Medidores de Vazão e Temperatura. Prof. Jomar Teodoro Gontijo

Transcrição

1 Medidores de Vazão e Temperatura Prof. Jomar Teodoro Gontijo

2 Medidores de Vazão Utilizado na medição e no controle da quantidade de fluxo de líquidos, gases e até sólidos granulados.

3 Medidores de vazão Cada medidor é aplicado a uma realidade;

4 Vazão Definição de vazão; Vazão volumétrica: Unidades de medição: m³/s, m³/h, l/h, l/min, GPM (galão por minuto).

5 Vazão Vazão mássica: Unidades de medição: kg/s, kg/h, T/h e Lb/h.

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7 Conceitos físicos e básicos para medição de vazão Calor Específico; Viscosidade; Velocidade; Tipo de escoamento.

8 Tipos de Medidores

9 MÉTODOS DE DESLOCAMENTO VOLUMÉTRICO São aqueles que o fluído passando em quantidades sucessivas pelo mecanismo de medição, faz com que o mesmo acione o mecanismo de indicação. Estes medidores são utilizados para serem os elementos primários das bombas de gasolina e dos hidrômetros.

10 MEDIDORES DE DESLOCAMENTO VOLUMÉTRICO Estes medidores são apropriados para medidas de fluídos limpos, pois, partículas suspensas podem provocar desgaste e decorrentes imprecisões de medida. Exemplos Tipo Pás Giratórias Tipo de Engrenagem

11 Medidores de vazão de quantidade volumétrica EXEMPLOS 11

12 Medidores de vazão de quantidade volumétrica A maioria dos medidores industriais medem a velocidade e infere a vazão volumétrica do fluído. A partir da velocidade e da área da seção transversal da tubulação tem-se a vazão volumétrica. Medem a quantidade de material instantânea. Exprimem a vazão por unidade de tempo. 12

13 MEDIDORES DE DESLOCAMENTO VOLUMÉTRICO MEDIDOR DE PISTÃO ALTERNANTE PARA LÍQUIDOS Nestes medidores, um disco é instalado num envoltório fechado, como mostra a figura. O disco se inclina quando o líquido entra no aparelho de modo que para cada ciclo de mutação, um volume discreto de líquido flui através da saída. Cada ciclo é registrado por um eixo conectado ao sistema de leitura.

14 MEDIDORES DE DESLOCAMENTO VOLUMÉTRICO MEDIDOR DE DISCO OSCILANTE PARA LÍQUIDOS Nestes medidores, um disco é instalado num envoltório fechado, como mostra a figura. O disco se inclina quando o líquido entra no aparelho de modo que para cada ciclo de mutação, um volume discreto de líquido flui através da saída. Cada ciclo é registrado por um eixo conectado ao sistema de leitura.

15 MEDIDORES DE DESLOCAMENTO VOLUMÉTRICO MEDIDOR VOLUMÉTRICO DE ENGRENAGENS OVAIS Estes instrumentos são utilizados na medição de líquidos na indústria petrolífera, petroquímica, química, na transferência de custódia e carregamento de Caminhões Tanque, etc. Se destaca em aplicações de líquidos em condições adversas tais como: Óleos combustível pesados, Resíduos de Asfalto (Rasf), Asfalto, Petróleo Bruto, Derivados de petróleo em geral.

16 Medidores de vazão volumétricos por pressão diferencial A pressão diferencial é produzida por um elemento primário colocado na tubulação de forma que o fluído passe através dele; haverá um aumento da velocidade do fluido, e uma queda de pressão, produzindo assim a pressão diferencial, que varia com a quantidade que escoa pelo tubo. 16

17 MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL Os medidores de vazão por P podem ser aplicados numa grande variedade de medições, envolvendo a maioria dos gases e líquidos, inclusive fluídos com sólidos em suspensão, bem como fluídos viscosos, em uma faixa de temperatura e pressão bastante ampla.

