ALEX BITTENCOURT HAAS LEANDRO FLORES NESS PROJETO DE SENSOR DE VAZÃO MASSICA POR PLACA DE ORIFÍCIO

Transcrição

1 ALEX BITTENCOURT HAAS LEANDRO FLORES NESS PROJETO DE SENSOR DE VAZÃO MASSICA POR PLACA DE ORIFÍCIO Monografia apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para conclusão do curso de Medições Térmicas. Orientadores: Prof. Paulo Smith Schneider Porto Alegre 2011

2 ii Universidade Federal do Rio Grande do Sul Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Mecânica PROJETO DE SENSOR DE VAZÃO MASSICA POR PLACA DE ORIFÍCIO ALEX BITTENCOURT HAAS LEANDRO FLORES NESS BANCA EXAMINADORA: Prof. Paulo Smith Schneider UFRGS / DEMEC Porto Alegre 2011

3 iii

4 iv AGRADECIMENTOS Agradecemos aos professores e técnicos pelo auxilio e dedicação na elaboração do presente trabalho. MUITO OBRIGADO.

5 v

6 vi Projeto de Sensor de Vazão Massica por placa de orifício Monografia (Trabalho de Conclusão do Curso de Medições Térmicas) Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RESUMO O problema a ser resolvido consiste na elaboração de um sensor de vazão mássica. Com base na literatura já existente, optou-se pela utilização de um instrumento de medição por obstrução, do tipo placa de orifício. Tal experimento baseia-se na obtenção de variações de pressão estática e de temperatura em um escoamento de ar com parâmetros variáveis. Para obtenção das variações de pressão utilizou-se um manômetro de tipo Tubo em U, e um sensor PT 100 para obtenção de temperaturas. O sensor construído foi acoplado a uma bancada já prevista, com ar inicialmente à temperatura ambiente, aquecido ao longo do tempo por um conjunto de resistências elétricas, com velocidade inicial conhecida. Para demonstrar as variações de pressão, utilizou-se técnica experimental de tomada de pressão a distâncias de 1 (um) diâmetro à jusante da placa de orifício e meio diâmetro à montante da mesma, sem considerar os valores de pressão. Os resultados obtidos experimentalmente, foram plotados em um gráfico, afim de se obter um curva de calibração para tal sensor. PALAVRAS-CHAVE: Placa de orifício, Vazão Mássica, Sensor. Design Mass Flow Sensor for Square-edged Orifice Monografia (Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Mecânica) Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, ABSTRACT The problem to be solved is the development of a mass flow sensor. Based on existing literature, we chose to use a measuring instrument for obstruction of the square-edged orifice type. This experiment is based on obtaining variations of static pressure and temperature in an air flow with variable parameters. To obtain the pressure variations used a manometer tube type "U", and a PT 100 sensor for obtaining temperature. The sensor was built connected to a bench already planned, initially with air at room temperature, heated over time by a set of electrical resistances with known initial velocity. To demonstrate the variations of pressure, we used the experimental technique of pressure taken at distances of 1 (one) diameter downstream of the orifice plate and a half diameter upstream of it, without considering the pressure values. The experimental results were plotted on a graph, in order to obtain a calibration curve for that sensor. KEYWORDS: Square-edged Orifice, Mass Flow, Sensor.

7 vii SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA FUNDAMENTAÇÃO TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Problemas experimentais Projetos Estudos de problemas físicos VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO RESULTADOS CONCLUSÕES 09 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 10

8 2 LISTA DE SÍMBOLOS A Área [m² ] D Diâmetro [mm] F Força [ N ] P Pressão [ Pa ] Q Vazão [m³/s] V Volume [m³] v Velocidade [ m/s ] Δh Variação de Altura [mm] ρ Massa Específica [ kg/m³ ]

