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Tipologia: Notas de estudo
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Instrumentação Básica II - Vazão, Temperatura e Analítica – Instrumentação
Trabalho realizado em parceria SENAI / CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão)
Coordenação Geral Evandro de Figueiredo Neto (CST) Robson Santos Cardoso (SENAI)
Supervisão ...............................................(CST) Fernando Tadeu Rios Dias (SENAI)
Elaboração ...........................................(CST) Ulisses Barcelos Viana (SENAI)
Aprovação (CST) (CST) Wenceslau de Oliveira (CST)
SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial CTIIAF – Centro Técnico de Instrumentação Industrial Arivaldo Fontes Departamento Regional do Espírito Santo Av. Marechal Mascarenhas de Moraes, 2235 Bento Ferreira – Vitória – ES CEP Telefone: (027) Telefax: (027)
CST – Companhia Siderúrgica de Tubarão Departamento de Recursos Humanos Av. Brigadeiro Eduardo Gomes, s/n, Jardim Limoeiro – Serra – ES CEP 29160- Telefone: (027) 348- Telefax: (027) 348-
SENAI
Na maioria das operações realizadas nos processos industriais é muito importante efetuar a medição e o controle da quantidade de fluxo de líquidos, gases e até sólidos granulados, não só para fins contábeis, como também para a verificação do rendimento do processo.
Assim, estão disponíveis no mercado diversas tecnologias de medição de vazão cada uma tendo sua aplicação mais adequada conforme as condições impostas pelo processo.
Neste capítulo abordaremos algumas destas tecnologias, suas aplicações, e os princípios físicos envolvidos, bem como os testes, calibração e suas interligações elétricas em forma de malhas de medição, registro, indicação e controle.
Vazão pode ser definida como sendo a quantidade volumétrica, mássica ou gravitacional de um fluido que passa através de uma seção de uma tubulação ou canal por unidade de tempo.
Observação: A vazão também pode ser obtida pelo resultado da multiplicação da área seccional pela média da velocidade do fluido.
2.1 - Vazão Volumétrica
É definida como sendo a quantidade em volume que escoa através de uma certa seção em um intervalo de tempo considerado. É representado pela letra Q e expressa pela seguinte equação:
Q =^
Onde:
V = volume t = tempo
2.1.1 - Unidades de Vazão Volumétricas
As unidades de vazão volumétricas mais utilizadas são: m 3 /s, m 3 /h, l/h, l/min GPM, Nm 3 /h e SCFH.
Na medição de vazão volumétrica é importante referenciar as condições básicas de pressão e temperatura, principalmente para gases e vapor pois o volume de uma substância depende da pressão e temperatura a que está submetido.
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2.2 - Vazão Mássica
É definida como sendo a quantidade em massa de um fluido que atravessa a seção de uma tubulação por unidade de tempo. É representada pela letra Qm e expressa pela seguinte equação:
Qm =
m
t
Onde:
m = massa t = tempo
2.2.1 - Unidades de Vazão Mássica
As unidades de vazão mássica mais utilizadas são: kg/s, kg/h, T/h e Lb/h.
2.3 - Relação Entre Unidades
A relação entre as unidades de medição de vazão volumétrica e mássica pode ser obtida pela seguinte expressão:
Qm = ρ. Qv
Onde:
ρ = massa específica
2.4 - Vazão Gravitacional
É a quantidade em peso que passa por uma certa seção por unidade de tempo. É representada pela letra Qρ e expressa pela seguinte equação:
Qρ = W t
Onde:
W = peso
2.5 - Unidade Gravitacional
As unidades de vazão gravitacional mais utilizadas são: kgf/h e lbf/h.
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3.2.3 - Viscosidade cinemática
É a relação entre a viscosidade absoluta e a massa específica de um fluido, tomados à mesma temperatura. É representada pela letra ν (ni).
3.2.4 - Unidade de Viscosidade Cinemática
As unidades de viscosidade cinemática mais utilizadas na indústria são:
m 2 /s, stoke (cm 2 /s) e centistoke.
3.3 - Tipos de Escoamento
3.3.1 - Regime Laminar
Se caracteriza por um escoamento em camadas planas ou concêntricas, dependendo da forma do duto, sem passagens das partículas do fluido de uma camada para outra e sem variação de velocidade, para determinada vazão.
3.3.2 - Regime Turbulento
Se caracteriza por uma mistura intensa do líquido e oscilações de velocidade e pressão. O movimento das partículas é desordenado e sem trajetória definida.
3.4 - Número de Reynolds
Número adimensional utilizado para determinar se o escoamento se processa em regime laminar ou turbulento. Sua determinação é importante como parâmetro modificador dos coeficiente de descarga.
Re =
V.D ν
Onde:
V - velocidade (m/s) D - diâmetro do duto (m)
ν - viscosidade cinemática (m 2 /s)
Observação:
− Na prática, se Re > 2.320, o fluxo é turbulento, caso contrário é sempre laminar.
− Nas medições de vazão na indústria, o regime de escoamento é na maioria dos casos turbulento com Re > 5.000.
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3.5 - Distribuição de Velocidade em um Duto
Em regime de escoamento no interior de um duto, a velocidade não será a mesma em todos os pontos.
Será máxima no ponto central do duto e mínima na parede do duto.
3.5.1 - Regime Laminar
É caracterizado por um perfil de velocidade mais acentuado, onde as diferenças de velocidades são maiores.
Vx = Vmáx. (^) 1 x R
2 −
Fig. 01
3.5.2 - Regime Turbulento
É caracterizado por um perfil de velocidade mais uniforme que o perfil laminar. Suas diferenças de velocidade são menores.