18 Medidores de vazão volumétricos por pressão diferencial O elemento primário que produz a depressão e gera a diferença de pressão, pode ser um dos seguintes instrumentos: Placa de Orifício Tubo de Venturi Bocal de Vazão Tubo de Pitot Rotâmetro 18

19 Medidores de vazão volumétricos por pressão diferencial Placa de Orifício Consiste em uma placa precisamente perfurada; a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação; Dispositivo mais simples e mais comum. 19

20 Medidores de vazão volumétricos por pressão diferencial Vantagens: instalação fácil, econômica, construção simples, manutenção e troca simples, alta perda de carga, baixa rangeabilidade. Desvantagens: Provoca considerável perda de carga no fluxo, a faixa de medição é restrita, desgaste da placa, etc 20

21 PLACA DE ORIFÍCIO É o mais usado pelo seu baixo custo associado ao grande conhecimento acumulado de décadas de aplicação;

22 TIPOS: PLACA DE ORIFÍCIO Concêntrica; Entrada Cônica; Segmental; Excêntrica; Quadrante.

23 FUNCIONAMENTO: PLACA DE ORIFÍCIO À medida que o fluido se aproxima da placa há um ligeiro aumento na pressão, e depois há uma súbita queda após a passagem pelo orifício.

24 Medidores de vazão volumétricos por pressão diferencial Orifício Concêntrico Utilizado para líquidos, gases que não contenham sólidos em suspensão. 24

25 TIPOS DE ORIFÍCIOS ORIFÍCIO EXCÊNTRICO Utilizada quando tivermos fluído com sólidos em suspensão, os quais possam ser retidos e acumulados na base da placa, sendo o orifício posicionado na parte de baixo do tubo.

26 TIPOS DE ORIFÍCIOS ORIFÍCIO SEGMENTAL Esta placa tem a abertura para passagem de fluido, disposta em forma de segmento de círculo. É destinada para uso em fluídos laminados e com alta porcentagem de sólidos em suspensão.

27 Medidores de vazão volumétricos por pressão diferencial PLACA DE ORIFÍCIO 27

28 Medidores de vazão volumétricos por pressão diferencial Tubo de Venturi Possui uma curta garganta estreitada entre duas seções cônicas e está usualmente instalado entre dois flanges em um tubulação; Acelera o fluído e temporariamente baixa sua pressão estática; A recuperação de pressão é bastante eficiente; Uso recomendado quando se deseja um maior restabelecimento de pressão; Enquanto o fluído medido carrega sólidos em suspensão; Venturi produz um diferencial menor que a placa de orifício para uma mesma vazão e diâmetro igual à sua garganta. 28

29 TUBO VENTURI A recuperação de pressão em um tubo Venturi é bastante eficiente, sendo seu uso recomendado quando se deseja um maior restabelecimento de pressão e quando o fluido medido carrega sólidos em suspensão. O Venturi produz um diferencial menor que uma placa de orifício para uma mesma vazão e diâmetro igual à sua garganta.

30 Medidores de Vazão Volumétricos Por Pressão Diferencial Tubo de Venturi 30

31 Medidores de Vazão Volumétricos Por Pressão Diferencial BOCAL DE VAZÃO O Bocal de vazão (Flow nozzle) é, em muitos aspectos um meio termo entre a placa de orifício e o tubo Venturi. O perfil dos bocais de vazão permite sua aplicação em serviços onde o fluído é abrasivo e corrosivo. Tem características semelhantes à placa de orifício e tubo de Venturi.

32 Medidores de Vazão Volumétricos Por Pressão Diferencial BOCAL DE VAZÃO O perfil de entrada é projetado de forma à guiar a veia fluída até atingir a seção mais estrangulada do elemento de medição, seguindo uma curva elíptica (projeto ASME) ou pseudoelíptica (projeto ISA). Seu principal uso é em medição de vapor com alta velocidade, recomendado p/ tubulações > 50mm.

33 Medidores de vazão volumétricos por pressão diferencial BOCAL DE VAZÃO 33

34 Medidores de vazão volumétricos por pressão diferencial TUBO PITOT É um dispositivo para medição de vazão através da velocidade detectada em um ponto da tubulação. O tubo de Pitot é um tubo com uma abertura em sua extremidade, sendo esta colocada na direção da corrente fluida de um duto. A diferença da pressão total e a pressão estática da linha nos dará a pressão dinâmica, a qual é proporcional ao quadrado da velocidade.

35 Medidores de vazão volumétricos por pressão diferencial a diferença da pressão total e a estática da linha resulta na pressão dinâmica. a pressão dinâmica é proporcional ao quadrado da velocidade: TUBO PITOT 35

36 Medidores de vazão volumétricos por pressão diferencial TUBO PITOT 36

37 Medidores de vazão volumétricos por pressão diferencial 37

38 Medidores de vazão volumétricos por pressão diferencial MEDIDOR TIPO ANNUBAR O Annubar é um dispositivo de produção de pressão diferencial que ocupa todo o diâmetro do tubo. O annubar é projetado para medir a vazão total, de forma diferente dos dispositivos tradicionais de pressão diferencial.

