medidor de Vazão

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<p>GIMSCOP-Grupo de Integrao, Modelagem, Simulao, Controle e Otimizao de Processos</p> <p>Departamento de Engenharia Qumica / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)</p> <p>1. Introduo1.1. ClassificaoUm medidor de vazo um dispositivo que produz uma forma qualquer de interao mensurvel com o fluido cuja vazo de escoamento se quer medir, sendo posteriormente a perturbao medida e convertida em um valor de vazo. Uma classificao dos medidores de vazo pode ser feita pelo tipo de interao do medidor com o sistema. Assim, tem-se: Medidores baseados na retirada de energia do sistema: Placa de orifcio, bocal, Venturi, baseados na queda de presso (varivel). Deslocamento positivo: baseado no movimento imposto ao dispositivo. Tipo vrtex. Rotmetro: baseado na queda de presso (constante). Turbina: baseado na velocidade do fluido. Medidores baseados na adio de energia ao sistema: Tipo magntico. Trmico: baseado na troca trmica. Ultrasnico. De corilis.</p> <p>1.2.</p> <p>Critrios de escolha do tipo de medidor</p> <p>A escolha do tipo de medidor de vazo mais apropriado para um determinado processo pode ser realizada utilizando como base os seguintes fatores: 1. Condies de operao: Vazo mxima que ser medida, temperatura e presso de operao, viscosidade do fluido, corrosividade do meio, etc. 2. Desempenho: Acuracidade, reprodutividade e rangeabilidade. 3. Fatores adicionais: Material de construo, queda de presso provocada pelo instrumento de medida, caractersticas de instalao (vertical, horizontal, comprimento de tubulao livre, etc.), cavitao, fatores econmicos, entre outros.</p> <p>2. Medidores por presso diferencial varivelMedidores de presso diferencial varivel operam atravs da medida da diferena de presso produzida por uma constrio no escoamento. Disposta de forma conveniente na tubulao, a constrio produz uma restrio das linhas de fluxo, o que induz a uma queda de presso P. Para escoamentos em regime turbulento a vazo diretamente proporcional a raiz quadrada da queda de presso (Q -P ) enquanto que para escoamentos laminares (baixos Reynolds) diretamente proporcional a queda de presso (Q -P ).ENG 07759 - Instrumentao da Indstria Qumica - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 1 / 15</p> <p>GIMSCOP-Grupo de Integrao, Modelagem, Simulao, Controle e Otimizao de Processos</p> <p>Departamento de Engenharia Qumica / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)</p> <p>Os medidores de vazo por presso diferencial varivel podem ser genericamente divididos em duas partes. Uma parte, chamada de elemento primrio, a que entra em contato direto e interage com o fluido. A outra parte, o elemento secundrio, serve para a converso da interao ocorrida em vazo ou massa. O elemento primrio constitui a constrio, sendo os mais utilizados a placa de orifcio, o tubo Venturi, o bocal de vazo e o tubo de Pitot. O elemento secundrio constitui o medidor de presso, que pode ser um dos instrumentos para a medio de presso. O mais usado o medidor de diferena de presso do tipo capacitivo. O princpio de funcionamento destes medidores est baseado na Lei da conservao de energia, expressa pela equao de Bernoulli [Bird60, Cap.7]:</p> <p>P</p> <p>+</p> <p>1 v 2 z +g + fv = 0 2 gc gc</p> <p>(1)</p> <p>onde fv a perda de carga por atrito, dada por:</p> <p>fv =</p> <p>1 K f v2 2</p> <p>(2)</p> <p>onde Kf praticamente constante para fluidos em escoamento turbulento. P. ex., para placas de orifcio com bordas retas para escoamentos turbulentos</p> <p>Kf = 2,7(1-)(1-2)/2onde a relao entre o dimetro do placa de orifcio (d) e o dimetro da tubulao (D), ou seja, = d/D. Se aplicarmos a equao de Bernoulli seo da tubulao onde est instalada a restrio, Fig. 1, poderemos, se considerarmos que no haja variao na altura e que as velocidades na entrada e na sada sejam as mesmas (uma vez os dimetros da