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 CONSTRUÇÃO DE UM MEDIDOR DE VAZÃO UTILIZANDO UMA RESISTÊNCIA ELÉTRICA Camila da Silva Castro Fábio Souza Patricio Baggio Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Julho 2010.

2 2 RESUMO Neste trabalho será construído um medidor de vazão volumétrico de líquidos que opere na faixa de 2 à 10 l/min. A vazão será obtida com um balanço térmico segundo a 1ª Lei da termodinâmica aplicada ao longo do escoamento O princípio de funcionamento baseia-se na utilização de uma resistência elétrica, onde será aplicada uma potência de 920W para obter uma diferença de temperatura entra a entrada e saída de água. Para a obtenção de dados utilizouse termopares instalados à montante e jusante a resistência. O modo como foi construído o medidor visa ter a menor perda de carga e incerteza de medição possível. Os resultados obtidos para baixos escoamentos ficaram próximos do esperado, entretanto, para altas vazões os resultados ficaram distantes do objetivo. ABSTRACT Flow meters are instruments widely used in engineering to determine the amount of liquids, gases and solids that pass through area from one time interval. This work will build a volumetric flow meter for liquids operating in cp.δt. The operating principle the range of 2 to 10 l / min. The flow rate is obtained with q = m. is based on the use of an electrical resistance, which is applied a power of 920W for a temperature difference enters the inlet and outlet water. To obtain the data are used thermocouples installed upstream and downstream resistance. The way we built the meter is designed to take the loss and lower measurement uncertainty can.

3 3 SUMÁRIO: 1.INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA FUNDAMENTAÇÃO Transferência de calor da resistência para água Considerações... 4 Condições de regime estacionário... 4 Propriedades constantes... 4 Transferência de calor na parede do tubo desprezível... 4 Coeficiente convectivo da água uniforme... 4 Toda energia fornecida ao sistema é transferida para a água em forma de calor Análise: Balanço de energia do sistema: Quantidade de calor transferida para a água TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Medidor construído Descrição da bancada Medições RESULTADOS Perda de Carga CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 10

4 4 1. INTRODUÇÃO Tem-se a disposição uma infinidade de medidores de vazão, para as mais variadas necessidades de medição. Estes medidores se diferenciam basicamente em dois princípios de medição: medição volumétrica e mássica. A vazão mássica é a quantidade massa de um fluido que escoa através de uma seção em um determinado tempo. A medição volumétrica é a quantidade em volume que escoa através do duto em um intervalo de tempo considerado. O proposto trabalho baseia-se no princípio de medição volumétrica. Neste trabalho foi proposto a utilização de uma resistência elétrica de 920 W de potência para obter uma diferença de temperatura entre a entrada e saída da tubulação. A potência foi obtida medindo-se a corrente elétrica I e a tensão V disponível no laboratório. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Um medidor de vazão é um dispositivo utilizado para medição de fluxo de um fluído através de uma seção. A medição de vazão pode ser simples como, por exemplo, a medição de vazão em residências chegando à medição de gases e combustíveis em plantas industriais. A escolha de determinado medidor de vazão depende da vários fatores como, por exemplo, o tipo de fluido que se deseja medir, a exatidão desejada, a faixa de vazão que se quer medir e condições onde há pressão e temperaturas elevadas. Há outros fatores além dos aqui citados. 3. FUNDAMENTAÇÃO 3.1. Transferência de calor da resistência para água Utilizando-se uma resistência elétrica com potência de 920 W obteve-se uma diferença de temperatura na entrada e saída da tubulação. Essa diferença foi lida com a utilização de termopares do tipo J colocados a cerca de 200 mm a montante e 200 mm a jusante. Essa distância corresponde a cerca de treze vezes o diâmetro da tubulação utilizada. O maior cuidado que se deve ter é com a tomada de temperatura na saída da tubulação, pois há a possibilidade de se realizar a medição em um ponto onde a temperatura não seja homogênea. Por esse motivo é realizada a medição a essa distância Considerações Condições de regime estacionário Propriedades constantes Transferência de calor na parede do tubo desprezível Coeficiente convectivo da água uniforme Toda energia fornecida ao sistema é transferida para a água em forma de calor 3.3 Análise: Balanço de energia do sistema: O balanço de energia é feito através da Equação 1.

5 5 sendo, energia que entra; = energia que sai do sistema; energia gerada; energia acumulada. A taxa na qual a energia é gerada na resistência elétrica deve ser igual à taxa na qual é transferida por convecção para a água. A energia gerada é: Eq.2 Eq.1 onde, (W) e sendo q a potência elétrica em watts. A Figura 3.1 mostra o volume de controle adotado no medidor. 920W Figura 3.1. Volume de controle Quantidade de calor transferida para a água Para calcular a quantidade de calor transferida para a água basta verificar a variação de temperatura que a mesma sofrerá pela resistência. A quantidade de calor devido a variação de temperatura pode ser facilmente calculada pela equação Eq.3 Onde: é o calor absorvido pela água em W é a massa de vazão mássica kg/s é o calor específico da água, igual a kj/kg.k é a temperatura de saída da água, em C é a temperatura de entrada da água, em C Eq.3 A partir da Eq.3 obtem-se o que se procura.