39 MEDIDAS DE VAZÃO MÉTODOS DE ÁREA VARIÁVEL

40 MÉTODOS DE ÁREA VARIÁVEL ROTÂMETROS Medidores que aplicam estes métodos dão uma indicação direta da taxa de fluxo no instante da observação, sendo assim apropriados para aplicação de controle de processos, embora, quando a densidade do fluído é diferente daquela para o qual o instrumento foi calibrado, a leitura do medidor deve ser corrigida.

41 ROTÂMETROS Rotâmetros são medidores de vazão por área variável, nos quais um flutuador varia sua posição dentro de um tubo cônico, proporcionalmente à vazão do fluido.

42 ROTÂMETROS Basicamente, um rotâmetro consiste de duas partes: 1) Um tubo de vidro de formato cônico, o qual é colocado verticalmente na tubulação em que passará o fluido que queremos medir. A extremidade maior do tubo cônico ficará voltada para cima. 2) No interior do tubo cônico teremos um flutuador que se moverá verticalmente, em função da vazão medida.

43 ROTÂMETROS-PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO O fluido passa através do tubo da base para o topo. Quando não há vazão, o flutuador permanece na base do tubo e seu diâmetro maior é usualmente selecionado de tal maneira que bloqueie a pequena extremidade do tubo, quase que completamente.

44 ROTÂMETROS-PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Quando a vazão começa e o fluido atinge o flutuador, o empuxo torna o flutuador mais leve; porém, como o flutuador tem uma densidade maior que a do fluido, o empuxo não é suficiente para levantar o flutuador.

45 ROTÂMETROS-PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO A área de passagem oferece resistência à vazão e a queda de pressão do fluido começa a aumentar. Quando a pressão diferencial, somada ao efeito de empuxo do líquido, excede a pressão devido ao peso do flutuador, então o flutuador sobe e flutua na corrente fluida.

46 ROTÂMETROS-PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Com o movimento ascendente do flutuador em direção à parte mais larga do tubo, a área anular, entre a parede do tubo de vidro e a periferia do flutuador, aumenta. Como a área aumente, o diferencial de pressão devido ao flutuador decresce.

47 ROTÂMETROS-PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO O flutuador ficará em equilíbrio dinâmico quando a pressão diferencial através do flutuador somada ao efeito do empuxo contrabalançar o peso do flutuador.

48 ROTÂMETROS-PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Qualquer aumento na vazão movimenta o flutuador para a parte superior do tubo de vidro e a diminuição causa uma queda a um nível mais baixo. Cada posição do flutuador corresponde a um valor determinado de vazão e somente um. É somente necessário colocar uma escala calibrada na parte externa do tubo e a vazão poderá ser determinada pela observação direta da posição do flutuador.

49 49 ROTÂMETROS

50 Os dois principais tipos são: O vertedor e MEDIDORES DE VAZÃO EM CANAIS ABERTOS A calha de Parshall.

51 VERTEDOR MEDIDORES DE VAZÃO EM CANAIS ABERTOS O vertedor mede a altura estática do fluxo em reservatório que verte o fluído de uma abertura de forma variável.

52 CALHA DE PARSHALL MEDIDORES DE VAZÃO EM CANAIS ABERTOS O medidor tipo calha de Parshall é um tipo de Venturi aberto que mede a altura estática do fluxo. É um medir mais vantajoso que o vertedor, porque apresenta menor perda de carga e serve para medir fluídos com sólidos em suspensão.

53 MEDIDORES ESPECIAIS DE VAZÃO Os principais medidores especiais de vazão são: MEDIDORES MAGNÉTICOS TIPO TURBINA TIPO CORIOLIS VORTEX ULTRA-SÔNICO

54 Eletromagnético O funcionamento baseia se no fenômeno da indução eletromagnética; O condutor em movimento é o próprio líquido que circula num tubo de medida não magnético; 54

55 Medidores especiais - Eletromagnético há dois eletrodos implantados no tubo de medida que fazem contato com o líquido; perpendicularmente à linha dos eletrodos, é aplicado um campo magnético produzido por duas bobinas exteriores; A f.e.m. induzida é proporcional à vazão do líquido; Como não existe nenhum contato com fluído, este tipo de medidor oferece perda de carga equivalente a de um trecho reto de tubulação. 55

56 Medidores especiais - Eletromagnético Algumas vantagens: sem componentes móveis; passagem completamente desobstruída; quimicamente compatível com virtualmente todos os líquidos; não é afetado pela viscosidade, pressão, temperatura, ou densidade. 56

57 Medidores especiais - Eletromagnético Algumas desvantagens: líquido deve ser eletricamente condutor; não adequado para gás; exige energia auxiliar; difícil adaptação para áreas perigosas. 57

58 MEDIDORES ESPECIAIS DE VAZÃO MEDIDORES MAGNÉTICOS DE VAZÃO COM ELETRODOS O medidor magnético de vazão é seguramente um dos medidores mais flexíveis e universais dentre os métodos de medição de vazão. Sua perda de carga é equivalente a de um trecho reto de tubulação, já que não possui qualquer obstrução.

