Disciplina: Instrumentação e Controle de Sistemas Mecânicos. Mensuração da Vazão Parte 1

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1 Disciplina: Instrumentação e Controle de Sistemas Mecânicos Mensuração da Vazão Parte 1

2 Medidores de Vazão 1. Tipo turbina 2. Medidores magnéticos 3. Medidores ultra-sônicos 4. Placa de orifício / sensor de pressão diferencial

3 Medidores de vazão tipo turbina (Turbine flow meter)

4 Medidores tipo turbina Eficientes para líquidos e gases A vazão do fluido é proporcional à velocidade de rotação da turbina Rotação é detectada por sensores de relutância, capacitância, indutivos ou mecânicos Relutância: as lâminas da turbina são feitas de material magnético. No passar de cada pá por uma bobina magnética permanente, é gerado um pulso de voltagem na mesma. Cada pulso é indicativo da passagem de um volume específico de fluido

5 Medidores tipo turbina Indutivo: as lâminas da turbina são feitas de material magnético permanente. No passar de cada pá por uma bobina feita de material magnético, é gerado um pulso de voltagem na mesma. Cada pulso é indicativo da passagem de um volume específico de fluido A saída das bobinas são ondas senoidais contínuas com freqüência proporcional à vazão, de 20mV pico a pico. O amplificador de sinais deve ficar o mais próximo possível. Velocidade mínima mensurável: 1,6 m/s

6 Coeficiente K: pulsos/gal 98, Medidores tipo turbina linearidade de +/- 0,15% +0,25% -0,25% B Fator K nominal 98, A Vazão mínima para linearidade de +/- 0,25% C Vazão gal/min Máxima vazão linear

7 Medidores tipo turbina A vazão média do fluido deve estar entre 60 e 75% da capacidade do medidor Velocidades baixas (< 0,3 m/s) fornecem leituras enganosas Velocidades altas (> 3 m/s) desgastam rapidamente o medidor Queda de pressão máxima entre 3 e 5 psi na vazão máxima A viscosidade afeta a precisão do aparelho. É importante calibrá-lo para o fluido a ser monitorado A densidade é um fator de pouca influência A temperatura do fluido deve ser compensada A turbulência é outro fator crítico. Reynolds deve ser mantido entre 4000 e (regime turbulento).

8 Número de Reynolds Coeficiente adimensional para descrever o perfil da vazão de um fluido Re = D.v. / µ D, diâmetro tubo [m]; v, veloc. fluido [m/s];, massa espcf [kg/m3]; µ, viscosidade [Pa.s] Re < 2000 : domínio da viscosidade (laminar) Re > 4000 : fluxo turbulento

9 Diagrama de Moody

10 Instalação Cone concêntrico 2,5 x D 5 x D Proteção da bobina Cone concêntrico vazão Alinhador de fluxo D 10 x D 5 x D Na ausência de retificadores de fluxo, é requerido um trecho linear de tubo de comprimento de 15 diâmetros a montante e 5 a jusante. A existência de válvulas, joelhos e tês antes do medidor aumenta para 20 a 30 diâmetros o trecho linear. Na presença de partículas no fluido acima de 100mg/l e 75 microns : filtro a 20 diam.

11 Medidores de Vazão por Pressão Diferencial Tipo de medidor mais difundido (aprox. 50% na indústria) Bernoulli: quando um fluido passa em uma restrição, ele acelera e a energia para esta aceleração é obtida da pressão estática do fluido. Placa de orifício

12 Os medidores mais comuns são do tipo placa de orifício, bocal e Venturi. Tipos de medidores por obstrução: a) Venturi, b) e c) bocais, d) placa de orifício e) cápsula porosa e f) tubo capilar

13 Vena contracta A equação da energia sem perdas, ou equação de Bernoulli, aplicada ao fluido escoando ao longo de uma linha de corrente, é dada por: A validade do equacionamento é restrita a condições de escoamento permanente, incompressível, ao longo de uma mesma linha de corrente, sem atrito, sem diferença de cota z, e velocidade uniforme ao longo dos pontos ou seções de observação 1 e 2.

