vazão: 

ɣ1=ρ.g(ar)=1,184x9,81=11,61kg/ms² 

ɣ2=ρ.g(água) =1000x9,81=9,810 kg/ms²

Vazão 1 

Altura 3,5

V1 = √2x9,81x0,004(9810-1/11,61) = 8,14 m/s

Altura 2,5

V2= √2x9,81x0,005(9810-1/11,61) = 9,10 m/s

Altura 1,5

V3 = √2x9,81x0,004(9810-1/11,61) = 8,14 m/s

Altura 0

V4 = √2x9,81x0,003(9810-1/11,61) = 7,05 m/s

Vazão 2

 Altura 3,5

V1= √2x9,81x0,004(9810-1/11,61) = 8,14 m/s

Altura 2,5

V2 =√2x9,81x0,003(9810-1/11,61) = 7,05 m/s

Altura 1,5

V3= √2x9,81x0,003(9810-1/11,61) = 7,05 m/s

Altura 0

V4 =√2x9,81x0,002(9810-1/11,61) = 5,75 m/s

Gráfico da velocidade pela altura

Item	Altura	Vazão 1 (Q1) ∆h	V (m/s)	Vazão 2 (Q2) ∆h	V (m/s)
1	3,5	4 mm -0,004m	8,14 m/s	4 mm- 0,004m	8,14 m/s
2	2,5	5 mm- 0,005m	9,10 m/s	3 mm- 0,003m	7,05 m/s
3	1,5	4 mm-0,004m	8,14 m/s	3 mm-0,003m	7,05 m/s
4	0	3 mm- 0,003m	7,05 m/s	2 mm- 0,002m	5,75 m/s

       Na vazão 1, temos a velocidade máxima na altura 2,5 com Q1= 0,005m e uma   velocidade de 9,10 m/s. Portanto, esta de acordo com devidas especificações que:   quanto mais distante da parede do tubo maior a velocidade, pois terá menos atrito.

       Na vazão 2, temos velocidade máxima na altura 3,5 com Q2=0,004m e uma velocidade de 8,14 m/s. Esta, não está dentro das especificações, pode ter ocorrido um erro na hora de tirar as medidas do tubo de Pitot.

  Vazão no interior da tubulação:

       Q=ύ x A 

       r=(D/2) = (5,2/2)cm = 2,6cm = 0,026m

       A = π x r²  → A= π x 0,026² = 0,002123m

Vazão 1
Altura 3,5
Q1= 8,14 x π x (0,026)²/2 = 0,00864m³/s
Altura 2,5
Q2= 9,10 x π x (0,026)²/2 = 0,00966m³/s
Altura 1,5
Q3= 8,14 x π x (0,026)²/2 = 0,00864m³/s
Altura 0
Q4= 7,05 x π x (0,026)²/2 = 0,00748m³/s

Vazão 2 

Altura 3,5 

Q1= 8,14 x π x (0,026)²/2 = 0,00864m³/s 

Altura 2,5

Q2= 7,05 x π x (0,026)²/2 = 0,00748m³/s

Altura 1,5

Q3= 7,05 x π x (0,026)²/2 = 0,00748m³/s

Altura 0

Q4= 5,75 x π x (0,026)²/2 = 0,0610m³/s

Velocidade Máxima

  Vazão 1 

A velocidade máxima esta situada na altura 2,5 com v= 9,10m/s. Pois, quanto mais longe do atrito das paredes do tubo maior será a velocidade.

  Vazão 2

A velocidade máxima esta situada na altura 3,5 com v= 8,14m/s. Esta deve ter ocorrido à medição errada no manômetro, pois de acordo com as bibliografias especificas também deveria estar no meio do tubo (altura 2,5).

Velocidade Média 

Para cada vazão: Velocidade máxima na vazão 1 = 0,00966m³/s
Velocidade máxima na vazão 2 = 0,00864m³/s
Área = 0,02123
Vmédia= 8,619 m/sDevido à medição errada no manômetro a velocidade média ira variar também.

A vazão medida pela diferença pressão a Montante e a Jusante à placa;(Placa de Orifício).

*Medição 1

h = 3,7cm = 0,037m

V = √2x9,81x0,037(9810-1/11,61) = 24,76 m/s

Q1= 24,76 x π x (0,026)²/2 = 0,026m³/s

*Medição 2

h = 3,0cm = 0,03m

V = √2x9,81x0,03(9810-1/11,61) = 22,30 m/s

Q2= 23,30 x π x (0,026)²/2 = 0,023m³/s

Há uma diferença nos valores da vazão para o tubo de Pitot e na placa de orifício, porque o orifício onde

passa o fluido é menor na placa do que no tubo de Pitot, causando assim uma pressão maior.

Considerações Finais

Após ter colhido os dados e feito os cálculos conclui-se que a velocidade no centro do Tubo de Pitot é

maior que nas extremidades. Por consequência, conforme o “tubinho” vai se aproximando da parede do

tubo a velocidade vai diminuindo, isso ocorre devido à maior pressão e menor velocidade. E, devido às

medições no manômetro na hora do ensaio existiu um erro em relação aos resultados obtidos reais. A

velocidade do escoamento é máxima no centro da tubulação e vai diminuindo até que se anula nas

paredes. Isto se deve ao efeito de escoamento de fluidos viscosos em tubulações. Os resultados obtidos

apresentaram valores próximos, independendo da vazão. Conclui-se que este método de medição de

vazão pode ser eficiente desde que se tenha maior precisão na coleta dos dados e seus cálculos. 

VÍDEO COM EXPERIMENTO

(Link do vídeo no youtube: https://www.youtube.com/watch?v=zMeIqFa2mv8)

Referencias 

FOX, Robert W.; MCDONALD, Alan T. Introdução à mecânica dos fluidos. 6. ed. Rio de Janeiro, 2006.

Da Silva, Tadeu Hudson. Mecânica dos fluidos e fenômenos de transporte. 4 ed. Minas Gerais, 1996

NICOLAU, Vicente de Paulo; GUTHS, Saulo. Medição de Velocidade de Escoamentos com o Tubo de Pitot. 2001. Disponível em: .

GUIMARÃES, Kelvin Gama. Inserção do Tubo de Pitot nas aulas de fenômenos de transporte experimental. 2016. 40 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia Química, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2016. Disponível em: .

COELHO, Pedro. Viscosidade: Dinâmica e Cinética. 2015. Disponível em: .

GOMES, Maria Helena Rodrigues. Apostila de Mecânica dos Fluídos. Disponível em: .

OLIVEIRA, Marcos Aurélio Barbosa de. Conceitos de física básica que todo cirurgião cardiovascular deve saber. Parte I - Mecânica dos fluídos. 2010. Disponível em: . 

ALUNAS: CAROLINA S. HEIDEMANN E NATALIA V. MARTINS