59 MEDIDORES ESPECIAIS DE VAZÃO MEDIDORES MAGNÉTICOS DE VAZÃO COM ELETRODOS Medidores magnéticos são ideais para medição de produtos químicos altamente corrosivos, fluidos com sólidos em suspensão, lama, água, polpa de papel. Sua aplicação estende-se desde saneamento até indústrias químicas, papel e celulose, mineração e indústrias alimentícias.

60 MEDIDORES ESPECIAIS DE VAZÃO MEDIDORES MAGNÉTICOS DE VAZÃO COM ELETRODOS

61 Medidores de vazão tipo turbina 61

62 Medidor por Turbina Introdução; Princípio de funcionamento; Aplicações típicas;

63 MEDIDORES ESPECIAIS DE VAZÃO TIPO TURBINA Os Medidores de turbina são utilizados na medição de líquidos industriais e derivados de petróleo de baixa viscosidade, na medição de Gases como: GLP, Gás natural. Este tipo de medidor se destaca pela alta precisão e repetibilidade sendo muito utilizado em medição de transferência de custódia e carregamento de caminhões tanque e processos de dosagem. Existe uma ampla gama de modelos disponíveis atendendo a maioria dos processos na Indústria Petroquímica, química, alimentícia.

64 TIPO TURBINA MEDIDORES ESPECIAIS DE VAZÃO O medidor tipo turbina é constituído basicamente por um rotor montado axialmente na tubulação.

65 TIPO TURBINA O rotor é provido de aletas que o fazem girar quando passa um fluido na tubulação do processo. Uma bobina captadora com um imã permanente é montada externamente fora da trajetória do fluido. Quando este se movimenta através do tubo, o rotor gira a uma velocidade determinada pela velocidade do fluido e pelo ângulo das lâminas do rotor. MEDIDORES ESPECIAIS DE VAZÃO

66 TIPO TURBINA MEDIDORES ESPECIAIS DE VAZÃO Á medida que cada lâmina passa diante da bobina e do imã, ocorre uma variação da relutância do circuito magnético e no fluxo magnético total a que está submetida a bobina. Verificase então a indução de um ciclo de tensão alternada.

67 TIPO TURBINA A frequência dos pulsos gerados desta maneira é proporcional á velocidade do fluido e a Vazão pode ser determinada pela medição / totalização de pulsos. MEDIDORES ESPECIAIS DE VAZÃO

68 Turbina RESUMO - FUNCIONAMENTO Constituído por um rotor montado paralelamente na tubulação; o rotor é provido de palhetas que o fazem girar quando tubulação passa um fluído na tubulação; a velocidade angular do rotor é proporcional à velocidade do fluído; que por sua vez, é proporcional à vazão do volume. 68

69 Turbina - Algumas vantagens: alta precisão; versátil e adequado para funcionamento sob condições severas; saída digital linear; resposta rápida; dimensão e pesos reduzidos.. 69

70 Turbina - Algumas desvantagens: inadequada a viscosidade elevada; pode ser danificado por velocidade excessiva; relativamente dispendioso; componente móvel sujeito a desgaste; exige indicador separado. 70

71 MEDIDORES ESPECIAIS DE VAZÃO MEDIDOR POR EFEITO CORIOLIS É um instrumento que tem grande aplicabilidade desde indústria alimentícia, farmacêutica, química, papel, petróleo etc. e sua medição, independe das variáveis de processo - densidade, viscosidade, condutibilidade, pressão, temperatura, perfil do fluído.

72 MEDIDOR DE VAZÃO POR CORIÓLIS Efeito da força Coriólis - inércia e aceleração centrípeta; Princípio de Coriólis - gera um sinal proporcional à vazão mássica.

73 MEDIDOR DE VAZÃO POR CORIÓLIS Dois tubos paralelos em U ; Eletroímas; Oscilação nos tubos; Vazão mássica; Sensores mágnéticos.

