EDUFLUID - Software para o ensino de medição de vazão por perda de carga através de tubo Venturi

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1 EDUFLUID - Software para o ensino de medição de vazão por perda de carga através de tubo Venturi ndré Strieder Professor Centro Universitário Salesiano de São Paulo UNISL U.E. Campinas. Graduado pelo UNISL em Tecnologia em Instrumentação e Controle e Mestre em Engenharia Mecânica na Área de Instrumentação e Controle, FEM, UNICMP. strieder@unisal.com.br Cristina M. Schuch Professora Centro Universitário Salesiano de São Paulo UNISL U.E. Campinas. Membro do GREMP - Grupo de Estudos em Matemática plicada, UNISL. Bacharel e Mestre em Química Instituto de Química, UFRGS. Doutora em Química Instituto de Química, UNICMP. cschuch@unisal.com.br bstract We developed a software employing a Borland DELPHI, language with educacional purpose to simulate the flow rate measurement by Venturi tube principle. Software named EDUFLUID was designed to simulate some experimental parameters to facilitate the understanding of the principles of flow rate measurements. We presented also some results obtained in classes of Engineering utomation courses which applied the EDUFLUID to simulate virtual flowrate measurements based on Venturi tube. Key-words Educacional software, Venturi tube, Flow rate measurement, Virtual experiment. Resumo Neste trabalho está descrito o desenvolvimento de um software em linguagem DELPHI da Borland, denominado EDUFLUID, com objetivos educacionais visando a simulação da medida de vazão por perda de carga através de tubo Venturi. Os aspectos de construção do software e sua utilização em aulas do curso de Engenharia de utomação e Controle e Tecnologia de Instrumentação e Controle são demonstrados,

2 mostrando a viabilidade de se utilizar ferramentas virtuais para o ensino na área de Engenharia, estimulando o aluno a questionar o princípio do fenômeno e os parâmetros que interferem nos resultados obtidos. Palavras-chave Software educacional, Tubo de Venturi, Medida de vazão, Experimento virtual. 1- Introdução medida da vazão de um fluido é uma das mais requeridas, com diversas aplicações, tanto para acompanhamento do processo, quanto na determinação de quantidades para fins de inventários contábeis ou comercialização. Os medidores de vazão empregam vários tipos de elementos sensores e podem ser subdivididos em três grandes grupos: medidores de área variável, de perda de carga e medidores especiais. Cada tipo ou princípio de medição é adequado para uma determinada finalidade, não existindo um medidor capaz de satisfazer todas as aplicações existentes em ambientes industriais ou de pesquisa [1]. Dentro da categoria de medidores de perda de carga, estão os medidores de Placa de Orifício, Bocais de Vazão e tubo de Venturi. O princípio mais aceito e utilizado no projeto de medidores por perda de carga, é o da criação de uma restrição numa seção transversal de área pré-determinada dentro do tubo, através do qual passa o fluido. Esta restrição causa um diferencial de pressão que depende da velocidade do fluido [2]. medida do diferencial de pressão, obtida através de um instrumento medidor, permite estimar a velocidade de escoamento e, a partir da relação desta com a área da seção transversal, calcular a vazão instantânea do fluido dentro do tubo. utilização de experimentos virtuais, na forma de softwares educacionais e laboratórios virtuais são ferramentas de ensino já utilizadas e aceitas no contexto

3 educacional, tanto presencial quanto no ensino à distância, nos cursos de graduação da área de Engenharia [3,4]. Este artigo descreve como foi implementado no UNISL, nas disciplinas dos cursos de Engenharia de utomação e Controle e Tecnologia em Instrumentação e Controle, um ambiente para experimento virtual empregando software desenvolvido em linguagem DELPHI da Borland para cálculos de projeto e dimensionamento de medição de vazão através de tubo Venturi. 2- Princípio de medição de vazão por perda de carga lei de Venturi enunciada em 1797 por Giovanni Batista Venturi diz que os fluidos sob pressão, na passagem através de tubos convergentes, ganham velocidade e perdem pressão, ocorrendo o oposto em tubos divergentes. O tubo Venturi apresentado na Figura 01 combina duas seções cônicas, uma convergente e outra divergente, entre as quais existe um estreitamento (garganta), cujo propósito é acelerar o fluido e baixar sua pressão estática temporariamente. Figura 01 - Esquema de funcionamento do Tubo de Venturi.

