Faculdade de Engenharia São Paulo – FESP

Relatório de Fenômenos de Transporte

Tema: Medidores de Vazão

Profª. Adriana Lúcia Silva Domingues

Elaborado por:

André Meneguetti, 17683Fábio Matos da Silva, 18205Daniela Morais Ossani, 17879_____________________________________________________

Índice:

Introdução...................................................................................................................... 03Princípio da medição de vazão...................................................................................... 03Medição de vazão direta................................................................................................ 04Medição de vazão indireta............................................................................................. 08Medição de vazão por Medidores Especiais.................................................................. 14Parte Experimental........................................................................................................ 17Gráficos.......................................................................................................................... 17Conclusões..................................................................................................................... 20Referências Bibliográficas............................................................................................. 23

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1. Introdução:

Falar sobre o estudo da medição de vazão é um trabalho difícil devido sua vasta forma de aplicação.O objetivo deste relatório é apresentar os tipos de medição de vazão, como gerar uma medição, conhecer o principio da medição, os aparelhos utilizados nas medições e seus funcionamentos, sejam eles de medição direta ou indireta.

2. Princípio da medição de Vazão

A 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. Outra forma muito comum é a obtida pelo resultado da multiplicação da área seccional pela média da velocidade do fluido.

2.1– Vazão em Volume:

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:

Onde:V = Volume t = tempo

E as unidades comuns são: m³/s; m³/h; l/s; l/min; l/h; Nm³/h. Esta última aplicável para gases, onde temos que levar em conta as condições normais de pressão e temperatura do gás (CNTP).

2.2– Vazão em Massa:

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:

Onde:m = massa t = tempo

E as unidades comuns são: kg/s; kg/h; T/h; lb/h.

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2.3– Vazão em Peso:

É definida como sendo o peso de um fluido que atravessa a seção de uma tubulação por intervalo de tempo. É representada pela letra QG e expressa pela seguinte equação:

Onde:G = Peso t = tempo

E as unidades comuns são: N/s; N/h; kgf/s; kgf/h.

Temos outros tipos de medição de vazão, por exemplo, a vazão em função da temperatura, e serão estudadas através dos medidores de vazão.Para que possamos efetuar uma medição de vazão, precisamos conhecer também alguns parâmetros contidos nas propriedades dos fluidos. Temos então o Calor Específico, a Viscosidade dinâmica e cinemática, o efeito da vazão, calculada em número de Reynolds, etc. Todos já estudados em teoria e experiências já realizadas.

3. Definição de um Medidor de Vazão

Medidor de vazão é todo dispositivo que permite, de forma direta, indireta ou especial, determinar o volume de fluido que passa através de uma dada seção de escoamento por unidade de tempo.Para entendermos melhor o funcionamento de um medidor de vazão, vamos entender melhor o que uma medição direta, indireta e especial.

3.1 Medição direta:

Os medidores de vazão direta consiste em medir o processo através do princípio de deslocamento positivo do fluido e através da velocidade do impacto do fluido.São medições de volume do fluido passante. Temos dois tipos:

Deslocamento positivo do fluido. Ex: Disco Nutante, Pistão Flutuante, Rodas Ovais, Roots;

Velocidade pelo impacto do fluido. Ex: Tipo Hélice e Tipo Turbina.

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3.1.1– Disco Nutante:

Este tipo de medidor é utilizado principalmente para medidores de vazão de água, sendo utilizado principalmente em resistências. O líquido entra no medidor através da conexão de entrada, passa por um filtro indo ao topo da carcaça principal. O fluido então se movimenta para baixo, através da câmara de medição, indo até a base do medidor e daí a conexão da saída do medidor.

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O movimento do disco é controlado de tal forma que quando o líquido entra na câmara de medição, impele o pistão de medição o qual efetua um movimento de nutação completa em cada rotação. Estes movimentos são transmitidos por um conjunto de engrenagens ou acoplamento magnético ao indicador.

3.1.2– Pistão Flutuante:

No medidor de pistão flutuante, usado para líquidos, o fluxo circula ao redor de um cilindro fixo com uma placa divisora, inserido dentro do compartimento. Um cilindro móvel, com um rasgo que se adapta à placa, constitui a câmara de medição. Diferentemente dos casos anteriores, o conjunto não gira e sim oscila.

3.1.3– Rodas Ovais:

Medidores de vazão com engrenagens ovais são equipamentos tipicamente utilizados para operações com líquidos viscosos, onde é freqüente a dificuldade de aplicar outros tipos de medidores.O diferencial de pressão através do medidor de vazão provoca forças em um par de engrenagens ovais, forçando-as a girar.

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3.1.4– Roots:

Um medidor de lóbulos rotativos, ou medidor do tipo Roots, consiste de dois rotores em formato de "oito" montados dentro de uma carcaça e que giram em sentidos opostos. Os rotores são impelidos na direção mostrada pelo gás escoando e de tal modo que a cada ciclo de rotação um volume calibrado de gás é deslocado através do medidor. O escoamento é totalizado por meio da soma do número de ciclos do rotor.

