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Medidores de vazão
I – INTRODUÇÃO
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. Devido ao elevado consumo destes insumos, a incerteza associada ao procedimento metrológico, pode conduzir a significativos créditos ou déficits orçamentários.
Assim, há um esforço por parte dos laboratórios em aprimorar tais medidores e disponibilizar no mercado diversas tecnologias de medição de vazão cada um, tendo sua aplicação mais adequada conforme as condições impostas pelo processo.
– Medidores de Vazão
Vazão pode ser definida como sendo a quantidade volumétrica ou mássica de um fluido que passa através de uma seção de uma tubulação ou canal por unidade de tempo. A mediação da vazão é definida, no seu sentido mais amplo, como a determinação da quantidade de líquido, sólido ou gás que escoa em um determinado local por um determinado tempo. Pode ser também definida como a quantidade total de fluido movimentada. A quantidade total movimentada pode ser medida em unidades de volume (litros, mm3, cm3, m3, galões, pés cúbicos) ou em unidades de massa (g, kg, toneladas, libras).
A escolha de um medidor de vazão tem como um dos principais a precisão necessária, ordem de grandeza da vazão, custo, complexidade operacional, facilidade de leitura ou de redução de dados e o tempo de vida em serviço. No seu aspecto básico, a maior parte dos medidores de vazão são projetados de modo a evidenciar uma queda de pressão que pode ser medida e relacionada à vazão.
Entre as formas existentes para gerar medidas de vazão, nenhuma é mais freqüente do que as que exploram os efeitos da variação da velocidade provocada pela redução de seção de escoamento. Existem três tipos fundamentais de medidores de vazão: indiretos, diretos e especiais, conforme segue no fluxograma abaixo:
– Placa de orifício
A medição pode ser realizada a partir da pressão diferenciada que pode ser produzida por vários tipos de elementos primários colocados na tubula ão de forma que o tal fluido passe através dele. Sua finalidade é aumentar a velocidade do fluido diminuindo a área de seção em um pequeno comprimento para haver uma queda de pressão. Se no interior de uma tubulação tiver uma restrição em qualquer ponto do fluxo, de acordo com a LEI de BERNOULLI da conservação de energia, haverá um aumento da velocidade do fluído e uma redução na pressão estática. Ou seja, o que o fluido ganha em pressão dinâmica perderá em pressão estática. Ao passar pela restrição haverá uma recuperação parcial desta perda da pressão estática, mas haverá uma pequena perda permanente da mesma pressão. Tais elementos são denominados de deprimogênios.
Dos muitos dispositivos inseridos em uma tubulação para se criar uma pressão diferencial, o mais simples e mais comum é a placa de orifício. A placa de orifício consiste basicamente de uma chapa plana, perfurada de forma precisa e calculada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação entre flanges. Sua espessura varia em função do diâmetro da tubulação e da pressão da linha (conforme figura 1). O diâmetro do orifício é calculado de modo que seja o mais preciso possível, e suas dimensões sejam suficientes para produzir à máxima vazão uma pressão diferencial máxima adequada. É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque, se ficarem gastas, corroídas pelo fluido, a precisão da medição será comprometida.
Figura 1. Placa de orifício e falange de união
A placa de orifício pode ser ajustada mais convenientemente entre flanges de tubo adjacentes e pontos de tomadas de impulso feitos em lugares adequados, uma montante da placa e o outro em um ponto no qual a velocidade, devido à restrição, seja máxima. Este ponto não é próprio orifício porque, devido à inércia do fluido, a área de sua secção transversal continua a diminuir após passar através do orifício, de forma que sua velocidade máxima está a jusante do orifício, na vena contracta. É neste ponto que a pressão é mais baixa e a diferença de pressão a mais acentuada.
Este dispositivo apresenta como vantagens: instalação fácil, econômica, construção simples e de fácil manutenção. Em contrapartida, uma desvantagem apresentada é a perda de carga. Em 2008 estimava-se que 80% das medições de vazão na indústria eram realizadas com dispositivos do tipo orifício. O tipo mais comum de orifício é o concêntrico, mas dependendo da necessidade podem ser utilizadas placas com orifícios excêntricos ou segmentais.