4 De acordo com a equação de Bernoulli para líquidos incompressíveis, a diferença de pressão entre a entrada e o estreitamento do tubo de Venturi pode ser calculada de acordo com a Equação 1. P P B = P = 2 1 VB V 2 (Equação 1) Onde: P = diferença pressão e B (Pa); V = velocidade na entrada (m/s); V B = velocidade na garganta (m/s); = densidade do fluido (Kg/m 3 ); través da equação da Continuidade para líquidos incompressíveis, tem-se que: Q =V. Q B =V B. B Q=Q =Q B (Equação 2) Onde: Q, Q e Q B = vazão volumétrica (m 3 /s); = área seção entrada (m 2 ); B = área seção garganta (m 2 ). Resolvendo na equação 2, V. VB e substituindo na equação 1, tem-se a B equação 3, que relaciona o diferencial de pressão entre os pontos e B com a velocidade no ponto P. V 1 (equação 3) 2 B Resolvendo a equação 3 para a velocidade na entrada do tubo Venturi e multiplicando pela área da seção transversal no ponto, temos a vazão volumétrica, calculada pela equação 4. Q 2P B 2 1 (Equação 4)

5 Em condições reais, o atrito entre as camadas do líquido converte uma parte da energia em calor levando a uma diminuição na velocidade real do fluido. Para corrigir este efeito é introduzido um coeficiente C, conhecido como coeficiente de descarga que depende do número de Reynolds do fluido. Este coeficiente situa-se entre 0,90 e 0,98 e pode ser determinado experimentalmente ou de acordo com a norma de medida de vazão pelo tubo de Venturi [5]. equação da vazão volumétrica para medidas reais, torna-se a Equação 5. Q C. 2P B 2 1 (Equação 5). O cálculo da velocidade no ponto, da vazão volumétrica e da vazão mássica pode ser feito empregando simulações disponíveis em sítios da Internet, especializados neste tipo de aplicação, porém demandam custos para sua utilização em sala de aula [6]. 3- mbiente de simulação Com o objetivo de disponibilizar um ambiente de simulação da medida de vazão em sala-de-aula, desenvolveu-se um software educacional, baseado em linguagem DELPHI da Borland, o qual foi denominado EDUFLUID. O EDUFLUID é constituído por uma tela principal (Figura 02), onde podem ser visualizados os dados de entrada da simulação. O aluno é estimulado a entrar com os dados de Diâmetro de entrada (D ), Diâmetro da garganta (D B ), densidade do fluido (), Coeficiente de descarga (C) e viscosidade absoluta () de acordo com os conceitos apresentados na parte teórica.

6 Para melhor visualização do fenômeno que ocorre no interior do tubo Venturi, foram introduzidos parâmetros de interatividade (destaque de cor e movimento) que permitem ao aluno visualizar no esquema do medidor a localização do diâmetro de entrada (D ), do diâmetro da garganta (D B ) e do diferencial de pressão (P), além da direção do fluxo do fluido. Figura 02 Tela principal do EDUFLUID. escolha do tipo de cálculo é feita através de duas opções de botão de controle. Para o cálculo de vazão, deve ser informado adicionalmente o valor do diferencial de pressão (P). Para o cálculo do diferencial de pressão (P) deve ser informada a vazão do fluido nas condições desejadas na simulação. Um exemplo do tipo de tela obtida após a introdução dos parâmetros de um medidor com o objetivo de calcular a vazão do fluido está apresentado na Figura 03. Os

7 dados de entrada apresentados abaixo foram obtidos a partir do medidor existente na planta piloto do laboratório de Instrumentação do Centro Unisal (Figura 04). Figura 03 Resultados obtidos para o cálculo da vazão com os dados de entrada do tubo Venturi disponível no Laboratório de Instrumentação do Centro Unisal.

