UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE MEDIÇÃO DE VAZÃO POR METODOS NÃO TRADICIONAIS MEDIÇÃO DE VAZÃO POR CÁLCULO DE ENERGIA TÉRMICA por Luciano Magri Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Prof. Dr. Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Junho de 2012

2 2 RESUMO O presente trabalho trata de medir vazão de um fluído (água) de forma não convencional, desenvolver um método de medição e construir o instrumento para teste experimental e comparação com os cálculos teóricos. A forma escolhida isto foi estimar a vazão através da diferença de temperatura do fluido após o mesmo ser aquecido por uma resistência térmica, para medir a temperatura utilizou-se termopares e para aquecer o fluido uma resistência de chuveiro elétrico. O método consiste em medir a temperatura da água antes e após a resistência térmica, como a diferença de temperatura vai variar com a vazão de água, podemos encontrar a vazão pela diferença de temperatura da água. ABSTRACT NON-TRADITIONAL FLOW MEASUREMENT METHODS - FLOW MEASUREMENT FOR CALCULATION OF THERMAL ENERGY The present work is to measure flow of a fluid (water) in an unconventional way, to develop a measuring method and build the instrument for experimental testing and comparison with theoretical calculations. The form that was to estimate the flow rate through the temperature difference of the fluid after it is heated by a thermal resistance to the temperature measuring thermocouples, and was used to heat the fluid resistance of a hot shower. The method consists of measuring the water temperature before and after the heat resistance as the temperature difference will vary with water flow, the flow can be found by difference in temperature of the water.

3 3 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Pg REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Pg FUNDAMENTAÇÃO Pg.6 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Pg VALIDAÇÃO e RESULTADOS Pg CONCLUSÕES Pg. 9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Pg. 10 ANEXO Pg. 11

4 4 1 INTRODUÇÃO O homem sempre busca forma de medir os eventos físicos para aperfeiçoar máquinas e equipamentos além de explicar os eventos da natureza e sempre evoluir em tecnologia, inovar e atualizar-se. Exstem diversas formas de realizar medições de cada fenômeno físico, cabe escolher o mais indicado para cada situação com custo adequado e com os erros de medição dentro de limites aceitáveis, sem comprometer os dados coletados. Com o objetivo de inovar e pensar no fenômeno físico de forma a resolver os problemas de medição do dia-a-dia foi proposto criar um sistema de medição para água com vazões entre 2 e 10 litros por minuto. Este sistema não pode seguir nenhum método tradicional de medição, como venture por exemplo. Desta forma, escolheu-se utilizar um método de medição que consiste em aquecer o fluido de trabalho e medir a diferença de temperatura antes de depois do aquecimento, estes método causa baixas perdas de carga e é de facil construção.

5 5 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Foi realizada uma procura de trabalhos realizados que estão relacionados ao trabalho proposto pela disciplina, e foram encontrados trabalhos que possuíam informações pertinentes. Analisando um trabalho onde foi proposto a construção de um medidor do tipo Venturi foi encontrada a seguinte conclusão: Medidores de vazão são amplamente utilizados em diversas aplicações industriais. Entre os medidores de vazão baseados na queda de pressão, os tubos de Venturi, apesar de sua simplicidade e baixo custo, são de uso limitado, sendo restritos às aplicações onde a precisão não é essencial [MARTINS e PIMENTA, et al., 2005]. Analisando outro trabalho, onde foi feito uma comparação entre diferentes métodos de vazão abordando fatores como viabilidade técnica e econômica implementação, relação custo x benefício e tipo de utilização. Concluíu-se que O método magnético apresenta excelente precisão, porém seu altíssimo custo e dificuldades de instalação o colocam em uma posição de espera... e O método de Pitot apresenta ótima precisão com baixo custo de instalação. A necessidade de se fazer o levantamento do perfil de velocidades ponto a ponto representa uma desvantagem... [ANDRADE; MARTINEZ; FILHO; AGUIRRE, et al, 2002]. Foi encontrado evidências de que o método de medição por efeito térmico pode ser utilizado satisfatoriamente em diversos artigos e trabalhos, em alguns com desenvolvimento analítico e experimental do sistema levantando os parâmetros do escoamento e analisando o influencia de cada um deles no resultado da medição. " Os resultados evidenciam que a medição da temperatura do escoamento possibilitaria a determinação da vazão. Porém, a inferência da vazão a partir da temperatura do tubo é altamente dependente dos parâmetros de influência." [

