MEDIÇÃO  DA  VELOCIDADE  DO  AR  COM  TUBO  DE  PITOT

Em sistemas de ar condicionado e operações de aquecimento e  ventilação é fundamental o conhecimento  das técnicas usadas para determinar a velocidade do ar.  Nesta área, a velocidade do ar (distância percorrida pelo ar por unidade de tempo) é geralmente expressa em metros por segundo (m.p.s) ou pés por minuto (f.p.m.).  Multiplicando-se a velocidade do ar pela área da secção transversal de um duto, determina-se o volume de ar que passa pelo duto, por unidade de tempo.  O volume do fluxo é geralmente medido em metros cúbicos por segundo (m.c.s.) ou pés cúbicos por minuto (c.f.m.).

As medições de velocidade e de volume do ar podem ser realizadas, muitas vezes, com    informações de projetos ou de manuais de engenharia para avaliar o desempenho adequado ou inadequado de um sistema de fluxo de ar.  Os mesmos princípios usados para determinar a velocidade do ar são válidos também para se trabalhar com transporte pneumático, fluxo de gás combustível e sistemas de processamento com gás.  Entretanto, nessas áreas, as unidades comuns de velocidade e volume, às vezes, são diferentes das unidades usadas em sistemas de ar condicionado.

Geralmente usamos ventiladores ou insufladores para movimentar o ar.  Eles atuam impondo movimento e pressão ao ar pela ação de uma hélice ou de uma pá rotativa. Quando a força ou pressão das palhetas de um ventilador colocam o ar em movimento, este ar em movimento, devido ao seu peso e à sua inércia, adquire uma força ou pressão  em sua direção de movimento.  É por este motivo que uma bandeira tremula ao vento, ou seja, ao fluxo do ar.   Esta força é chamada de pressão de velocidade .  É medida em polegadas de coluna d’água (w.c.) ou fluviômetro (w.g.).  Em sistemas de dutos, sempre se encontra presente uma segunda pressão.  Esta independe da velocidade ou do movimento do ar.  Conhecida como pressão estática, ela atua igualmente em todas as direções.  Em sistemas de ar condicionado esta pressão também é medida em polegadas de coluna d’água ou em milímetros de coluna d’água (mmca).

Em sistemas de pressão e de suprimento, a pressão estática será positiva  no lado da descarga do ar do ventilador.  Em sistemas de exaustão, existirá uma pressão estática negativa do lado da admissão de ar do ventilador.  Se um ventilador for instalado em um sistema de dutos, a meio caminho entre a admissão e a descarga do ar, é normal que haja pressão estática negativa no lado da admissão de ar do ventilador e pressão estática positiva no lado da descarga do ar.

Pressão total é a combinação de pressão estática com pressão de velocidade, e é expressa nas mesmas unidades de medida.  O conceito de pressão total é importante e útil por ser fácil de se determinar e, embora a pressão de velocidade não seja fácil de se medir diretamente, ela pode ser facilmente determinada subtraindo-se a pressão estática da pressão total.  Esta subtração não precisa ser feita matematicamente.  Pode ser calculada com instrumentos apropriados. 

MEDIÇÃO  DA  PRESSÃO  ESTÁTICA

Para a maioria das aplicações industriais e científicas, as únicas medições de ar necessárias são as de pressão estática, pressão total e temperatura.  Conhecendo-se estes dados, a velocidade e o volume do ar podem ser prontamente calculados. 

Para se medir a pressão estática, seis tipos de dispositivos podem ser usados.  Estes são conectados à tubulação com um instrumento indicador de pressão.

A Fig. 1-A mostra uma medição simples de pressão estática através da parede.  Trata-se de uma abertura de canto vivo, livre de arestas, através de uma parede de condutor, provida de um tipo de conexão de tubulação no lado externo.  O eixo desta abertura precisa estar em  sentido perpendicular com a direção do fluxo de ar.  Este tipo de conexão é usado quando o fluxo de ar é relativamente lento, suave e sem turbulência.  Se houver turbulência, o impacto, a aspiração ou a distribuição desigual do ar em movimento  na abertura pode reduzir significativamente a precisão das leituras. 