3.1.5– Tipo Hélice ou Turbina:

Os medidores hélice, ou turbina, operam pelo princípio da asa de sustentação. A rotação é estabelecida quando a asa divide o fluído com um ângulo de ataque em relação à direção da velocidade do escoamento. Uma força de sustentação aparece na asa, em direção perpendicular à velocidade. Esta força é proporcional ao produto da área da asa pelo quadrado da velocidade. Esta proporcionalidade é o coeficiente de sustentaçãoSe esta asa é fixada em um eixo, a força de sustentação dará origem a um conjugado e a uma velocidade tangencial a qual irá provocar a rotação da asa.

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3.2 Medição Indireta:

São medidores indiretos que utilizam fenômenos intimamente relacionados a quantidade de fluido passante. Temos dois tipos:

Perda de carga variável (área constante). Ex: Tubo Pitot; Tubo de Venturi; Tubo de Dall; Annubar; Placa de Orifício; Bocal de vazão; Diafragma.

Área variável (perda de carga constante). Ex: Rotâmetro

3.2.1– 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:

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;ΔP= Perda de carga entre o fluxo, a montante e jusante do estreitamento.

3.2.2– Medição de Vazão por Área Variável:

São medidores de vazão nos quais um flutuador varia sua posição dentro de um tubo cônico, proporcionalmente à vazão do fluido. Temos como umbom exemplo de aplicação, o Rotâmetro.

3.2.3– Tubo Pitot:

É um dispositivo utilizado para medição de vazão através da velocidade detectada em um determinado ponto de 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, mas em sentido contrário. A

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diferença entre a pressão total e a pressão estática da linha nos fornecerá a pressão dinâmica a qual é proporcional ao quadrado da velocidade.

3.2.4– Tubo de Venturi:

O tubo VENTURI combina dentro de uma unidade simples uma curta “garganta” estreitada entre duas seções cônicas e está usualmente instalada entre duas flanges, numa tubulação seu propósito é acelerar o fluido e temporariamente baixar sua pressão estática.A recuperação de pressão em um tubo Venturi é bastante eficiente, como podemos ver na figura a seguir, 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.

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3.2.5– Tubo Dall:

O Tubo Dall é um dispositivo projetado 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.

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3.2.6– 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, deforma diferente dos dispositivos tradicionais de pressão diferencial A parte de alta pressão do sinal de ∆P é produzida pelo impacto do fluido nos furos do sensor, sendo então separado e fluindo em volta do annubar. Precisamente localizados, os furos sensores na parte frontal sentem a pressão de impacto causada pelo fluidoApós o fluido separar-se em torno do sensor annubar, uma zona de baixa pressão (abaixo da pressão estática no tubo) é criada devido ao formato do sensor. O lado de baixa pressão do sinal de ∆P é sentido pelos furos na jusante do annubar e é medida na câmara da jusante. A diferença de pressão é proporcional a raiz quadrada da vazão assim como os medidores anteriores.

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3.2.7– Placa de Orifício:

A placa de orifício consiste num disco com um orifício central com saída em ângulo que deve ser montado concêntrico ou excêntrico ao eixo do conduto cilíndrico, provido de duas tomadas de pressão, uma a jusante e outra a montante do disco, conforme mostra a Figura:

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A placa de orifício utiliza o mesmo princípio de um bocal de Venturi, ou seja, conforme a lei de Venturi:

“Os fluidos sob pressão, na passagem através de tubos convergentes; ganham velocidade e perdem pressão, ocorrendo o oposto em tubos divergentes”.

3.2.8– Bocal de Vazão:

É um medidor semelhante ao tubo Venturi, porém sem a tubeira divergente, sendo também chamado tubo Venturi curto. Seu equacionamento fornece resultados bastante próximos aos obtidos para o tubo Venturi.

3.2.9– Diafragma:

Os medidores de vazão tipo diafragma possuem como princípio de funcionamento o deslocamento positivo através de duas câmaras internas, onde cada uma está equipada com um diafragma sintático flexível que se desloca em função da diferença entre a pressão de entrada e de saída. Como mostra a figura, temos um instrumento de medição que utiliza a medição por diafragma:

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3.2.10 – Rotâmetro:

O Rotâmetro é constituído por um tubo de vidro transparente cônico graduado, por onde escoa o fluido, e por um flutuador (mais pesado que o fluido) que se posiciona dentro do tubo cônico em conformidade com o valor da vazão. Baseia-se no fato da força de arrasto ser proporcional ao quadrado da velocidade média do escoamento na seção.