Vx = Vmáx. 1 x R
1 n −
Fig. 02
Observação:
Por estas duas fórmulas percebe-se que a velocidade de um fluido na superfície da seção de um duto é zero (0). Podemos entender o porque da velocidade nas paredes da tubulações considerando também o atrito existente entre o fluido e a superfície das tubulações.
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Existem três tipos fundamentais de medidores de vazão: indiretos, diretos e especiais.
1 - Medidores indiretos utilizando fenômenos intimamente relacionados a quantidade de fluido passante
I - Perda de carga variável (área constante)
− Tubo Pitot
− Tubo de Venturi − Tubo de Dall
− Annubar − Placa de orifício
II - Área variável (perda de carga constante)
− Rotâmetro
2 - Medidores diretos de volume do fluido passante
I - Deslocamento positivo do fluido
− Disco Nutante
− Pistão flutuante − Rodas ovais − Roots
II – Velocidade pelo impacto do fluido
− Tipo Hélice − Tipo turbina
3 - Medidores especiais
− Eletromagnetismo − Vortex − Ultra-sônico − Calhas Parshall − Coriolis
4.1 - Medição de Vazão por Perda de Carga Variável
Considerando-se uma tubulação com um fluido passante, chama-se perda de carga dessa tubulação a queda de pressão sofrida pelo fluido ao atravessá-la. As causas da perda de carga são: atrito entre o fluido e a parede interna do tubo, mudança de pressão e velocidade devido a uma curva ou um obstáculo, etc.
Os diversos medidores de perda de carga variável usam diferentes tipos de obstáculos ao fluxo do líquido, provocando uma queda de pressão. Relacionando essa perda de pressão com a vazão, determina-se a medição de vazão pela seguinte equação:
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Onde:
Q = vazão do fluido do local do estreitamento K = constante P1 = Pressão Medida Pp = Pressão de Projeto T1= Temperatura medida Tp = Temperatura de projeto
∆P = perda de carga entre o fluxo, a montante e jusante do estreitamento.
fig 4
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Através deste dado podemos concluir que para determinarmos a vazão em uma tubulação a partir da velocidade máxima da mesma bastaria multiplicarmos este valor (v máx) pelo fator 0,8 e em seguida multiplicarmos pela seção do tubo. Para a determinação da velocidade média em uma tubulação recomenda-se medir pelo menos em dois pontos perpendiculares conforme figura 06, fazendo a média destas velocidades teremos a velocidade média da tubulação.
Fig. 06 - Determinação de velocidade média
Em termos práticos, para se determinar a velocidade média do fluido no interior de um duto, utiliza-se a tomada de impacto do tubo de pitot entre 0,25 x D e 0,29D em relação a parede do tudo, pois nesta posição a velocidade do fluido se iguala à velocidade média do fluido.
Observação:
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4.1.2 - Annubar
Este dispositivo consiste em um pequeno par de pontos de prova sensoras de pressão montadas perpendicularmente ao fluxo.
Fig. 07 - Annubar
Características do Annubar
A barra sensora de pressão a jusante possui um orifício que está posicionado no centro do fluxo de modo a medir a pressão do fluxo a jusante. A barra sensora de pressão de montante possui vários orifícios, estes orifícios estão localizados criteriosamente ao longo da barra, de tal forma que cada um detecta a pressão total de um anel. Cada um destes anéis tem área da seção transversal exatamente igual às outras áreas anulares detectadas por cada orifício.
Outra característica do elemento de fluxo tipo Annubar é que quando bem projetado tem capacidade para detectar todas as vazões na tubulação a qual está instalado, sendo a vazão total a média das vazões detectadas.
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A figura 09 nos mostra as principais partes que formam o tubo VENTURI.
Fig. 09
4.1.3.1 - Tipos de tubo Venturi
Os dois tipos mais utilizados de tubo Venturi são:
a - Clássico (longo e curto) b - Retangular
Cone convergente
Cone Divergente
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a.1 - Clássico longo
O difusor aumenta progressivamente até igualar-se ao diâmetro da tubulação.
Fig. 10 - Tubo Venturi com difusor longo
a. 2 - clássico (tipo curto)
O tipo curto tem o difusor truncado.
Fig. 11 - Tubo de Venturi com difusor curto
b) Tipo retangular
O tipo retangular é utilizado em dutos de configuração retangular como os utilizados para ar em caldeira a vapor.
Fig. 12 - Tubo de Venturi tipo retangular
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− custo elevado (20 vezes mais caros que uma placa de orifício);
− dimensões grandes e incômodas; − dificuldade de troca uma vez instalado.
4.1.4 - O tubo de DALL
Em época mais recente foi desenvolvido um dispositivo conhecido como tubo de DALL, para proporcionar uma recuperação de pressão muito maior do que a obtida por um tubo VENTURI. Diferentemente do tubo VENTURI, que apresenta garganta paralela, o tubo de DALL é desprovido de garganta, é menor e mais simples. Possui um curto cone convergência, que começa em diâmetro algo inferior diâmetro de conduto.
Há a seguir um espaço anular na “garganta”, seguido pelo cone divergente. O fluido ao passar pelo tubo, pode entrar pelo espaço anular entre o tubo de DALL que funciona como um revestimento interno do tubo e, este último transmitindo assim, uma pressão média, do “gargalo”, ao instrumento de medida através de uma derivação no tubo, nesse ponto.
Fig. 14 - Tubo de DALL
4.1.5.1 - Característica do tubo de DALL
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A mesma é disposta através de um anel perfurado do qual nos dá a média das pressões medidas.
Fig. 15 - Ilustra os pontos onde tem-se as tomadas de alta e baixa pressão no tubo de DALL