A Fig. 1-B mostra o Modelo A-308 para pressão estática, distribuído pela Hygro-Therm.  Projetado para instalação simples, é econômico e proporciona medição precisa de pressão estática em correntes de ar suaves, a velocidades até 1.500 pés por minuto ou 7.62 metros por segundo.

A Fig. 1-C mostra um tubo simples através da parede.  As limitações deste tipo de medição de pressão estática são semelhantes às do tipo 1-A de parede.

A Fig. 1-D mostra uma ponta de pressão estática, ideal para aplicações com queda de pressão estática em filtros de ar industriais e serpentinas de refrigeração.  Neste caso a probabilidade de turbulência do ar requer que as aberturas para medição da pressão sejam localizadas distante das paredes do duto para minimizar o impacto e a aspiração do ar, assegurando, desta forma, a precisão das leituras.  Para uma instalação permanente deste tipo utilizam-se os Modelos A-301 ou A-302, distribuídos pela Hygro-Therm, os quais detectam a pressão estática através de orifícios radialmente perfurados, próximos ao bico, e podem ser usados em velocidades de fluxo de ar de até 12.000 pés por minuto ou 60 metros por segundo.

A Fig. 1-E mostra a Ponta para Medição de Pressão Estática Modelo A-305, distribuída pela Hygro-Therm. Apropriada  para medir a pressão estática de baixa resistência, foi projetada para uso em ar carregado de poeira e para aplicações de resposta rápida.  É recomendada para uso em locais com pressão de atuação muito baixa para um pressostato ou para um manômetro de pressão diferencial – ou nos casos em que o tempo de resposta seja crítico.

Nas condições de campo, a turbulência do ar dentro de um duto ou no pleno muitas vezes torna impossível instalar e alinhar rapidamente um sensor rígido de pressão estática para se obter leituras precisas.   Nessas circunstâncias, o Sensor de Pressão Estática Trail-Tail®  (Fig.1-F), distribuído pela Hygro-Therm, pode ser rapidamente introduzido no duto, através de um pequeno orifício, entrando automaticamente em alinhamento com a corrente de ar.  Os orifícios para a verificação da pressão neste dispositivo formam um  ângulo de 90° com a direção do  ar propriamente dito, proporcionando leituras rápidas, consistentes e precisas. 

MEDIÇÃO DA PRESSÃO TOTAL E DA PRESSÃO DE VELOCIDADE

Para medir a pressão estática, não poupamos esforços para eliminar os efeitos do movimento do ar.  Para  medir a pressão de velocidade, é necessário determinar esses efeitos de forma completa e precisa.  Isto geralmente é feito com um tubo de impacto que penetra diretamente no contrafluxo da corrente de ar.  Este tipo de sensor é chamado de “captador de pressão total”, uma vez que recebe os efeitos tanto da pressão estática quanto da pressão de velocidade, substituído com vantagem pelo tubo de Pitot.

FIG. 2 – TIPOS DE MEDIÇÃO DE PRESSÃO

 

Observe, na Fig. 2, que conexões separadas de pressão estática (A) e de pressão total (B) podem ser conectadas simultaneamente ao longo de um manômetro (C).  Quando a pressão estática é aplicada em ambos os lados do manômetro, seu efeito é cancelado e o manômetro indica somente a pressão de velocidade.  

 

Para converter pressão de velocidade em velocidade propriamente dita, são necessários cálculos matemáticos, referência a gráficos ou curvas, ou a calibração prévia do manômetro para indicar diretamente a velocidade.  Na prática, este tipo de medição é feita geralmente com um tubo de Pitot que engloba sensores tanto de pressão  estática como de pressão total em uma única unidade. 

 

Em essência, um tubo de Pitot consiste de um tubo de impacto (que recebe a entrada da pressão total) fixado concentricamente dentro de um segundo tubo, de diâmetro ligeiramente maior, que recebe a entrada da pressão estática através de orifícios sensores radias ao redor da  sua extremidade.  O espaço de ar entre os  tubos interno e externo permite a transferência de pressão dos orifícios sensores para a conexão de pressão estática na extremidade oposta do tubo de Pitot e, em seguida, através de tubulação de conexão, para o lado da pressão baixa ou negativa de um manômetro.  Quando o tubo de pressão total está conectado ao lado da pressão alta do manômetro, a pressão de velocidade é indicada diretamente.  Observe na Fig. 3.  

