ELEMENTOS BÁSICOS MECÃNICA DOS FLUIDOS

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1 1 ELEMENTOS BÁSICOS MECÃNICA DOS FLUIDOS 1. OBJETIVOS Manusear os diferentes tipos de elementos usualmente empregados em linhas de deslocamento de fluidos (bombas, válvulas, tubulações e acessórios), além de pesquisar detalhes sobre sua constituição e suas aplicações específicas. 2. BOMBAS, VÁLVULAS, TUBULAÇÕES E ACESSÓRIOS 2.1. Bombas São máquinas cuja finalidade é realizar o deslocamento de um líquido por escoamento. A escolha adequada do tipo de bomba a ser utilizada vai depender do tipo de líquido a ser transportado, de sua função, vazão desejada, dentre uma série de outros fatores. Podem-se classificar as bombas do seguinte modo: 1. Bombas centrífugas: são caracterizadas por possuírem um dispositivo rotatório dotado de pás, chamado rotor, que exerce sobre o líquido forças resultantes da aceleração que o rotor lhe imprime. Tal aceleração não possui a mesma direção e sentido do movimento do líquido em contato com as pás, fato observado para bombas de deslocamento positivo. 2. Bombas de deslocamento positivo: têm como característica a transferência direta da energia mecânica de um acionador em energia de pressão, deslocando, teoricamente, um volume de fluido idêntico ao volume do dispositivo mecânico da bomba, porém em movimentos alternados Válvulas Denominam-se válvulas os dispositivos destinados a estabelecer, controlar ou interromper o fluxo de fluidos em uma determinada tubulação. Constituem os acessórios mais importantes existentes nas tubulações, devendo merecer o

2 2 máximo cuidado na sua especificação, escolha e localização. Existe uma grande variedade de tipos de válvulas, e dentro de cada tipo, diversos subtipos, cuja escolha depende não apenas da natureza da operação a realizar, mas também das propriedades físicas e químicas do fluido considerado, da pressão e temperatura a que se achará submetido e da forma de acionamento pretendida. As válvulas podem ser classificadas segundo sua natureza de acionamento, dividindo-se em válvulas com acionamento manual, comandadas por motores ou automáticas. Alternativamente, as válvulas podem ser agrupadas como a seguir pela sua funcionalidade, sendo chamadas de válvula de bloqueio, válvulas de controle ou válvulas auto-operadas. 1. Válvulas de bloqueio: trabalham geralmente em condições de abertura ou fechamento total da passagem do fluido. São válvulas de bloqueio: válvulas agulha, borboleta, guilhotina, diafragma, esfera, gaveta, globo e macho. 2. Válvulas de controle: apresentam a capacidade de controle ou modulação de características do fluxo, sem intervenção manual. Sua característica de controle é pré-estabelecida, implicando em repetibilidade da mesma. São válvulas de controle: válvulas de três vias, de controle de passagem reta (sede única) e de controle de recirculação. 3. Válvulas auto-operadas: apresentam o elemento sensor integrado internamente ao corpo da própria válvula, ligado diretamente a um controlador. Dentre as válvulas auto-operadas temos: válvulas de segurança e alívio, de retenção, reguladoras de pressão e de bloqueio por sobre-pressão.

3 Tubulações À exceção dos tubos que transportam fluidos alimentícios, que devem ser de aço inoxidável, as tubulações destinadas a outros fins geralmente são de ferro ou aço-carbono, podendo também ser utilizado bronze ou cobre. Existem numerosos tipos de conexões de tubulações, para diferentes propósitos, dentre as quais podemos citar cotovelos, tês, uniões, niples, reduções, mancais, junções, contraporcas e gaxetas, dentre várias outras. Dependendo da finalidade das conexões, que vai desde a ligação entre tubos, entre tubos e válvulas ou entre tubos e equipamentos, o tipo de ligação pode ser roscada, soldada, flangeada, por uniões, por compressão interna ou biseladas. As juntas de vedação são acessórios importantes para evitar vazamentos, dar suporte as tubulações e evitar sobrecarga nas mesmas, além de exercerem a função de isolamento térmico, caso seja necessária a manutenção da temperatura, ou no transporte de vapor, em que é indesejável sua condensação Acessórios Purgadores e Filtros Ainda sobre o transporte de vapor, o uso de uma série de outros acessórios se faz necessário, como por exemplo, o uso de purgadores, para evitar o acúmulo de vapor condensado na linha, bem como o uso de filtros para retirada de eventuais resíduos de incrustações. Os purgadores de vapor são dispositivos automáticos que separam e eliminam o condensado formado nas tubulações e nos aparelhos de aquecimento, sem deixar escapar o vapor. Os filtros são aparelhos separadores destinados a reter poeiras, sólidos em