tubulao so iguais), tem-se:</p> <p>P</p> <p>=</p> <p>1 K f v2 2</p> <p>(3)</p> <p>Definindo a constante C = 2 / .Kf, lembrando que a vazo o produto da velocidade pela rea de escoamento e rearranjando a equao acima, obtm-se:</p> <p>Q=Av=AC P</p> <p>(4)</p> <p>onde v a velocidade da corrente principal, A a rea da seo transversal da tubulao, -P=P2-P1 a queda de presso atravs da constrio e Q a vazo. Observa-se que esta deduo considera fluido incompressvel, temperatura constante e tomadas de presso afastadas da constrio. Normalmente, porm, evita-se a medio em pontos afastados paraENG 07759 - Instrumentao da Indstria Qumica - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 2 / 15</p> <p>GIMSCOP-Grupo de Integrao, Modelagem, Simulao, Controle e Otimizao de Processos</p> <p>Departamento de Engenharia Qumica / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)</p> <p>diminuir erros de leitura, utilizando-se pontos prximos da constrio onde o P maior, no permitindo que a variao de velocidade seja desprezada. Analisando a equao (4) v-se que quanto maior for a vazo, maior ser a queda de presso. Da mesma forma, tambm ser maior a queda de presso permanente provocada pela constrio. Ainda, se a presso cair at um valor inferior presso de vapor do fluido em escoamento ocorre o fenmeno de cavitao, produzindo ondas de choque. Desta forma, o ideal colocar a placa de orifcio o mais prxima da bomba possvel onde a presso de entrada maior. A perda de carga permanente pode ser diminuda utilizando placas de orifcio de paredes arredondadas, as quais so por outro lado bem mais onerosas que as de bordas retas.</p> <p>P1</p> <p>P2</p> <p>Fig.1: Perfil de presso gerado por uma placa de orifcio No caso de lquidos com slidos em suspenso (ou gases com gotculas) podem utilizar-se placas de orifcio excntrico ou segmentado, a fim de evitar o acmulo de material na entrada da placa. Este tipo de orifcios esto representados na Fig. 2 a seguir.</p> <p>(a)</p> <p>(b)</p> <p>Fig.2: Placas de orifcio modificadas: (a) excntrica e (b) segmentada.</p> <p>ENG 07759 - Instrumentao da Indstria Qumica - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler</p> <p>3 / 15</p> <p>GIMSCOP-Grupo de Integrao, Modelagem, Simulao, Controle e Otimizao de Processos</p> <p>Departamento de Engenharia Qumica / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)</p> <p>Nota-se tambm que para utilizar este mtodo necessrio um bom trecho reto de tubulao, sem acessrios, para evitar a influncia destes no escoamento. As distncias mnimas jusante e montante necessrias para o desenvolvimento do fluxo para que esse no afete a preciso da medida de uma placa de orifcio so mostradas na Fig. 3. Observe que o comprimento mnimo de tubo requerido depende da razo entre o dimetro da constrio e o dimetro da tubulao, =d/D. Aumentando o dimetro da constrio para um dado dimetro de tubo aumenta o requerimento de tubo reto, pois a influncia dos acidentes da linha na medida realizada aumenta.</p> <p>Fig.3: Comprimentos jusante (depois da placa de orifcio) ou montante (antes da placa de orifcio) necessrios para a correta instalao de placas de orifcio</p> <p>2.1.</p> <p>Elementos primrios</p> <p>2.1.1. Placa de orifcio o tipo de elemento primrio mais utilizado devido reprodutividade, facilidade de instalao e remoo, e baixo custo. Consiste de uma fina placa plana que possui um orifcio perfurado nela, em posio que varia segundo a aplicao, a qual disposta transversalmente ao fluxo. O fluido forado a atravessar a placa, ocorrendo uma perda de presso considervel. As linhas de fluxo atingem uma rea transversal mnima, ou vena contracta, numa posio alm da placa de orifcio. A localizao da vena contracta uma funo da velocidade do fluido e da relao entre dimetros, . As tomadas de presso podem ser localizadas em diversos pontos. Os pontos mais utilizados so descritos a seguir:ENG 07759 - Instrumentao da Indstria Qumica - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 4 / 15</p> <p>Placa de Orifcio Danificada. Pode-se perceber que ela est deformada (torta).