6 6 3. FUNDAMENTAÇÃO O sistema de medição de vazão por temperatura, consiste em medir a temperatura do fluido em um determinado ponto, entregar energia para o fluido e medir a temperatura novamente em um pontos posterior, a Figura 1, apresenta um esquema para o balanço térmico. A água entra no volume de controle a uma temperatura Te, após o aquecimento ela sai do volume de controle a uma temperatura Ts. Estas são as medidas a serem realizadas para cálculo da vazão. Considerações: Figura 1 Volume de controle para o balanço térmico - O sistema é isolado (não há troca de calor com o ambiente); - Resistor Ôhmico (Potência constante); - Escoamento completamente desenvolvido; Conforme a segunda lei da termodinâmica: Onde, Ėe é a taxa de energia de entrada [W]; Ėg é a taxa de energia gerada [W]; Ės é a taxa de energia de saída [W]. (2) (3) (4) Onde, U é tensão elétrica [V]; i é corrente elétrica [A]; V é vazão volumétrica [m³/s]; ρ é a massa específica do fluido [kg/m³]; Te, Ts são temperatura do fluido [ C] Assim: (5) [ C] (6) (1)

7 7 Desta forma, calcula-se os valores da diferênça de temperatura teórica para cada vazão, considerando a massa especifica da água como constante e igual a 995 Kg/m³ e o calor especifico da água como contante e igual a 4176 J/Kg.K, O valor da potência da resistência utilizada para o medidor [ U.i] é de 5500 W Estes valores calculados em intervalos de 0,5 L/min de vazão podem ser visualizados na tabela 1 e também plotados na figura 2. Vazão em L/min 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 Diferença de temperatura teórica [Te - Ts] ( C) 39,71 31,77 26,47 22,69 19,85 17,65 15,88 14,44 13,24 12,22 11,35 10,59 9,93 9,34 8,82 8,36 7,94 Tabela 1 Diferênça de temperatura para diversas vazões. Figura 2 Gráfico teórico da vazão x variação de temperatura.

8 8 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Para construção do medidor foram utilizados os seguintes materiais: - Tubo de pvc ½ (0,5 m); - Resistência elétrica de chuveiro 127 V e 5500 W; - Fios para rede elétrica de 6mm de espessura; - Termopares; - Silicone para vedação; - isolamento para encanameto; - Fita Tape; Imagens da construção do protótipo: (2) (3) (1) Figura 3 Imagem intermediária da construção do protótipo. Realizou-se 3 furos no tubo de pvc, dois para as fases da resistência pontos (1) e (2) e um para o terra (3), os termopares estão nos mesmo furos das fases da resistência. Utilizando o silicone, realizou-se a vedação dos furos para evitar a saida de água e fixou-se os fios com a fita Tape. Em seguida adicionou-se o isolamento térmico para evitar a troca de calor com o ambiente, fechando todo o sistema com a fita. Figura 4 Imagem do sistema completo.