14 Equação da continuidade:

15 Essa expressão é imprecisa pois não leva em conta o atrito do escoamento, e também porque a determinação de D2 não é prática. Para contornar a situação, emprega-se o diâmetro da obstrução Dt e um coeficiente adimensional de descarga Cd, para efetuar a correção dos problemas de atrito :

16 Para simplificar a equação: E fator de velocidade K coeficiente de vazão

17 Tomada de leitura em canto de flange (corner taps) Orifícios concêntricos

18 Coeficiente de vazão K para tomada de leitura com orifícios concêntricos (corner taps)

19 Tipos de bocais: (b) pressurizado e em (a) duto

20 Curvas de coeficiente de vazão para bocais com montagem em duto

21 Placas de orifício do tipo concêntrico, excêntrico e segmental Orifício Concêntrico Este tipo de placa de orifício é utilizado para líquido, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão. Observação: Em fluidos líquidos com possibilidade de vaporização a placa deve ter um orifício na parte superior para permitir o arraste do vapor. Em fluidos gasosos com possibilidade de formação de condensado o furo deve ser feito na parte inferior para permitir o dreno.

22 Placas de orifício do tipo concêntrico, excêntrico e segmental Orifício Excêntrico Este tipo de orifício é utilizado em fluido contendo sólidos em suspensão, os quais possam ser retidos e acumulados na base da placa; nesses casos, o orifício pode ser posicionado na parte baixa do tubo, para permitir que os sólidos passem.

23 Placas de orifício do tipo concêntrico, excêntrico e segmental Orifício Segmental Este tipo de placa de orifício tem a abertura para passagem do fluido disposta em forma de segmentos de círculo. A placa de orifício segmental é destinada para uso em fluidos em regime laminar e com alta porcentagem de sólidos em suspensão.

24 Coeficiente de vazão K para tomada de leitura com orifícios concêntricos

25 1,20 1,18 1,16 0,75 Coeficiente k 1,14 1,12 1,10 1,08 1,06 0,65 1,04 1,02 0,55 0,35 1,00 0,98 0,96 0,45 0, Reynolds Curvas de coeficiente de vazão para bocais com montagem em duto

26 Exercício 1. Dimensione a capacidade mínima do manômetro, em função dos dados relacionados, considerando uma tomada de leitura com orifício concêntrico. Fluido, água (massa específica 999 kg/m 3, viscosidade 0,001 Pa.s); vazão, 0,250 m 3 /s; diâmetro interno tubo, 0,4 m; diâmetro orifício calibrado, 0,25 m. Q 0,250 m3/s D1 0,400 m Ro 999,000 kg/m3 Dt 0,250 m Visc 1,00E-03 Pa.s

27 Resolução Para o gráfico poder ser usado, é necessário obter ao menos duas das três grandezas que este relaciona: Número de Reynolds, a relação beta entre diâmetros e o coeficiente K. Neste caso, Reynolds e beta podem ser calculados com os dados de entrada: D t D 1 ReD 1. V1. D1

28 Resolução D t D 1 0,250 0,400 0,625 V Q A 0,250.0, , Re 9991,9895 0,001 0,4 7,9310 5

29 K 0,66 0,625 Re 810 5

30 Resolução p p A K Q t p p A K Q t p p A K Q t A t K Q p p

31 Resolução p 1 p 2 Q 2. K A t ,250 0,660,04909 p p 29907Pa Resposta: O manômetro selecionado deve ser capaz de medir 30kPa. Como os instrumentos industriais normalmente tem sua melhor faixa de leitura entre 25% a 75% da escala, um manômetro com limite de escala de 50kPa pode ser considerado como adequado.

32 Exercício 2. Dimensione um manômetro em mm de mercúrio, adequado para medir 30kPa. Massa específica do mercúrio: kg/m 3 Resposta: 225 mm 3. Dimensione o diâmetro mínimo do orifício calibrado, considerando uma tomada de leitura com orifícios concêntricos. Fluido, Acetona (massa específica 790 kg/m 3, viscosidade 0, Pa.s); Vazão, litros/h; Diâmetro interno tubo. 0,1 m; Pressão máx. manômetro, 25 kpa. Resposta: 0, m

33 Bibliografia Egídio Alberto Bega, Gerard Jean Delmee, Pedro Estéfano Cohn, Roberval Bulgarelli, Ricardo Koch, Vitor Schmidt Finkel Instrumentação Industrial, Editora Interciência, 3ª Edição, 2011.

34 Bibliografia Arivelto Bustamante Fialho Instrumentação Industrial, Editora Érica, 7ª Edição, 2010.