– Medidor Venturi
A lei de VENTURI, como é chamada o princípio, foi formulada em 1797, como resultado das investigações de Giovanni Battista Venturi, sobre problemas de hidráulica. Tem ela o seguinte enunciado: "Os fluidos sob pressão, na passagem através de tubos convergentes ganham velocidade e perdem pressão, ocorrendo o oposto em tubos divergentes".
Foi somente na última metade do século XIX que Clemens Hershel, um engenheiro civil americano, percebeu o valor prático deste princípio, provou o respectivo emprego e adaptou-o na indústria. Caso seja utilizado um tubo convergente ou restrição, num conduto através do qual passa um fluido, a sua velocidade aumenta enquanto passa pela seção menor, já que num dado tempo a mesma quantidade do fluido passa pelo tubo, tanto na seção menor como no trecho de diâmetro mais largo.
Devido a velocidade maior do fluido ao passar através da seção estreita, possui ele mais energia potencial ou de pressão que, por conseguinte, cai. Se, portanto, for feita uma derivação no tubo de diâmetro maior e outra na seção que contém a restrição e medidores de pressão forem ligados às derivações, a pressão da seção, com restrição, será menor do que a pressão da seção com o diâmetro maior, e a diferença da pressão depende da vazão do fluido.
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. São fornecidas conexões apropriadas de pressão para observar a diferença nas pressões entre a entrada e a porta estreitada ou garganta (figura 2).
Figura 2. Medidor Venturi.
O medidor Venturi produz um diferencial menor quando comparado a uma placa de orifício para uma mesma vazão e diâmetro igual à sua garganta. Além disso, apresenta algumas vantagens em relação a outros medidores de perda de carga variável, tais como:
boa precisão (± 0,75%);
resistência a abrasão e ao acúmulo de poeira ou sedimentos;
capacidade de medição de grandes escoamentos de líquidos em grandes tubulações;
recuperação da pressão bastante eficiente, sendo seu uso recomendado quando se deseja um maior
restabelecimento de pressão (cerca de 10%), e quando o fluido medido carrega partículas sólidas em suspensão.
Quanto as desvantagens temos:
- custo elevado (chegando a uma considerável diferença quando comparado a uma placa de orifício).
- dimensões grandes e incômodas
- dificuldades na instalação e sua manutenção.
– 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 (figura 3). Basicamente um rotâmetro consiste de duas partes:
1) Um tubo de vidro de formato cônico que é colocado verticalmente na tubulação, em que passará o fluido a ser medido e cuja extremidade maior fica voltada para cima.
2) No interior do tubo cônico, um flutuador que se moverá verticalmente, em função da vazão medida.
Figura 3. Rotâmetro.
Em um rotâmetro, 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. 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.
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 sua 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.
Este equipamento tem como vantagem a medição de vazões extremamente pequenas, como vazões muito altas. Além de que a perda de pressão provocada pelo rotâmetro é praticamente constante em todo o percurso do flutuador.
Existem vários tipos de flutuadores, e sua escolha varia em função do tipo de fluído e características físicas do mesmo.
– Manômetros
Uma vez que a maioria dos medidores de vazão tende a utilizar uma diferença de pressão numa seção sensível do dispositivo, é necessário usar um medidor de pressão simples e fácil de usar para indicar tal diferença. Os manômetros são usados para medir diferenças de pressão relativamente baixas, pois as diferenças mais elevadas fazem com que os ramos do manômetro tenham de ter comprimentos impraticáveis.
É o manômetro de coluna que se apresenta como o mais simples de todos. O aparelho é construído basicamente em tubo reto em forma de "U" preenchido com fluído manométrico até a sua metade, sendo que as extremidades deste tubo devem estar abertas para a atmosfera (figura 4).
Figura 4. Manômetro em tubo U.
Seu princípio de funcionamento consiste na aplicação de pressão num de seus ramos o que provocará o líquido descer por este ramo e a subir no outro. Na condição de repouso (sem aplicação de pressão), como ambos abertos para a atmosfera a força atua nas superfícies consideradas como niveladas e simultaneamente referenciadas ao zero da escala. A pressão indicada é mostrada pela diferença de altura em função do movimento do fluído nos dois ramos e lida através de uma escala graduada, sendo que seu valor numérico é igual ao das leituras acima e abaixo do ponto médio (zero da escala).