6 6 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS O experimento foi realizado no laboratório do Grupo de Estudo Térmicos e Energéticos (GESTE), no departamento de engenharia mecânica e tem suas características descritas nos itens citados abaixo. 4.1 Medidor construído Para realização da medição foi construído um medidor de vazão utilizando-se canos de PVC ¾ da marca Tigre, uma resistência elétrica de 920 W e dois termopares do tipo J, duas emendas ¾, dois tubos de cobre de 5/8, fita isolante e um joelho de 90. O medidor é mostrado na Figura Descrição da bancada Figura 1. Medidor No trabalho desenvolvido foi utilizado um rotâmetro transparente de área variável como medidor padrão. Este instrumento tem um flutuador que, sob a ação do escoamento, sobe no tudo cônico vertical e assume uma certa posição de equilíbrio para cada vazão imposta. A Figura 2 ilustra o dispositivo utilizado durante a medição. Figura 2: Rotâmetro.

7 7 A Figura 3 mostra o multímetro digital utilizado para medição da tensão e de corrente elétrica fornecida à resistência elétrica do medidor de vazão. O valor da tensão medido foi de 217 V e corrente elétrica de 4.2 A. Com estes valores chega-se numa potência disponível de 890 W. Figura 3: Multímetro digital Medições Primeiramente iniciou-se a medição com vazão de 2 l/min conforme leitura no rotâmetro e, posteriormente aumenta-se a vazão até chegar em 10 l/min. O instrumento de aquisição de dados foi configurado para fornecer uma medição a cada 5s. Portanto, cada vazão medida, foram obtidos aproximadamente 12 valores de temperatura de saída da água. A cada aumento de vazão, esperava-se cerca de 2 minutos para iniciar a novamente a leitura de dados. 5. RESULTADOS Os valores de vazão encontrados estão na Tabela 1. Pode-se observar que para baixas vazões não houve grandes variações dos resultados lidos, ao passo que a medida que aumentamos a vazão, houve uma maior dispersão dos valores. Isto se deve ao fato de que ao aumentarmos a vazão diminuímos T chegando próximo aos valores de incerteza de medição dos termopares. Podem-se melhorar os resultados utilizando uma resistência de maior potência, com isso aumentando assim a diferença de temperatura d água.

8 Tabela 1 8

9 9 O Figura 5.1 ilustra a diferença encontrada entre o valor real e o valor medido. O valor Real fornecido pelo rotâmetro e o valor medido fornecido pelo medidor de vazão construído. Figura 5.1

10 Perda de Carga A perda de carga em um tubo ou canal, é a perda de energia dinâmica do fluido devido à fricção das partículas do fluido entre si e contra as paredes da tubulação que os contenha. Sabe-se que um bom medidor de vazão deve impor a menor perda de carga possível, por esse motivo optou-se por utilizar uma resistência elétrica, pois esta não impõe restrição ao escoamento. Para medir a perda de carga foi usada uma tomada de pressão instalada a montante do medidor de vazão. Esta medição foi feita através de um manômetro de tubo U, usando a água como um fluído manométrico. Verifica-se na Figura 5.2 a perda de carga imposta ao sistema pelo medidor. Figura CONCLUSÕES Ao analisar os resultados obtidos conclui-se que as medidas encontradas pelo medidor de vazão construído não foram satisfatórias. Percebe-se que o medidor construído não tem comportamento linear em toda a faixa de medição, piorando os resultados à medida que aumentava-se a vazão do fluído. Entretanto, devemos levar em conta que os termopares não foram calibrados e que não eram precisos para o tipo de medição o qual se desejava. Observou-se durante o experimento uma oscilação nas leituras das temperaturas na entrada, o que a princípio deveria ser constante ou com pouca variação, o que não ocorreu. Devido a dificuldade de disponibilidade de tempo e laboratório não foi possível realizar mais medições a fim de se obter melhores resultados. Sugere-se a utilização de termopares de menor incerteza de precisão. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Schneider Paulo, Apostila Teermometria, GESTE, Porto Alegre RS, Brasil INCROPERA, Frank P.; David P.; Fundamentos da Transferência de Calor e Massa FOX, Robert W; MCDONALD, Alan T Introdução a Mecânica dos Fluidos. Tabela de Avaliação:

11 11 Qualidade do Relatório Fundamentação Instrumentação Resultados e conclusões Incertezas Criatividade