FIG. 3 – O TUBO DE PITOT MEDE AS PRESSÕES TOTAL E ESTÁTICA. O MANÔMETRO MEDE A PRESSÃO DE VELOCIDADE –  ( DIFERENÇA ENTRE A PRESSÃO TOTAL E A PRESSÃO ESTÁTICA).

 

 

Sendo o tubo de Pitot um dispositivo captador, primário, padrão, utilizado para calibrar todos os demais dispositivos medidores da velocidade do ar, é indispensável que se dedique um  grande cuidado ao seu projeto e à sua fabricação.  Nos tubos de  Pitot modernos, o projeto adequado do nariz ou ponta – juntamente com a distância suficiente entre a ponta, a tomada de pressão estática e a haste – minimizam a turbulência e a interferência.  Isto permite o seu uso sem correções ou calibrações.   Todos os modelos de Tubo de Pitot distribuídos pela Hygro-Therm são fabricados de acordo com os padrões AMCA e ASHRAE  e possuem fatores de calibração unitária para assegurar a sua precisão.

 

Para assegurar leituras precisas de pressão de velocidade, a ponta do tubo de Pitot deve estar dirigida diretamente para a corrente de ar (em paralelo com a mesma).  Como a ponta do tubo de Pitot está paralela ao tubo de saída da pressão estática, o tubo  pode ser usado com um ponteiro para alinhar corretamente a ponta to tubo de Pitot.  Estando o tubo de Pitot corretamente alinhado, a indicação da pressão será máxima. 

 

Como não se pode realizar leituras perfeitas em uma corrente de ar turbulenta, o tubo de Pitot deve ser inserido no duto, no sentido da direção do fluxo de ar, a uma distância dos cotovelos, das curvas ou de quaisquer outras obstruções causadoras de turbulência de pelo menos 8,5 vezes o diâmetro do duto.  Para assegurar medições bem precisas, aletas de alinhamento devem ser localizadas, no sentido contrário à direção do fluxo de ar, a uma distância do tubo de Pitot correspondente a 5 vezes o diâmetro do duto.

 

COMO REALIZAR LEITURAS TRANSVERSAIS

Em situações práticas, a velocidade da corrente de ar não é uniforme através de um duto.  O atrito reduz a velocidade do ar que se move junto ás paredes do duto, assim,  a velocidade do ar é maior no centro do duto.

 

Para se obter a velocidade média total do ar em condutores com diâmetro de 4 polegadas ou mais, é necessário realizar uma série de leituras da pressão de velocidade em diferentes pontos eqüidistantes de uma mesma secção transversal do condutor.  Recomenda-se um padrão formal de leituras de pontos através da secção transversal do condutor.  Dá-se a este método o nome de leituras transversais.  A figura 4 mostra as localizações recomendadas do tubo de Pitot para leituras transversais em dutos redondos e retangulares.  

 

Fig. 4 – LEITURA TRANSVERSAL E M DUTOS REDONDOS E RETANGULARES

 

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Em dutos redondos, as leituras de pressão de velocidade devem ser realizadas em centros de áreas concêntricas iguais.  Pelo menos 20 leituras devem ser realizadas ao longo de dois diâmetros.  Em dutos retangulares, um mínimo de 16 leituras e um máximo de 64 deve ser realizado no centro de secções transversais retangulares de igual área (áreas retangulares iguais).  As velocidades propriamente ditas para cada área são calculadas a partir das leituras individuais da pressão de velocidade.  Este método possibilita a inspeção das leituras e da velocidade quanto a  erros e inconsistências.  Em seguida é tirada a média das velocidades.

 

Realizando-se leituras com o tubo de Pitot com extremo cuidado, a velocidade do ar pode ser determinada com uma precisão de ± 2%.  Para se obter a máxima precisão deve-se observar as seguintes precauções:

 

1.    O diâmetro do duto deve ser pelo menos 30 vezes maior do que o diâmetro do tubo de Pitot.

2.    Situe o tubo de Pitot, dentro de uma secção retilínea do duto, distante dos cotovelos, mudanças de dimensão e obstruções, pelo menos 8,5 vezes o diâmetro do duto contra a corrente de ar e pelo menos 5 vezes o diâmetro do duto a favor da corrente de ar.

