Instrumentação. Aula Medição Vazão Prof. Sergio Luis Brockveld Junior. Material desenvolvido com base na aula do professor Guilherme P.

Transcrição

1 Instrumentação Aula Medição Vazão Prof. Sergio Luis Brockveld Junior Material desenvolvido com base na aula do professor Guilherme P. Colnago

2 Assuntos Aplicações Conceitos Medição de Vazão Experiências

3 Assunto Aplicações

4 Aplicações Ventilação Engarrafamento Medição de consumo

5 Aplicações Vazão em hidroelétricas

6 Aplicações Aerodinâmica: medição da vazão para calcular a velocidade.

7 Aplicações

8 Aplicações Medição e controle de vazão para fabricação de produtos

9 Aplicações Minerioduto Aqueduto Oleoduto Gasoduto

10 Assunto Conceitos

11 Conceitos Vazão Volume de fluido que passa por uma determinada seção de uma tubulação (ou local), por unidade de tempo. Corresponde à taxa de escoamento de algum material transportado por unidade de tempo. Unidade (SI): m 3 /s. Outras: LPM (L/min), m 3 /hora, GPM (galões/min), etc. Q = vazão (m 3 /s); V = volume escoado (m 3 ); Δt = tempo (s). Q = V / Δt = v. A

12 Conceitos Vazão Q = vazão (m 3 /s); V = volume escoado (m 3 ); Δt = tempo (s). Q = V / Δt = v. A Exemplo 01: Um condutor de 20 cm2 de área de secção reta despeja gasolina num reservatório. A velocidade de saída da água é de 60 cm/s. Qual a vazão do fluido escoado?

13 Conceitos Vazão Q = vazão (m 3 /s); V = volume escoado (m 3 ); Δt = tempo (s). Q = V / Δt = v. A Exemplo 02: Uma bomba transfere óleo diesel em um reservatório à razão de 20 m3/h. Qual é o volume do reservatório, sabendo-se que ele está completamente cheio após 3 horas de funcionamento de bomba?

14 Conceitos Vazão No caso de gases e vapores, a vazão instantânea pode ser expressa em kg/h ou m 3 /h. Vazão também pode ser usada para indicar fluxo de sólidos. Ex.: pelotas de ferro, grão, areia, etc. Nesses casos é mais comum usar unidades relacionadas ao fluxo de massa por tempo. Ex.: kg/s, kg/min, ton/h, lb/s, etc.

15 Assunto Medição de Vazão

16 Tipo de Medidores de Vazão Existem dois tipos de medição: medidores de quantidade e medidores volumétricos. 1. MEDIDORES DE QUANTIDADE Indica a quantidade de material que passou de um instante inicial até o presente (quantidade absoluta). Uso: bombas de gasolina, hidrômetros, balanças industriais e etc. 1.a) Quantidade por pesagem: utilizados para medição de sólidos. Ex.: balanças. 1.b) Quantidade volumétrica: volume total de material transferida no período. Ex.: disco nutante, pistão rotativo oscilante, pistão alternativo, pás, engrenagem e etc.

17 Tipo de Medidores de Vazão 2. MEDIDORES VOLUMÉTRICOS Indica a vazão por unidade de tempo (vazão instantânea). Medição por Pressão Diferencial: elementos primários são colocados na tubulação. Funcionamento Aumentam a velocidade do fluído através da redução da seção onde ele passa isso provoca uma queda de pressão. Através da medição da variação de pressão antes (alta) e depois (baixa), calcula-se a vazão. Problema: perda de carga (redução da intensidade do fluxo). Ex.: placa de orifício provoca a maior perda de carga de 40% a 80% da pressão original.

18 Algumas técnicas de medição 1 por Área variável 2 por Pressão diferencial 3 por Arrasto 4 por Deslocamento positivo 5 por Turbina 6 por Variação Térmica 7 por Ultrassom 9 Eletromagnética 10 por Geração de vórtices 11 por Força de Coriolis

19 Área variável Rotâmetro Em geral, constituído por um tubo transparente com escala onde um flutuador (ou bóia) move-se livremente dentro deste tubo. O equilíbrio é atingido quando a diferença de pressão e impulsão do fluido compensam a força gravitacional.

20 Área variável Rotâmetro Vantagens Um medidor de vazão de área variável não requer qualquer alimentação externa, uma vez que utiliza as propriedades do fluido, em conjunto com a gravidade, para medir o caudal. Um medidor de vazão de área variável é um dispositivo de construção simples, que pode ser fabricado em grandes quantidades a partir de materiais de baixo custo.