9 9 5. VALIDAÇÃO e RESULTADOS A validação e os resultados serão obtidos através do teste experimental a ser realizado no laboratório com equipamento conforme o desenho esquemático apresentado na figura 5, abaixo: Figura 5 Diagrama da bancada para ensáio do protótipo conforme edital. [Fonte: Com os testes no laboratório poderá ser efetuada uma curva de calibração para o instrumento a fim de compensar os termos despresados no equaciomanento descrito no item 3. Fundamentação. Como não conseguimos um isolamento perfeito e o termopar utilizado tem uma incerteza de medição elevada, a calibração do instrumento melhora a confiabilidade da medidareduzindo a incerteza de medição da vazão. Além disto, o tipo de sensor de temperatura deve ser calibrado já que como padrão de incerteza de medição de termopares do tipo utilizado é de +-2, sabemos que com uma calibração podemos chegar dentro dos limites aceitáveis para medir 1 de diferença de temperatura. A sugestão para este protótipo é calibrar o medidor final em vazão, ou seja coorelacionar a diferença de temperatura diretamente com a vazão medida em outro sistema confiável. Assim não precisaremos calibrar os termopares para medida de temperatura já que os mesmos possuem uma boa repetibilidade nas medições. A figura 6 apresenta os resultados das medições realizadas no laboratório e a teoria aplicada nos dados encontrados, como pode-se observar na tabela, o resultado não foi satisfatório, pois as temperaturas apresentadas pelos termopares não condizem com a realidade. Espera-se que a temperatura antes da resistência elétrica seja próxima a temperatura ambiente, mas encontrou-se temperaturas próximas a 2 C. Espera-se também que a temperatura após a resistência fique acima da ambiente e chegue até C para baixas vazões, mas as encontradas são entre 2 C e 28 C. Apesar dos erros na medição, os resultados mostram que o efeito da variação da temperatura existe e pode ser detectado, a variação está consistente pois com o aumento da vazão a diferença de temperatura diminui.

10 10 Medição Tensão Depois [mv) Tensão Antes[mV] Temp. Depois [ C] Temp. Antes [ C] Delta de temp. Vazão L/min 1 0,18 0,14 3,33 2,77 0,56 141,82 2 0,2 0,14 3,88 2,77 1,11 71,55 3 0,28 0,13 5,55 2, ,47 4 0,3 0,13 6,11 2,55 3,56 22,31 5 0,39 0,13 7,77 2,55 5,22 15,21 6 0,43 0,12 8,61 2,22 6,39 12,43 7 0,64 0,11 12,77 2,22 10,55 7,53 8 0,8 0,11 16,11 2,22 13,89 5,72 9 1,48 0, ,66 26,34 3, ,48 0, ,66 26,34 3, ,84 0,08 16,66 1,38 15,28 5, ,56 0,1 11,11 2,22 8,89 8, ,36 0,11 7,22 2, , ,3 0,13 3,88 2,55 1,33 59, ,2 0,13 3,45 2,55 0,9 88, ,18 0,13 3,33 2,55 0,78 101, ,13 0,13 2,56 2,55 0, , ,11 0,13 2,56 2,55 0, ,99 Figura 6 Tabela com os resultados das medições no laboratório do LETA. 6. CONCLUSÕES Este tipo de sistema para medição de vazão é de facil construção, apresenta perda de carga menor que os métodos convencionais, porém tem restrições na sua aplicação pois necessita aquecer o fluido de trabalho, o sistema onde o medidor for instalado deve funcionar mesmo com o aquecimento do fluido e este aquecimento não deve prejudicar o sistema. Para continuação do trabalho, sugere-se trocar os sensores de temperatura por sensores com incerteza de medição menor, realizar a calibração do sistema de medição de vazão e montar a curva de calibração para o instrumento.

11 11 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS - Medidor de vazão termal inteligente ANDRADE, L. A., C. B. MARTINEZ, N. FILHO, E L. A. AGUIRRE (2002). Estudo Compa-rativo dos Métodos de Medição de Vazão Uma Aplicação em Comissionamento de Tur-binas Hidráulicas. Seminários Internos do Centro de Pesquisas Hidráulicas I. Disponível em: Acesso em Julho de MARTINS, R. A., PIMENTA, J. M. D.(2005). Projeto de Medidor de Vazão Tipo Venturi Orientado Por Simulação Computacional: Condicionador de Escoamento, Razão de Diâ-metro e Influência do Escoamento na Queda de Pressão. - Fox, Robert W., McDonald, Alan T., 2004, Introdução à Mecânica dos Fluidos, LTC, 6ª Ed.

12 12 ANEXO Tabela de avaliação: Capacidade de leitura na faixa indicada Perda carga de Incertezas Criatividade Conformidade com as normas de redação do concurso