3.    Situe um alinhador de fluxo tipo caixa de ovos distando do tubo de Pitot 5 diâmetros do duto contra a corrente de ar.

4.    Efetue agora uma leitura transversal completa e precisa da velocidade do ar.

 

Em dutos pequenos, ou quando as operações transversais são impossíveis, pode-se obter uma precisão de ± 5% colocando-se um tubo de Pitot no centro do duto.  Efetue a leitura da velocidade e depois multiplique o resultado por 0,9 para obter uma  média aproximada da velocidade do ar.

 

CÁLCULO DA VELOCIDADE DO AR PELA PRESSÃO DE VELOCIDADE

Os Manômetros para uso com tubo de Pitot são oferecidos com duas opções de tipos de escala.  Alguns são fabricados especificamente para a velocidade do ar e são calibrados diretamente em pés por minuto ou metros por segundo.  São adequados para condições de ar padrão, ou seja: densidade de 0,075 lbs por pé cúbico, que corresponde a ar seco a 70°F (21,1°C), e pressão barométrica de 29,92 polegadas de mercúrio (760 mm Hg/101,4 Kpa).  Para corrigir a leitura da velocidade para outras condições diferentes da padrão é preciso  conhecer a densidade real do ar.  Esta pode ser calculada se forem conhecidas a umidade relativa, a temperatura e a pressão barométrica.

 

A maioria das escalas manométricas é calibrada em polegadas coluna de água ou mm CA. Com as leituras fornecidas por este tipo de  instrumento, pode -se calcular a velocidade do ar usando-se a seguinte fórmula básica: 

          

 

 

                                 CÁLCULO DA VELOCIDADE DO AR PELA PRESSÃO DE VELOCIDADE

Onde:
	V = Velocidade em pés por minuto. hv = Pressão de velocidade em polegadas coluna de água. d = Densidade do ar em libras por pés cúbicos.

 

 

 

 

 

VELOCIDADE DO AR PARA CNPT

 

Onde:
	V  = Velocidade em pés por minuto. hv = Pressão de velocidade em polegadas coluna de água. Pb = Pressão Barométrica = 29,92 polegadas de mercúrio. T   = Temperatura em graus Rankine = 530oR.   D   = Densidade do Ar = 0,075 libras por pé cúbico.

 

 

 

 

CÁLCULO DA DENSIDADE DO AR SECO

 

 

Onde:
	D   = Densidade do Ar em libras por pé cúbico.   Pb = Pressão Barométrica em polegadas de mercúrio. T   = Temperatura em graus Rankine (oF+ 460o).

 

 

 

 

Com ar seco a 29,9 polegadas de mercúrio, a velocidade do ar pode ser lida diretamente nas curvas do gráfico no final deste Boletim.  Para ar parcial ou totalmente saturado será necessária uma correção adicional.  Para poupar tempo na conversão da pressão de  velocidade em  velocidade do ar, pode-se usar a Calculadora de Velocidade do Ar Modelo HT-536 distribuída pela Hygro-Therm – uma régua deslizante simples, que dispõe de todos os elementos necessários para calcular a velocidade do ar com rapidez e precisão.   É incluída como acessório em todos os tubos de Pitot fornecidos pela Hygro-Therm.

 

Para usar a Calculadora de Velocidade do Ar:

1.    Ajuste a umidade relativa na escala fornecida.  Na escala oposta ajuste a temperatura conhecida do bulbo seco, leia o fator de conversão.

2.    Ajuste a temperatura sob a escala da pressão barométrica.  Leia a densidade do ar sobre o fator de conversão mencionado  no item 1 (acima).

3.    No outro lado da régua calculadora, ajuste a leitura da densidade do ar recém obtida na escala fornecida.

4.    Sob a leitura do tubo de Pitot, (pressão de velocidade, KPa, polegadas coluna de água) leia a velocidade do ar, em pés por minuto.

 

DETERMINAÇÃO DO FLUXO DE VOLUME DO AR

Uma vez conhecida a velocidade média do ar, o índice de fluxo de ar, em pés cúbicos por minuto, será facilmente calculado por meio da seguinte fórmula  

Onde:
	Q  = Quantidade de fluxo em pés cúbicos por minuto.   A  = Área do corte transversal do duto em pés quadrados. V  = Velocidade média em pés por minuto.