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3.3 Medição por Instrumentos Especiais:

Os medidores de vazão tradicionais apresentam algumas limitações como: Seus sensores primários precisam ser submersos no fluxo a ser controlado, estas características tem a desvantagem de produzir perda de pressão na linha como também o acúmulo de partículas ou impurezas no sensor, proporcionando resultados incertos de medição. Os medidores de vazão do tipo especial objetivam superar exatamente essas limitações.Temos os seguintes tipos de medidores especiais:

Medidor de Vazão Eletromagnético:

Seu princípio de medição é baseado na Lei de Faraday que diz: “Quando um condutor se move dentro de um campo magnético, é produzida uma força eletromotriz (f.e.m.) proporcional a sua velocidade.”

Temos um par de eletrodos colocados perpendicularmente ao fluxo magnético que atua na tubulação e com isso teremos uma força eletromotriz induzida nos eletrodos e sua amplitude é dada por:

Onde: E = Tensão Induzida;B = Densidade de Fluxo Eletromagnético;D = Distância entre os Eletrodos;V = Velocidade do Fluxo

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Medidor de vazão por Ultra-som:

É uma técnica de medição de vazão por ultra-som que vem adquirindo crescente importância para a medição industrial de vazão de fluidos em tubulações fechadas. Como a medição de vazão ultra-som é feita, geralmente, sem contato com o fluido não há criação de turbulência ou perda de carga, que era causada pelos medidores de vazão como placas de orifício, entre outros. Além disso, possibilitam a medição de vazão de fluidos altamente corrosivos, líquidos não condutores, líquidos viscosos.

A figura nos mostra a montagem de um medidor ultrasonico.Os sensores emitem um sinal ultrasonico que “corta” a tubulação e assim efetua-se a medição.

Medidores Tipo Vórtex:

O efeito vórtex pode ser observado no vibrar de fios ou cordas ao vento, ou ainda em uma bandeira que tremula. Os vórtex gerados repetem-se num tempo inversamente proporcional à vazão.Nas aplicações industriais pode-se medir a vazão de gases, líquidos incorporando ao obstáculo reto sensores que percebam as ondas dos vórtex e gerem um sinal em freqüência proporcional à vazão.

Fig. 4: Princípio de medição por Vórtex

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Medidor de Vazão por Coriolis:

Este medidor de vazão utiliza um fenômeno físico que envolve a inércia e a aceleração centrípeta. A vazão de uma tubulação é dividida em duas por dois tubos paralelos que possuem forma de “U” , e ao fim destes tubos a vazão volta a ser conduzida por um único tubo. Próximo da parte inferior de cada “U“ existe eletroímãs que fazem os dois tubos oscilarem em suas freqüências naturais de vibração e cuja amplitude não ultrapassa alguns milímetros. Com o passar de fluido pelos tubos, em função desta oscilação, surge uma torção nos tubos cuja defasagem permite a medição da vazão mássica. Esta defasagem é medida por sensores magnéticos instalados nas partes retas dos tubos em “U”.Este tipo de medidor pode ser utilizado para medições de fluxos de líquidos e gases, com ou sem sólidos em suspensão.

Após este estudo teórico onde aprendemos os tipos de vazão e seus principais instrumentos, vamos apresentar a parte experimental deste relatório, com os cálculos gráficos e resultados obtidos.

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4. Parte Experimental:

Foram tomadas sete medidas de diferença de pressão no manômetro diferencial de mercúrio e encontrado os seguintes valores apresentados nas tabelas abaixo:

Medição a(cm) t(s) h1(cm) h2(cm)1 34,5 30 114 72 31 " 108 133 26,5 " 94 264 20 " 80 405 11,5 " 66 54

De acordo com as medidas acima, temos a tabela completa de todos os valores pedido no experimento, utilizando dados como a temperatura da água em 20°C e v=1,01x10^-6 m²/s:

Medição V(m³) t(s) Q(m³/s) Δh(m) v(m/s) Re Tipo K

1 0,050715 30 0,00170 1,07 6,0 113168,3 Turbulento 0,0016

2 0,04557 30 0,00152 0,95 5,36 101097 Turbulento 0,00156

3 0,03895 30 0,00130 0,68 4,59 86573,7 Turbulento 0,00157

4 0,0294 30 0,00098 0,40 3,46 65260,4 Turbulento 0,00155

5 0,0169 30 0,00056 0,12 1,97 37157 Turbulento 0,0016

Com base na tabela acima, vamos esboçar os gráficos de Curva-chave ou Curva de calibração; gráfico do valor de K1 para o aparelho ensaiado e determinação da faixa ensaiada de validade e o gráfico do valoe de K2 para o aparelho ensaiado e do expoente da equação alternativa.

6 Gráficos:

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Gráfico 1: Curva-chave ou curva de calibração (Milimetrado)

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Gráfico 2: valor de K1 para o aparelho ensaiado (Milimetrado)

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6 Conclusões:

Conclusão André:

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Conclusão Fábio:

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Conclusão Daniela:

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7 Bibliografia:

www.wikipedia.com.br www.feiradeciencias.com.br www.yokogawa.com Curso de Instrumentação Básica do Senai de Tubarão;

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