8 Figura 04 Tubo Venturi disponível na planta piloto do Centro Unisal. 4- Utilização do EDUFLUID nas disciplinas de graduação. O software EDUFLUID foi utilizado em disciplinas de graduação com dois objetivos principais: - Fixar os conceitos teóricos apresentados na forma de equações, empregando-o como simulador e comparando os resultados obtidos no software com os resultados obtidos através do cálculo manual; - Em aulas práticas, utilizar o software para simular as condições de operação e para comparar resultados experimentais com dados teóricos. lém disso, é possível estimar o coeficiente de descarga (C) comprovando a importância deste parâmetro para a medida da vazão real do fluido. Na Tabela 01, estão apresentados dados obtidos em uma aula prática do curso de graduação em Instrumentação e Controle, onde os alunos realizaram 6 medidas diferentes de vazão. O experimento consistiu em medir o tempo necessário para o enchimento de um volume conhecido do tanque 3 da planta piloto, empregando água como fluido, determinando-se a vazão real. O transmissor de pressão diferencial foi

9 calibrado para operação numa faixa de 0 a 2000 Pa, fixando-se as vazões através da variação da velocidade da bomba que envia a água para o tanque 3 pelo tubo Venturi. Em condições de vazão constante, foram realizadas as medidas da saída de corrente do transmissor e calculados os respectivos valores de P. Uma vez calculados os valores de P, empregando o software EDUFLUID, foram calculadas as vazões teóricas do sistema e determinado o coeficiente de descarga. Tabela 01: Dados obtidos em aula prática na planta piloto e resultados obtidos empregando o software EDUFLUID: Corrente P Vazão real Vazão Coeficiente Número de transmissor (m) (Pa) (L/s) teórica (L/s) de descarga Reynolds 10,3 787,5 0,201 0,211 0, , ,237 0,241 0, , ,260 0,269 0, , ,285 0,295 0, , ,304 0,321 0, , ,326 0,334 0, Média ,965 - Desvio Padrão (%) 2,7 Considerando que o tubo Venturi utilizado na medição tem como diâmetro de entrada 22 mm (aproximadamente 3/4 ), o valor de coeficiente de descarga médio

10 encontrado foi de 0,965, com uma incerteza de 0,026. De acordo com Delmée [7] para um tubo Venturi usinado com diâmetro de entrada de 2 a 8 polegadas, os valores de coeficiente de descarga situam-se na faixa de 0,97 0,029 para um número de Reynolds de até 6 x Na situação acima, tem-se um tubo Venturi menor e número de Reynolds variando entre O valor médio do coeficiente de descarga obtido (0,965 0,026) foi coerente com o previsto na literatura, considerando que os dados foram obtidos através de medições realizadas em aula prática pelos próprios alunos. 5- Conclusão utilização do software EDUFLUID permite ao aluno relacionar os conceitos teóricos dos princípios de medição de vazão por perda de carga com os resultados calculados. O ambiente de simulação estimula o aluno a experimentar diferentes parâmetros utilizados no projeto de dimensionamento de um tubo Venturi e relacioná-los com possíveis aplicações reais. integração do software com experimentos em aulas práticas de laboratório da planta piloto do Centro Unisal gerou resultados teóricos e práticos, os quais mostraram-se bastante adequados para o ensino dos princípios de medição de vazão empregando o tubo Venturi. O software EDUFLUID pode ser ampliado para o ensino de medição de vazão com outros elementos primários que geram diferencial de pressão, tais como placas de orifício. lém disso, a adequação do software em ambiente interativo presencial ou para ensino à distância pode ser desenvolvida tanto pelos alunos de graduação como pelos professores do UNISL, tornando-se uma solução alternativa para o ensino de instrumentação com baixo custo de implantação e utilização.

11 Referências [1] Strieder, ndré. Medidor de Vazão por Transferência Térmica. Campinas: Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, 2004, 93 p. Trabalho Final (Mestrado Profissional). [2] SGS Thomson Microelectronics S.r.l., grate Brianza, IT, Francesco Di Marco, Matteo Lo Presti, Salvatore Graziani, Salvatore Baglio. Fluid flow meter and corresponding flow measuring methods. I.C. G01F 001/46; G01F 001/68. US Patent 6,119,529, Sep. 19, [3] S. Galceram,. Sudria, J. Bergas, I. Benitez, L. Vazquez, G. Boye, O. Obregon, Use of IEC1131 programming in virtual laboratory,ieee /01, [4]. Strieder, Implementação de laboratório virtual através de comunicação em tempo real entre PLC e PC. Revista Ciência e Tecnologia. no VII, n10, 2003, pp [5] Norma ISO, Genebra. ISO/FDIS , referências bibliográficas, Genebra, Suíça, 2002, 24p. [6] Engineering Fundamentals. Flowrate calculation for a Venturi. Disponível em: < cesso em 25 set [7] Delmée, G.J. Manual de Medição de Vazão. São Paulo: Ed. Edgard Blucher, 2003, 346p.