No sistema de produção industrial, a medição de vazão é um elo central para garantir a estabilidade da produção, a qualidade do produto e o controle de custos. Seja no transporte preciso de matérias-primas e produtos no setor petroquímico, no impacto direto do fluxo de vapor e água na eficiência da geração de energia na indústria de energia, ou no monitoramento da descarga de águas residuais e gases residuais na indústria de proteção ambiental, a precisão dos dados de vazão determina diretamente a qualidade da operação do processo de produção.
Entre os vários equipamentos de medição de vazão, os medidores de vazão por vórtice se tornaram o equipamento central para a medição de vazão industrial devido às suas vantagens técnicas exclusivas. Eles são amplamente utilizados em cenários industriais em vários campos e fornecem suporte de dados essencial para as operações de produção. O artigo a seguir conduzirá uma análise detalhada em torno do princípio de funcionamento, características técnicas, especificações de uso e cenários de aplicação dos medidores de vazão por vórtice, revelando a essência técnica de sua medição eficiente.
A operação dos medidores de vazão por vórtice é baseada no fenômeno da Rua de Vórtices de Karman na mecânica dos fluidos. Quando o fluido flui através do gerador de vórtice embutido (geralmente um corpo rombudo não aerodinâmico) do medidor de vazão a uma velocidade específica, vórtices rotativos alternados são formados em ambos os lados do corpo rombudo devido aos efeitos da viscosidade e inércia do fluido. Esses vórtices formam duas fileiras regulares de vórtices com direções de rotação opostas a jusante, conhecidas como "Rua de Vórtices de Karman".
A formação desse fenômeno é um resultado inevitável da interação entre a separação da camada limite e a estabilidade do fluido. Quando o fluido se aproxima do corpo rombudo, uma camada limite se forma em sua superfície. À medida que o fluido flui, a camada limite se separa em uma posição específica no corpo rombudo, formando vórtices independentes que se desprendem alternadamente a jusante, eventualmente formando a Rua de Vórtices de Karman.
A lei central do fenômeno da Rua de Vórtices de Karman é que a frequência de desprendimento de vórtices está positivamente correlacionada com a velocidade do fluido. Quanto maior a velocidade do fluido, mais vórtices se desprendem de ambos os lados do corpo rombudo por unidade de tempo e maior a frequência de desprendimento de vórtices. Ao medir com precisão essa frequência, a velocidade do fluido pode ser calculada inversamente.
A relação acima é descrita quantitativamente pela fórmula: f = StV/d. Na fórmula:
- f é a frequência do vórtice de Karman em um lado do gerador de vórtice (unidade: Hz), que reflete a taxa de desprendimento de vórtices;
- V é a velocidade média do fluido (unidade: m/s), que é o parâmetro de medição central;
- d é a largura do gerador de vórtice (unidade: m), um parâmetro geométrico chave do corpo rombudo;
- St é o número de Strouhal (adimensional), que permanece constante dentro de uma faixa específica do número de Reynolds (Re).
Para medidores de vazão por vórtice convencionais, quando Re está na faixa de 10²~10⁵, o valor de St é aproximadamente 0,2. Dentro dessa faixa, se a frequência do vórtice f e a largura do gerador de vórtice d são conhecidas, a velocidade do fluido V pode ser derivada através da fórmula.
Após obter a velocidade do fluido V, a taxa de vazão volumétrica ou a taxa de vazão mássica podem ser calculadas combinando-a com a área da seção transversal do duto.
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Cálculo da Taxa de Vazão Volumétrica: Se a área da seção transversal do duto for A (unidade: m²), a fórmula de cálculo para a taxa de vazão volumétrica Qv (unidade: m³/s) é Qv = V×A. Esta fórmula indica que, quando a velocidade do fluxo é constante, quanto maior a área da seção transversal do duto, maior o volume de fluido que passa por unidade de tempo; quando a área da seção transversal do duto é constante, quanto maior a velocidade do fluxo, maior a taxa de vazão volumétrica.
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Cálculo da Taxa de Vazão Mássica: Para cenários em que a medição da taxa de vazão mássica é necessária, a taxa de vazão volumétrica é multiplicada pela densidade do fluido ρ (unidade: kg/m³). A fórmula de cálculo é Qm = Qv×ρ = V×A×ρ (unidade de Qm: kg/s).
Através dos cálculos acima, o medidor de vazão por vórtice pode converter o sinal de frequência de desprendimento de vórtices nos dados de vazão necessários para a produção industrial, fornecendo suporte de dados para monitoramento e otimização da produção.
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