O Manômetro de Tubo em "U" é um padrão primário porque a diferença na altura entre os dois ramos constitui sempre uma idéia real da pressão independentemente das variações do diâmetro interno dos tubos.
II- OBJETIVOS
Realizar medições de vazões volumétricas através de três diferentes medidores; Venturi, placa de orifício e rotâmetro.
Comparar os valores medidos por cada um deles e graficamente observar o comportamento de cada dispositivo frente a diferentes vazões.
III – MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 – Descrição do equipamento
O sistema operacional consistia essencialmente de um reservatório (caixa d'água) de 100 litros, uma bomba centrífuga (o,5 HO), um medidor de vazão tipo Venturi, um medidor de vazão tipo placa de orifício confeccionados em acrílico e um rotâmetro comercial (CONAUT) com corpo acrílico, confeccionados por um sistema de tubos de PVC de 1", e um manômetro diferencial tipo tubo em "U" confeccionado em vidro, tendo como fluidos manométricos Hg e H2O. Nas figuras 5 e 6, é possível visualizar toda a descrição do equipamento.
Na descarga da bomba, a tubulação era dividida, fazendo a água bombeada passar por duas válvulas tipo gaveta, uma que permitesse a admissão de água no sistema (VSistema) e outra que fazia a água retornar ao reservatório (VReciclo). O caminho do fluido (água) pelo sistema era determinado pelas posições das válvulas tipo esfera V1, V2 e V3 que, quando posicionadas paralelamente ao tubo encontram-se totalmente abertas e, quando posicionadas perpendicularmente encontram-se totalmente fechadas. O sistema permitia quatro caminhos ao fluido:
Passagem apenas pelo medidor Venturi (V1 aberta e V2 e V3 fechadas);
Passagem apenas pelo medidor tipo placa de orifício (V3 aberta e V1 e V2 fechadas);
Passagem em série por ambos os medidores (V2 aberta e V1 e V3 fechadas);
Passagem em paralelo por ambos os medidores (V2 fechada e V1 e V3 abertas).
O fluido escoa de baixo pra cima no sistema e, independentemente do caminho, passa pelo rotâmetro que mede a vazão de operação, para depois retornar ao reservatório. O manômetro mede as diferenças de pressão devido à passagem do fluido pelos medidores de vazão e as diferenças de pressão (ΔP=Δρ.g. Δh) estão diretamente relacionadas com as vazões volumétricas que passam pelos medidores (Q), ou seja, Q α ΔP1/2.
Para que se pudesse medir a diferença de pressão quando o fluido escoava através do medidor tipo Venturi, as válvulas do tipo esfera VV1 e VV2 foram abertas posicionadas na direção vertical e as válvulas do tipo esfera VP1 e VP2 estavam fechadas posicionadas na direção horizontal. Para que se pudesse medir a diferença de pressão quando o fluido escoava através do medidor tipo placa de orifício, as válvulas do tipo esfera VV1 e VV2 foram fechadas posicionadas na direção horizontal. Para qualquer medida de diferença de pressão, a válvula do tipo esfera V4 foi fechada, posicionada na direção vertical.
Rotâmetro
Rotâmetro
Manômetro em tubo "U"
Manômetro em tubo "U"
Medidor Venturi
Medidor Venturi
Placa de Orifício
Placa de Orifício
Figura 5. Sistema de conjunto didático experimental para medidores de vazão.
(c)(b)(a)
(c)
(b)
(a)
Figura 6. Medidores de vazão tipo: (a) Rotâmetro, (b)Venturi e (c) Placa de orifício e manômetro em tubo U.
3.2 – Funcionamento
a) Encheu-se o reservatório com água "limpa" até aproximadamente 5 cm do seu nível máximo.
b) Abriu-se totalmente as válvulas do tipo gaveta (VSistema e e VReciclo) girando-as no sentido anti-horário e posicionando as válvulas do tipo esfera V1, V2 e V3 na posição aberta (perpendicularmente à tubulação).
c) Posicionou-se a válvula V4 e as válvulas localizadas na parte traseira do equipamento na posição aberta.
d) Posicionou-se o aparato "tipo manivela" para que o fluxo de água fosse despejado no reservatório.
e) Ligou-se o equipamento, posicionando o seletor em liga (L) para cima.