74 MEDIDOR DE VAZÃO POR CORIÓLIS Medição de líquidos com sólidos, de alta e baixa viscosidade, suspensões e emulsões; Indústrias Petroquímicas, Químicas, Petrolíferas, Farmacêuticas, Alimentícias.

75 Medidores especiais de vazão Efeito Coriolis Um tubo em U é excitado externamente de modo a vibrar; A passagem do fluído pelo tubo vibrante produz esforços alternados, provocando torção; A amplitude da torção é proporcional à vazão e é registrada eletronicamente. 75

76 76 Medidores de vazão por efeito Coriolis

77 MEDIDORES ESPECIAIS DE VAZÃO MEDIDOR VORTEX Estes Medidores são utilizados na medição de vazão de líquidos de baixa viscosidade, gases e vapor (saturado e superaquecido). Os MEDIDORES VORTEX se caracterizam pela ausência de partes móveis em contato com o fluido, baixa perda de carga e boa precisão.

78 MEDIDORES ESPECIAIS DE VAZÃO MEDIDOR VORTEX Quando um anteparo de geometria definida é colocado de forma a obstruir parcialmente uma tubulação em que escoa um fluido, ocorre a formação de vórtices; que se desprendem alternadamente de cada lado do anteparo. Este é um fenômeno muito conhecido e demonstrado em todos os livros de mecânica dos fluidos.

79 Medidor Vortex Vantagens: exatidão, alta precisão, medição de vazão linear de líquidos com baixa viscosidade, gases e vapor. Aplicações com temperaturas entre C e C; preço competitivo de aquisição/instalação, operação e manutenção;

80 Medidor Vortex Utilização: medição de vazão de água, álcool, entre outros líquidos; ar comprimido, nitrogênio, oxigênio, gás natural, vapor, e outros insumos Soluções Vórtex industriais para fins de balanço material e/ou energético.

81 Medidor Vortex Funcionamento: Geração de vórtices num obstáculo de formato trapezoidal Vista interna do medidor

82 MEDIDORES ESPECIAIS DE VAZÃO ULTRA-SÔNICOS Os medidores de vazão que usam a velocidade do som como meio auxiliar de medição podem ser divididos em dois tipos principais: - MEDIDORES A EFEITO DOPPLER - MEDIDORES DE TEMPO DE TRÂNSITO Nota: Existem medidores ultrassônicos nos quais os transdutores são presos à superfície externa da tubulação, e outros com os transdutores em contato direto com o fluído. Os transdutoresemissores de ultrassons consistem em cristais piezelétricos que são usados como fonte de ultrassom, para enviar sinais acústicos que passam no fluído, antes de atingir os sensores correspondentes.

83 83 Medidor de vazão ultrassônico

84 MEDIDORES ESPECIAIS DE VAZÃO MEDIDORES DE EFEITO DOPPLER O efeito Doppler é aparente variação de freqüência produzida pelo movimento relativo de um emissor e de um receptor de freqüência.

85 MEDIDORES ESPECIAIS DE VAZÃO MEDIDORES DE EFEITO DOPPLER Estes instrumentos são consequentemente adequados para medir vazão de fluídos que contêm partículas capazes de refletir ondas acústicas. No caso, esta variação de frequência ocorre quando as ondas são refletidas pelas partículas móveis do fluído. Nos medidores baseados neste princípio, os transdutores-emissores projetam um feixe contínuo de ultrassom na faixa das centenas de khz. Os ultrassons refletidos por partículas veiculadas pelo fluído têm sua frequência alterada proporcionalmente ao componente da velocidade das partículas na direção do feixe.

86 Medidores Ultrassônicos - Medidores de tempo de trânsito: Adequados para medir vazão de fluídos que não contém partículas; Princípio de funcionamento.

87 MEDIDORES DE TEMPO DE TRÂNSITO Nestes medidores, um transdutor emissor - receptor de ultrassons é fixado à parede externa do tubo, ao longo de duas geratrizes diametralmente opostas. O eixo que reúne os emissores receptores forma com o eixo da tubulação, um ângulo.

88 MEDIDORES DE TEMPO DE TRÂNSITO Os transdutores transmitem e recebem alternadamente um trem de ondas ultra-sônicas de duração pequena. O tempo de transmissão é levemente inferior (t 1 ) orientada para a jusante, e levemente superior (t 2 ) quando orientada para a montante. Sendo L a distância entre os sensores, V1 a velocidade média do fluído e V2 a velocidade do som no líquido considerado.