21 Área variável Rotâmetro Desvantagens Por depender da força da gravidade, um medidor de vazão de área variável deve sempre estar orientado verticalmente. Por depender das propriedades do fluido, a escala tem precisão limitada. Demandam o uso de vidro ou outro material transparente para que se possível ver a posição do corpo flutuante, o que pode limitar sua utilização. Em geral, não são facilmente adaptáveis para leituras automáticas.

22 Área variável Rotâmetro Vídeo Rotâmetro

23 Pressão diferencial Medidor genérico

24 Pressão diferencial Placa de orifício Os medidores de vazão de placa de orifício são mais comuns. Consistem de uma placa plana de metal com um furo de tamanho conhecido. A placa provoca uma redução da seção do fluxo e é montada entre dois anéis que contêm furos para tomada de pressão em cada lado.

25 Medição de Vazão Pressão diferencial Placa de orifício Os medidores de vazão de placa de orifício são mais comuns. Consistem de uma placa plana de metal com um furo de tamanho conhecido. v 2 =C o 2( P 1 P 2 ) ρ( 2 1 A 2 2) A 1 Q 2 = v 2. A 2 Onde Co é dado pelo seguinte gráfico :

26 Medição de Vazão Pressão diferencial Placa de orifício Para Re = 1000 e razão diâmetro do orifício e diâmetro do tubo de 0,6, Co = 0,77.

27 Pressão diferencial Placa de orifício Vídeo Placa de Orifício

28 Pressão diferencial Tubo de Venturi Os fluidos sob pressão, na passagem através de tubos convergentes; ganham velocidade e perdem pressão.

29 Pressão diferencial Tubo de Venturi Vídeo Venturi

30 Pressão diferencial Tubo de Pitot

31 Pressão diferencial Tubo de Pitot O Tubo de Pitot mede a velocidade. Consiste em dois tubos concêntricos, A e B, alinhados com a tubulação. O interno é aberto na ponta e o externo conta com vários orifícios pequenos ao lado,. A leitura H depende da velocidade do fluido na tubulação acima do tubo A.

32 Pressão diferencial Tubo de Pitot P1 P 3 P P h m g 2 3 v 1 = C P 2 g (ρ m ρ) Δh 2 g ( ρ ρ) m Δh ρ ρ

33 Pressão diferencial Tubo de Pitot P1 P 3 P P h m g 2 3 v 1 = C P 2 g (ρ m ρ) Δh 2 g ( ρ ρ) m Δh ρ ρ

34 Pressão diferencial Tubo de Pitot Vídeo Tubo de Pitot

35 Arrasto Target (alvo)

36 Deslocamento positivo Rodas (engrenagens) ovais A velocidade rotativa do rotor é diretamente proporcional à taxa de vazão, uma vez que o vazão de fluido é a causa da rotação. Exatidão Confiabilidade Baixa Manutenção

37 Deslocamento positivo Disco nutante O fluido preenche a câmara de medição fazendo o disco girar.

38 Turbina

39 Turbina

40 Variação Térmica Filamento quente

41 Variação Térmica Filamento quente Vídeo Térmico

42 Ultrassom Por tempo de trânsito (ida e volta) Por efeito Doppler

43 Ultrassom Vídeo Ultrassom

44 Eletromagnética Baseado na Lei de Faraday. Um fluido condutor que se move dentro de um campo magnético produz um tensão induzida proporcional à intensidade do campo, comprimento e velocidade do condutor.

45 Eletromagnética Vídeo Eletromagnética

46 Geração de vórtices Um fluido ao ultrapassar um obstáculo à uma velocidade mínima, forma vórtices. Devido ao formato especial do obstáculo, a frequência dos vórtices é proporcional à velocidade de escoamento e independente da pressão, temperatura, densidade e viscosidade.

47 Geração de vórtices Vídeo Vórtices

48 Força de Coriolis Baseado no efeito Coriolis para medir a quantidade de massa que se move dentro da tubulação. O fluido se desloca pelo tubo em U, que vibra na direção perpendicular ao fluxo. O fluido em movimento interage com a vibração devido a força de Coriolis, causando a torção do tubo. Quanto maior a deformação, maior o fluxo.

49 Força de Coriolis Vídeo Coriolis

50 Canais Abertos Os dois principais tipos são: o vertedor e a calha de Parshall. Vertedor: O vertedor mede a altura estática do fluxo em um reservatório que verte o fluido de uma abertura de forma variável.

51 Canais Abertos Os dois principais tipos são: o vertedor e a calha de Parshall. Calha de Parshall: É um medidor mais vantajoso que o vertedor, porque apresenta menor perda de carga e serve para medir fluidos com sólidos em suspensão.