</p> <p>GIMSCOP-Grupo de Integrao, Modelagem, Simulao, Controle e Otimizao de Processos</p> <p>Departamento de Engenharia Qumica / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)</p> <p> Tomadas no flange: Esto localizadas a 1 polegada da placa de orifcio, tanto a montante quanto a jusante. So utilizadas em tubulaes de dimetro considervel e apresentam a vantagem de poderem ser utilizadas para ambos sentidos de fluxo, pela simetria. Tomadas no canto: Localizam-se diretamente nas faces da placa de orifcio. So indicadas para tubulaes de pequeno dimetro e apresentam a vantagem de poder ser realizadas na prpria placa, fazendo desnecessrias aberturas adicionais. Tomadas na tubulao: A tomada a montante situa-se a 2 dimetros de tubo da placa de orifcio e a tomada a jusante a 8 dimetros de tubo. Este tipo de tomadas pode apresentar erros muito elevados. Tomadas no raio: Localizam-se a 1 dimetro a montante da placa de orifcio e a jusante. So consideradas como as melhor posicionadas, pois a tomada a jusante se encontra aproximadamente na metade da regio da vena contracta, enquanto a tomada a montante se encontra suficientemente afastada da placa, numa regio onde as linhas de fluxo ainda no foram muito afetadas pela presena da constrio. Tomadas na vena contracta: Utilizadas para escoamento de vapor. Esto localizadas a 1 dimetro a montante e no ponto de mnima presso a jusante da placa.</p> <p>FILME:</p> <p>Fig.4 Perfil de presso atravs de uma placa de orifcio e os diferentes mtodos para detectar a queda de presso. Estas tomadas so representadas na Fig. 4, a seguir. Esta figura mostra o perfil de presso esttica ao longo da tubulao que consta com uma placa de orifcio, assim como os diferentes tipos de tomadas de presso mencionadas acima. O procedimento para o dimensionamente de placas de orifcio pode ser encontrado em [Lip95a, 2.14].</p> <p>Placas de orifcio instaladas nas plantas da Copesul e da Braskem/PP</p> <p>ENG 07759 - Instrumentao da Indstria Qumica - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler</p> <p>5 / 15</p> <p>GIMSCOP-Grupo de Integrao, Modelagem, Simulao, Controle e Otimizao de Processos</p> <p>Departamento de Engenharia Qumica / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)</p> <p>2.1.2. Tubo Venturi O tubo Venturi constiste em um curto tubo com uma seo cnica convergente, com ngulo de entrada de 21, conectada a uma seo cilndrica (garganta) de dimetro menor que o da tubulao e seguida de uma seo divergente, com ngulo de sada de aproximadamente 10.</p> <p>Fig.5: Esquema ilustrativo de um tubo Venturi. As tomadas de presso indicadas na figura so as mais utilizadas para o tubo Venturi, estando localizada a primeira um pouco antes da seo convergente e a segunda exatamente na metade da garganta. O tubo Venturi o elemento primrio mais recomendvel para medio de lquidos com grande concentrao de slidos em suspenso, desde que a relao slido-lquido permanea constante (maior relao, maior diferencial de presso). Este tipo de constrio provoca uma restrio mais suave das linhas de fluxo, ocasionando uma menor queda de presso permanente. utilizado para vazes considerveis e apresenta a principal desvantagem de ser muito mais caro e de ocupar muito mais espao para a instalao que outros elementos primrios. adequado tambm para a medio de gases. 2.1.3. Bocal de vazo (flow nozzle) Consiste em um dispositivo em forma de sino vazado, com a parte superior alongada. A entrada possui forma cnica e seguida de uma seo cilndrica, com comprimento da ordem da metade do dimetro da seo de entrada. Um bocal de vazo representado na a seguir.