9 3 1. INTRODUÇÃO Equipamentos de medição de vazão são empregados diariamente nos mais variados segmentos, com as mais variadas finalidades. A maior parte desses equipamentos consistem em uma redução de área afim de acelerar uma corrente fluida variando a velocidade do fluido e questão, variando conseqüentemente a pressão. Medidores de vazão são utilizados em larga escala, por se tratarem de equipamentos que possuem opções de baixo custo, e ainda assim, mantendo boa confiabilidade. O equipamento escolhido foi a placa de orifício, por ser de simples confecção, baixo custo, apesar de ocasionar maior perda de carga na tubulação. O objetivo em questão é determinar vazão mássica, variando parâmetros de pressão, velocidade e temperatura, utilizando uma placa de orifício. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Vazão pode ser definida como o volume de um fluido que passa através da seção transversal de um escoamento durante um dado intervalo de tempo. Esta vazão pode ser medida em volume ou massa [DELMÉE 2003]. A escolha de um medidor de vazão é influenciada pela incerteza exigida, faixa de medida, custo, complicações, facilidade de leitura ou de redução de dados, e tempo de vida em serviço. O dispositivo mais simples e mais barato que forneça a exatidão desejada deve ser escolhido [FOX]. A maioria dos medidores de restrição para escoamentos internos, baseiam-se no princípio da aceleração de uma corrente fluida através de alguma forma de bocal. A maneira mais óbvia de medir vazão em um tubo é o método direto, ou seja, medir simplesmente a quantidade de fluido que se acumula em um recipiente durante um período fixo de tempo. Se o intervalo for longo o suficiente para ser medido com incerteza pequena, as vazões poderão ser determinadas com boa precisão [FOX et al. 2004]. Segundo Camargo 2009, a necessidade de quantificar o fluxo de fluídos tem sido reconhecida desde o início da civilização e com o avanço da mesma. Muitas teorias básicas da hidráulica de medição foram desenvolvidas nos séculos XVII e XVIII por cientistas como Torricelli, Pitot e Venturi. A NBR classifica os medidores de vazão em dois tipos básicos: volumétricos ou mássicos, nos quais o volume é determinado pelo enchimento e esvaziamento alternado de câmaras de capacidade determinada; vazão instantânea, nos quais a indicação da vazão é em tempo real, sem a necessidade de enchimento de câmaras. O equacionamento utilizado no presente trabalho pode ser encontrado em "Introdução a Mecânica dos Fluidos" [Robert W. Fox, Alan T. Mcdonald, Phillip J. Pritchard, 2006], e pelas apostilas desenvolvidas para a disciplina de Medições Térmicas pelo Prof. Paulo Schneider, 2000.

10 4 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA A conservação de massa é o primeiro princípio físico a ser considerado. Toda a massa que entra em um volume de controle é igual a toda a massa que sai deste mesmo volume de controle. Isto é representado pela equação (1) a seguir: Através das formulações de sistema de volume de controle chega-se à seguinte equação: Obtém-se então: O primeiro termo da equação representa a taxa de variação da massa dentro do volume de controle. O segundo termo representa a taxa líquida de fluxo de massa através da superfície de controle. Como a integral de dv representa o volume do total do volume de controle, que permanece constante a qualquer instante de tempo, pode-se eliminar o primeiro termo da Eq. (3). Tem-se então: A integral VdA representa a vazão volumétrica. Portanto, para um escoamento incompressível a vazão volumétrica na entrada de um volume de controle deve ser igual a vazão volumétrica na saída do volume de controle. A vazão volumétrica através de uma seção de uma superfície de controle de área A é, portanto, Como Tem-se A massa específica na entrada do volume de controle é a mesma da saída pois a variação de temperatura é desprezível. Pode-se então reduzir a Eq. (7) a (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)

11 5, logo, (8) A partir da equação de Bernoulli, considerando escoamento permanente, incompressível, sem atrito, têm-se (9) Substituindo a Eq. (8) em (9), obtém-se (10) A vazão mássica teórica é dada por Isolando V2 na Eq. (10), substitui-se o mesmo na Eq. (11), obtendo-se (11) (12) Levando-se em conta que esta equação define a vazão mássica teórica é necessário definir um coeficiente que represente os fatores que limitam sua utilidade na obtenção da vazão mássica real. Então, a equação teórica é ajustada para o número de Reynolds e para a razão de diâmetros Dt/D1, definindo um coeficiente de descarga C. (13) Considerando Dt/D1=β, então, logo (14) Em termos do coeficiente de vazão, a vazão mássica real é dada pela equação (15) Onde, (16) E, (17)

12 6 Onde é a diferença de pressão medida no manômetro, é a massa específica do fluido manométrico, g a aceleração da gravidade e variação de deslocamento do fluido manométrico. 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 4.1 Problemas experimentais A bancada consiste em um ventilador, Mass Air Flow (MAF), conjunto de resistências, sensor de temperatura e sensor de vazão mássica proposto. Figura 1 Bancada de teste Acoplado ao sensor construído, utiliza-se um manômetro do tipo tubo inclinado, fornecido pelo laboratório, um sensor de temperatura termopar, acoplado a um multímetro, afim de confrontar as temperaturas medidas pelo sensor da bancada, e um tubo de PVC de diâmetro 75mm e comprimento de 10 (dez) diâmetros. O objetivo da bancada é gerar um escoamento de ar, com velocidade inicial controlada de 5m/s, variando temperatura da ambiente até 75 C. Durante o aumento controlado de temperatura, são medidos variações de Δh no manômetro. Com o aumento da temperatura, a massa específica do fluido diminui, porém a vazão mássica permanece constante, enquanto a vazão volumétrica aumenta.

