Publication: Correlação de Nusselt para uma placa de orifício aquecida em escoamento de gás úmido
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Date
25/02/2026
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Universidade Federal do Espírito Santo
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A medição de vazão é crítica em processos industriais, especialmente no setor de óleo e gás, no qual incertezas elevadas em medições fiscais resultam em perdas econômicas. Entre os dispositivos mais utilizados destaca-se a placa de orifício. Apesar de se mostrar eficiente para escoamentos monofásicos, a presença de líquido no gás (até XLM = 0.3), caracterizando o gás úmido, compromete a precisão e gera um erro conhecido como overreading. Para minimizar esse erro, apresenta-se uma configuração modificada de placa de orifício, que consiste em anexar uma resistência elétrica na parede da placa e, por meio dela, incorporar medições de temperatura em sua superfície, permitindo avaliar os mecanismos de transferência de calor por condução e convecção forçada em escoamentos bifásicos. A análise foca na relação entre o coeficiente convectivo e o Número de Nusselt, considerando sua dependência de parâmetros adimensionais como o Número de Froude e o parâmetro de Lockhart-Martinelli. Os resultados obtidos via CFD evidenciam que o estrangulamento do escoamento gera uma região de vena contracta, intensifica a velocidade central e cria zonas de recirculação que influenciam a transferência de calor na placa. A variação de velocidade intensifica gradientes térmicos e reduz a temperatura média interna do dispositivo, enquanto a fase líquida introduz assimetrias térmicas entre as porções superior e inferior, especialmente em baixas velocidades. Propôs-se uma correlação generalista para o Número de Nusselt em função de Froude e Lockhart-Martinelli, obtida por modelagem paramétrica hierárquica não linear. O modelo apresentou excelente ajuste aos dados numéricos, com baixos erros e elevados coeficientes de determinação, apresentando R2 > 0.99, demonstrando potencial para aplicação em métodos alternativos de medição de vazão de gás úmido.
Abstract
Flow rate measurement is critical in industrial processes, particularly in the oil and gas sector, where high uncertainties in fiscal measurements can lead to significant economic losses. Among the most widely used devices, the orifice plate stands out. Although it performs efficiently under single-phase flow conditions, the presence of liquid in the gas stream (up toXLM = 0.3), characterizing wet gas flow, compromises measurement accuracy and introduces a positive error known as overreading. To mitigate this effect, a modified orifice plate configuration is proposed, consisting of attaching an electrical heating element to the plate wall and incorporating surface temperature measurements. This approach enables the evaluation of heat transfer mechanisms governed by conduction and forced convection in gas–liquid two-phase flows. The analysis focuses on the relationship between the convective heat transfer coefficient and the Nusselt number, considering its dependence on dimensionless parameters such as the Froude number and the Lockhart–Martinelli parameter. Computational Fluid Dynamics (CFD) results demonstrate that flow restriction caused by the orifice plate leads to the formation of a vena contracta region, intensifies the core flow velocity, and generates recirculation zones that directly affect heat transfer at the plate surface. Variations in flow velocity enhance thermal gradients and reduce the average internal temperature of the device, while the liquid phase introduces thermal asymmetries between the upper and lower portions of the plate, particularly at low velocities. A generalized correlation for the Nusselt number as a function of the Froude number and the Lockhart–Martinelli parameter was proposed using a hierarchical nonlinear parametric modeling approach. The model exhibited excellent agreement with numerical data, presenting low error levels and high coefficients of determination, with R2 > 0.99, demonstrating strong potential for application in alternative wet gas flow measurement methods.
Description
Keywords
Medição de vazão, Gás úmido, Placa de orifício, Transferência de calor, Número de Nusselt