</p> <p>Fig.6: Bocal de vazo. As tomadas de presso so geralmente realizadas a 1 dimetro de tubo a montante e a a jusante. O perfil do bocal acompanha as linhas de fluxo, de modo que no h formao de uma vena contracta. O bocal de vazo mais adequado para operar com gases ou vapores do que com lquidos. Sua capacidade de vazo cerca de 65% maior que aENG 07759 - Instrumentao da Indstria Qumica - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 6 / 15</p> <p>GIMSCOP-Grupo de Integrao, Modelagem, Simulao, Controle e Otimizao de Processos</p> <p>Departamento de Engenharia Qumica / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)</p> <p>da placa de orifcio nas mesmas condies, sendo portanto recomendvel para medir fluidos de alta velocidade. Apresenta tambm menor perda de carga que a placa, entretanto seu custo elevado e a preciso baixa. Pode ser utilizado com fluidos com pequena quantidade de slidos em suspenso com melhores resultados que a placa de orifcio, desde que instalado na vertical com fluxo descendente.</p> <p>2.1.4. Tubo de PitotFILME:</p> <p>O tubo de Pitot um instrumento que mede a velocidade local de escoamento atravs de leituras de diferena de presso, podendo ser utilizado para medir vazo se o perfil de velocidade for uniforme ou se vrios pontos forem medidos.</p> <p>Linha de gua com medio de vazo volumtrica atravs de Tubo de Pitot.</p> <p>Fig.7: Tubo de Pitot. Utilizado quando no se deseja grande preciso em tubos de grande dimetro, apresenta a vantagem de ter baixo custo. As principais limitaes so a ocorrncia de entupimentos no caso de lquidos com slidos em suspenso ou gases com parcelas lquidas e alterao do perfil de escoamento. O perfil de escoamento geralmente no uniforme e o diferencial de presso gerado pequeno, fazendo com que a medida da vazo seja imprecisa. Para a obteno de uma medida precisa requerido um tubo bem desenhado e alinhamento perfeito deste com a direo do fluxo. 2.1.5. V-Conus V-Conus a verso moderna dos elementos primrios. Foi especialmente desenvolvido para aumentar a acuracidade das medidas. Em [Lip95a, 2.26 (em anexo)] o V-Conus detalhadamente discutido.</p> <p>ENG 07759 - Instrumentao da Indstria Qumica - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler</p> <p>7 / 15</p> <p>GIMSCOP-Grupo de Integrao, Modelagem, Simulao, Controle e Otimizao de Processos</p> <p>Departamento de Engenharia Qumica / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)</p> <p>2.2.</p> <p>Desempenho</p> <p>A rangeabilidade dos medidores de vazo por presso diferencial depende do medidor de presso e no do elemento primrio. Modificando as exigncias do instrumento de medida, isto , as vazes de operao, no preciso trocar o elemento primrio mas sim o tipo de medidor de presso. Normalmente os medidores de presso apresentam um rangeabilidade de 10:1 a qual aps extrada a raiz quadrada leva a tpica rangeabilidade de 3,5:1 para medidores baseados na diferena de presso. A acuracidade depende do elemento primrio. Assim, tem-se:</p> <p> Placa de orifcio: 0,6% da vazo mxima. Tubo Venturi: 1,0% da vazo mxima. Tubo de Pitot: 5,0% da escala total (FS) V-Conus 0,5% da vazo medida</p> <p>Dispositivo Flutuante FILME:</p> <p>3. Medidores por rea varivel (Presso diferencial constante)Neste tipo de medidor o fluido passa por uma constrio de rea que varia com a vazo, de forma que a diferena de presso constante. Deste tipo o conhecido rotmetro, o qual consiste de um tubo cnico com um dispositivo flutuante que se movimenta livremente pelo tubo. O sentido do fluxo ascendente e quando o empuxo exercido no flutuador iguala a fora da gravidade este fica esttico. O tubo cnico de forma a que exista uma relao linear entre a vazo e a posio do flutuador. Uma escala gravada no tubo para permitir a leitura instantnea de vazo.</p> <p>Rotmetro instalado na Braskem/PP. No exemplo, para N2 a 0,5bar e 20oC.</p> <p>ENG 07759 - Instrumentao da Indstria Qumica - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler</p> <p>8 / 15</p> <p>GIMSCOP-Grupo de Integrao, Modelagem, Simulao, Controle e Otimizao...</p>