4 4 suspensão e corpos estranhos em correntes de líquidos ou gases, podendo ser provisórios ou permanentes. Medidores de Pressão A pressão é a relação entre uma força e a superfície sobre a qual ela atua, sendo sua medição uma das mais importantes, pois a partir dessa é possível a medida de pressão diferencial, vazão e nível, dentre outras. O instrumento que serve para medir e indicar pressões positivas maiores que a pressão ambiente é chamado manômetro; o instrumento que mede pressões negativas é denominado vacuômetro. O instrumento capaz de medir ambas as pressões é chamado manovacuômetro. Em plantas industriais, o mais utilizado de todos os medidores/indicadores de pressão é o manômetro de Bourdon. Tal instrumento consiste de um tubo metálico de seção transversal elíptica, ou quase elíptica, tendo uma de suas extremidades em contato com a fonte de pressão e a outra extremidade fechada e ligada a uma haste que comunica seu movimento a uma alavanca dentada, e essa por sua vez move-se em torno de um ponto fixo. Ao se aplicar uma pressão internamente ao tubo metálico, este tende a alcançar uma forma cilíndrica. Com isso o tubo se distende de maneira linear, sendo este movimento transmitido ao ponteiro indicando no mostrador o valor da pressão. Medidores de Temperatura Pode-se definir como temperatura à medida que resulta do efeito causado pela energia de um corpo, ou ainda que a temperatura de um corpo esteja caracterizada pela quantidade de calor transferida entre corpos. Vários instrumentos de medição de temperatura se baseiam no princípio de dilatação ou contração de corpos mediante a transferência de calor. Industrialmente, os mais comumente utilizados são os termômetros bimetálicos e os termopares.

5 5 Os termômetros bimetálicos possuem um sensor composto de duas ligas metálicas diferentes, com coeficientes de dilatação bem distintos, associados mecanicamente e geralmente na forma de espiral. A diferença de dilatação dos metais, quando o sensor entra em contato com calor, provoca, mediante um mecanismo adequado, o movimento de um ponteiro numa escala graduada. Os termopares são os sensores de maior uso industrial para medição de temperatura. Apresentam boa precisão e repetibilidade de leitura aceitável, entre -200 ºC e cerca de 2300 ºC, a um custo reduzido quando comparado com outros tipos de sensores de temperatura. O princípio conhecido como efeito Seebeck propiciou a utilização de termopares para medição de temperatura. Nesse caso, foi observado experimentalmente que o aquecimento de dois fios condutores de eletricidade com temperaturas distintas em suas extremidades gera uma força eletromotriz que depende da diferença de temperatura e da composição dos fios. Como essa força eletromotriz pode ser determinada mediante um milivoltímetro ou potenciômetro, adequa-se à medida da diferença de temperatura. Assim, um termopar ou par termométrico consiste de dois condutores metálicos de natureza distinta, na forma de metais puros ou ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo ao qual se dá o nome de junção de medição; a outra extremidade, ou a junção de referência, é levada ao instrumento medidor por onde flui a corrente gerada. A força motriz que se pode ler no instrumento indicador é proporcional à temperatura desconhecida. Quando se procede à escolha de um termopar deve-se ponderar qual o mais adequado para a aplicação desejada, segundo as características de cada tipo de termopar, tais como a gama de temperaturas suportadas, a exatidão e a confiabilidade da leitura, entre outras. Indicadores de Nível Em muitos casos, é importante se conhecer o nível de um fluido em um dado recipiente. Isto é necessário por questões de segurança, como no caso de uma

6 6 caldeira que por ventura venha a ficar sem água ou um tanque com um material corrosivo venha a transbordar, ou por questões econômicas, como no caso de um tanque de leite transbordar, descartando material que seria vendido ou utilizado. Os dispositivos de medida de nível medem ou a posição da superfície do líquido sobre um ponto de referência ou a altura hidrostática criada pelo líquido cuja superfície se deseja conhecer. 3. EXERCÍCIOS Pesquisar sobre bombas, válvulas, tubulações e acessórios para indústrias de processos químicos e/ou alimentares. Disserte sobre cada um destes itens. O texto deve ter entre 5 e 6 páginas. E, para cada um destes itens, construa, ao final do texto, uma tabela-resumo, na qual devem constar as informações (organizadas por colunas): (a) tipos mais comuns, incluindo ilustrações esquemáticas, (b) aplicações mais frequentes, (c) principais modelos comerciais e (d) referências consultadas.