Rotâmetros e flutuadores

Princípio de funcionamento dos rotâmetros

Os rotâmetros são medidores de vazão de área variável cujo funcionamento é baseado no teorema de Bernoulli. São utilizados para medir a vazão de líquidos e gases de diferentes opacidades e características físicas, em diversas aplicações.

Basicamente os rotâmetros consistem em um tubo de vidro borossilicato (ou plástico) e de um outro componente muito importante, conhecido como flutuador que, a depender do tipo de rotâmetro, poderá ser livre ou guiado.

Os diferentes flutuadores e tubos cônicos são os elementos mais importantes de um rotâmetro, pois, é neles que se concentra toda a questão de funcionamento, precisão, calibração e leitura.

Rotâmetros são instrumentos muito comuns em vários setores industriais, e destacam-se pelo ótimo custo-benefício que oferecem, além da versatilidade e possibilidades de aplicações em diversos tipos de aplicações e projetos nos mais variados segmentos industriais.

Esquema de funcionamento de um rotâmetro

Sobre os flutuadores

Os flutuadores podem ser construídos em diversos materiais conforme o tipo de aplicação ao qual ele está sendo submetido. Os flutuadores podem ser encontrados em materiais tais como vidro, aço inoxidável, carbureto de tungstênio, PTFE, alumínio, cerâmica, dentre outros. As possibilidades são diversas e cada fabricante fará a análise da aplicação para melhor especificação.  

As regras para seleção dos materiais se baseiam nas densidades dos materiais e sua resistência a corrosão. As densidades influenciam diretamente no range de operação do rotâmetro, pois o flutuador precisa se deslocar dentro do tubo cônico de forma a indicar de forma precisa os valores de vazão na escala de medição.

Flutuadores em materiais diversos

Além disso, no caso das aplicações industriais, a escolha do material do flutuador se baseará na resistência do material ao ser exposto aos fluidos de processo. A seleção do material mais adequado para cada aplicação prolonga a vida útil do instrumento e garante maior segurança na leitura e operação a longo prazo.

Exemplo de alguns segmentos de mercado onde os rotâmetros são utilizados

Geometria dos flutuadores, fluidodinâmica aplicada

Além do material, o formato do flutuador é muito importante para o projeto de um rotâmetro. Pois, neles é que teremos o processo de passagem do fluido. Desta forma, parâmetros tais como a perda de carga e sustentação fluidodinâmica, são tópicos que precisam ser analisados para garantir projetos de última geração.

Exemplo de formas geométicas de flutuadores

Existem muitos rotâmetros que, por conta das aplicações diversas, precisam ter os valores lidos em suas escalas convertidos por meio de tabelas de correção. Esse procedimento, de certa forma, aumenta as chances de erros e não permite que uma leitura direta seja realizada.

Pensando em ultrapassar esses obstáculos, o tradicional fabricante OMEL Bombas, dimensiona o rotâmetro e calibra o par flutuador e tubo cônico sob medida para as necessidades especificas das aplicações de seus clientes.

Essa é uma otimização que tem de ser ressaltada, porque a maioria dos rotâmetros que se encontram no mercado são fornecidos com escalas e calibragem padrão, o que exige dos clientes a utilização de tabelas com constantes de conversão e máquinas calculadoras, para que seja possível ao operador conhecer a vazão de fluído que está passando naquele ponto da tubulação naquele momento.

Nos rotâmetros da OMEL a leitura é direta para o operador, sem necessidade de conversão.

A seguir, veremos algumas geometrias mais comuns em flutuadores.

Tipos de formatos de flutuadores e suas especificações

• Os flutuadores esféricos são comumente utilizados em medidores de vazão menores;
• Os flutuadores com geometrias cônicas se dividirão entre os que dependerão de uma viscosidade constante para operação correta, e os que independem das mudanças de viscosidade.
• Flutuadores com baixa queda de pressão também podem ser encontrados, normalmente em aplicações que trabalham com gases e possuem pressões baixas.

O que temos que ter em mente com relação ao aspecto da geometria do flutuador é que, a força de arraste (sustentação) sob o flutuador será aumentada ou diminuída de acordo com a geometria escolhida:

Exemplos de arraste conforme a forma básica do objeto

Estabilização dos flutuadores, mais precisão

Quando o flutuador é submetido ao fluxo constante, podemos ter sua posição variando ou oscilando de forma desordenada dentro do rotâmetro. Artifícios de engenharia são colocados em prática para suprimir esses efeitos, sendo os mais comuns as ranhuras no topo do flutuador ou uma haste guia.

As ranhuras irão estabilizar o flutuador por meio dinâmico. Isso ocorrerá devido ao “desenho” das ranhuras, que quando submetidas ao fluxo de fluido, causarão no flutuador um efeito de rotação.

Ranhuras em um flutuador cônico

Pião em movimento

Quando em rotação, a tendência é que ele fique “estático” quanto ao deslocamento e inclinações. Podemos tentar imaginar esse efeito com um pião, quando em rotação, o pião tende a ficar parado, quando a rotação vai diminuindo, ele vai se deslocando e inclinando para os lados.

Esquema de haste guia e flutuador

Aplicando uma haste guia, conseguiremos um efeito muito similar, porém de origem estática, estabilizando o flutuador, o que ajudará diretamente na leitura e precisão do rotâmetro. A haste evita que o flutuador oscile, principalmente em aplicações de alta vazão e em tamanhos maiores.

Conceitos físicos envolvidos na operação

Um rotâmetro funciona pela força da pressão diferencial pois, quando o fluido (gás, líquido ou vapor) passa pelo tubo, arrasta o flutuador para cima. Ao movimentar-se para cima, o flutuador aumenta a área de passagem do fluído em relação ao tubo (lembrando que o tubo é cônico) e assim sendo, também se reduz a velocidade do fluído, causando perda de pressão diferencial.

Quando é alcançado o ponto de equilíbrio entre a massa do flutuador e a pressão diferencial, o flutuador estaciona proporcionando a leitura da vazão.

Não devemos esquecer da importância do tubo é cônico dentro do rotâmetro pois, essa conicidade é a responsável direta pelo aumento e diminuição da área de passagem do fluido, estando diretamente ligada ao estado de equilíbrio do flutuador em fluxo constante.