13 7 4.2 Projetos Para a construção do protótipo, utilizou-se os seguintes materiais: Um tubo de PVC de 75 mm de diâmetro; Dois anéis de borracha; Dois pedaços de mangueira transparente de 7,9 mm; Papel cartão; Papel adesivo transparente; Figura 2 Protótipo O protótipo consiste em uma placa de orifício construída com 33 camadas de papel cartão, sendo elas 5 camadas com mesmo diâmetro interno, e o restante das camadas formando um ângulo de 45 ± 15, conforme a NBR ISO A placa foi revestida por papel adesivo transparente afim de diminuir a perda de carga por atrito, pela rugosidade do papel, e pela rugosidade decorrente das camadas. O acoplamento da placa no tubo de PVC foi feito por interferência, já que o diâmetro externo da mesma foi confeccionado ligeiramente maior que o diâmetro interno do tubo. Para a fixação do manômetro, foram colados 2 anéis de borracha nos furos do tubo, sendo um deles fixado 1 diâmetro à montante da placa e o outro fixado a 0,5 diâmetro à jusante da mesma. 4.3 Estudos de problemas físicos Primeiramente, o protótipo foi acoplado à bancada de medição, conectado aos tubos do manômetro a fim de se obter a diferença de pressão lida no mesmo, e acoplado o termopar para leitura da temperatura.

14 8 Ao ligar o ventilador, a velocidade é ajustada para aproximadamente 5 m/s. A partir daí o parâmetro variável é a temperatura, que foi aumentada gradativamente, coletando os dados necessários na faixa de temperaturas desejada. 5. VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO O resultado obtido pela metodologia experimental proposta se mostrou distante do esperado, devido ao descuido no dimensionamento da placa de orifício, a qual se mostrou insuficiente para cumprir com a finalidade de prever a variação manométrica. A resolução se mostrou muito abaixo do possível de visualização a olho nu. Sem contar com valores confiáveis de Δh, a curva de calibração e conseqüentemente a vazão mássica esperada, não puderam ser obtidas, invalidando o experimento. 6. RESULTADOS Primeiramente foram obtidos valores de Δh para suas respectivas temperaturas, as quais foram comparadas com as temperaturas medidas com o termopar. A tabela abaixo fornece os valores obtidos no experimento: Bancada T [ C] Tabela 1 Valores obtidos no experimento Termopar v [m/s] Δh [mmca] Vazão mássica [g/s] Nota-se que conforme a temperatura é elevada, a velocidade e conseqüentemente a vazão mássica estão diminuindo.. A vazão mássica deve ser mantida, evento o qual que não foi verificado. Dos possíveis problemas ocorridos, levantamos duas hipóteses: Perda de carga da placa de orifício; Vazamento observado ao longo da tubulação da bancada, como pode ser observado na fig. 3.

15 Δh [mmca] 9 Figura 3 Foto do vazamento encontrado na tubulação. Com os valores da Tabela 1, gerou-se o seguinte gráfico (Figura 4), que fonece a variação de Δh com as variações de temperatura. 56, , , ,5 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 T [ C] Figura 4 gráfico da variação de altura no manômetro em função da temperatura 7. CONCLUSÃO Ao realizar esse experimento, teve-se por objetivo verificar as diferenças de pressão, obtidas pela variação de altura no manômetro, para diferentes temperaturas e velocidades conhecidas, a fim de conhecer a vazão mássica em um duto com placa de orifício.

16 10 Não foi possível calibrar o sensor proposto pela impossibilidade de leitura das diferenças de altura do manômetro. O provável motivo é o mal dimensionamento da placa de orifício. Outra questão importante foi a diferença das temperaturas obtidas pelo termopar e pelo sensor da bancada, que crescia conforme a temperatura aumentava. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5167: Medição de vazão de fluidos por meio de instrumentos de pressão Parte 1: Placas de orifício, bocais e tubos de Venturi instalados em seção transversal circular de condutos forçados. Rio de Janeiro, FOX, Robert W. Introdução à Mecânica dos Fluidos. 6ª Ed. São Paulo, 2006.