           

        

 

DETERMINAÇÃO  DO VOLUME DE AR ATRAVÉS DA RESISTÊNCIA CALIBRADA

Fabricantes de filtros de ar, serpentinas de refrigeração e condensadores e equipamentos similares freqüentemente publicam instruções das quais se pode determinar o fluxo aproximado do ar.  É característico de tais equipamentos causar uma queda de pressão que varia proporcionalmente ao quadrado do índice de fluxo.  A Fig. 5 mostra um filtro típico e uma curva de gráfico de ar versus resistência.  Como o gráfico está plotado em papel logarítmico, a curva aparece como uma linha reta.  Nesta curva, um filtro limpo que causa uma queda de pressão de 0,50 polegadas de coluna d’água indicaria um fluxo de 2.000  c.f.m. (pés cúbicos por minuto).  

 

Fig. 5 – MEDIÇÃO DIFERENCIAL AO LONGO DA RESTRIÇÃO DE DUTO

 

 

Exemplo, supondo-se uma especificação de fabricante para um filtro, serpentina, etc.:

          O fluxo indicado Q (pés³/min.) = no diferencial “h” (polegadas de coluna d’água).

Para determinar o fluxo em outros diferenciais, utilizamos a seguinte fórmula:  

 

(Outros Fluxos)

OUTROS DISPOSITIVOS PARA MEDIÇÃO DA VELOCIDADE DO AR

Existe no comércio uma ampla variedade de dispositivos para a medição da velocidade do ar, tais como anemômetros de fio quente A/D para baixas velocidades de ar, anemômetros de pás rotativas A/D, medidores de fluxo para  áreas variáveis e transmissores de velocidade do ar.

O Kit Medidor de Velocidade do Ar e de Pressão Estática Modelo 460, distribuído pela Hygro-Therm, é o anemômetro do tipo de área variável mais popular e econômico que existe no mercado.  De uso rápido e fácil, é um instrumento portátil, calibrado para proporcionar uma leitura direta da velocidade do ar.

O Modelo 460 possui uma segunda escala para leitura da pressão estática em polegadas de coluna d’água.  É largamente usado para determinar a velocidade e o fluxo do ar em dutos, e de grelhas de suprimento e de retorno de difusores.  Dispõe de  duas faixas de escala (alta e baixa) com calibração tanto em pés por minuto como em polegadas por coluna d’água. Outros instrumentos – Série M400, 132S, M-400-250 e M400-580 – Manômetro Magnehelic com escala de velocidade e pressão, manômetro de pressão diferencial digital.

COMO VERIFICAR A PRECISÃO DOS MEDIDORES

Use somente dispositivos de precisão garantida.   Todos os anemômetros e, em menor proporção, os manômetros portáteis devem ser calibrados regularmente em confronto com um padrão principal, como por exemplo um manômetro de coluna Hook Gage ou um micromanômetro de alta qualidade.  Em caso de dúvida envie o seu instrumento à Hygro-Therm Comercial e Técnica Ltda. para um completo controle de calibragem.  Recomenda-se calibrar o instrumento pelo menos uma vez ao ano.

GRÁFICOS DA VELOCIDADE DO AR

OBSERVAÇÃO FINAL

Neste boletim da Hygro-Therm, as equações matemáticas estão exclusivamente em unidades de medida inglesas, ou seja: pés, polegadas, libras, etc.

Para conversão ao Sistema Internacional de Medidas, pode-se usar as seguintes equivalências matemáticas: 

·        1 polegada  =  25,4 mm  =  0,0254 m

·        1 pé  =  12 polegadas  =  0,3048 m

·        1 pé por minuto = 0,005080 metro por segundo

·        1 libra  =  0,485 kg

·        °C  =  5/9 (°F-32)

·        1 hora  =  60 minutos  =  3600 segundos

·         1 jarda  =  3 pés  =  0,9144 m

·        14,7 psi = 406, 9 in H2O = 29,93 in Hg = 10340 mm H2O = 760,2 mm Hg =1014mbar   

·        1 mm H2O  =  9,806 Pa

·        1 mBar  =  1 hPa

·        ºK (Kelvin) = ºC + 273,15º

·        ºR (Rankine) = ºF + 460º