3.3 – Retirada de Bolhas de Ar do Sistema
Para medidas corretas das diferenças de pressões utilizando os manômetros diferenciais tipo tubo em "u", deve-se retirar "bolhas de ar" do sistema, a fim de não ocorrer descontinuidades nas tubulações de água.
a) Com o equipamento já em funcionamento, fechou-se totalmente a válvula VReciclo, girando-a no sentido horário. Este procedimento foi realizado com todas as válvulas do tipo esfera totalmente abertas, proporcionando um fluxo de água pelas mangueiras plásticas.
b) Abriu-se a válvula esfera localizada na parte traseira do equipamento, de modo que as bolhas de ar deixassem o sistema. Após a retirada das bolhas de ar do sistema, abriu-se totalmente as válvulas VReciclo e VSistema, girando-as no sentido anti-horário e fechou-se a válvula do sistema de retirada de bolhas e a válvula V4. Após esse procedimento, o equipamento estava pronto para a tomada de dados experimentais.
3.4 – Tomada de dados experimentais
a) Inicialmente, tomou-se a leitura das vazões volumétricas utilizando a placa de orifício. Para tal, ocorreu o escoamento do fluido no sistema, sendo sua variação de vazão foi acompanhada por uma leitura por um rotâmetro.
b) O mesmo procedimento foi adotado para leitura das vazões volumétricas utilizando o Tubo Venturi.
c) Os dados de diferença de pressão, e consequentemente, da altura dos fluidos no manômetro (tanto para placa de orifício, quanto para medidor Venturi) foram tomados a fim de calcular futuramente singularidades destes para diferenciação dos dispositivos frente a diferentes vazões.
IV - RESULTADOS E DISCUSSÕES
Com todos os resultados alcançados durante os ensaios experimentais, calculou-se os valores para variação de altura e pressão, velocidade, número de Reynolds e coeficiente do orifício para cada tipo de dispositivo. Para tal, eis as equações que foram utilizadas:
Variação de pressão no dispositivo:
ΔP = (ρHg-ρH2O).g.Δh
Onde:
ρHg = 13546,2; ρH2O = 998,099; g=9,8m/s2 e Δh = varia α variação de vazão
Velocidade do sistema:
v = Q/A onde: Q = vazão lida no rotâmetro e A (área= (π.D2)/4) = 0,050670748
Número de Reynolds:
Re = (D.V.ρ)
μ
Onde:
V = a velocidade
D = 0,0254 (diâmetro do tubo);
ρH2O = 998,099 (densidade do fluido);
μ = 1,005x10-3 (viscosidade cinemática desse fluido).
Coeficiente de orifício
_ _____
Co = Q. ρ ._ 1-β4__
A . 2ΔP
Onde:
Q = vazão
ρH2O = 998,099 (densidade do fluido);
β = razão do diâmetro = 0,5
A = diâmetro do tubo
ΔP = variação de pressão
A partir do método 3.4 e das equações relacionadas acima, foi possível calcular o desempenho de cada dispositivo de medição de vazão e assim dispô-los em tabelas que sintetizam as singularidades de cada um. Assim, tem-se que para:
a)Placa de orifício:
Rotâmetro
Vazão
Δh (m)
ΔP
Velocidade
Número de Reynolds
Coeficiente do aparelho
1
0,000277778
0,047
5779,655321
0,548201974
6914,358206
7211,715612
2
0,000555556
0,175
21519,99322
1,096403949
13828,71641
27831,63264
3
0,000833333
0,41
50418,26982
1,644605923
20743,07462
63900,29255
4
0,001111111
0,73
89769,11455
2,192807897
27657,43283
113687,0729
5
0,001388889
1,11
136498,2427
2,741009871
34571,79103
175235,1228
4
0,001111111
0,725
89154,25761
2,192807897
27657,43283
113297,0646
3
0,000833333
0,415
51033,12677
1,644605923
20743,07462
64288,74776
2
0,000555556
0,185
22749,70711
1,096403949
13828,71641
28615,77572
1
0,000277778
0,055
6763,426439
0,548201974
6914,358206
7801,372375
b) Medidor Venturi:
Rotâmetro
Vazão
Δh (m)
ΔP
Velocidade
Número de Reynolds
Coeficiente do aparelho
1
0,000277778
0,025
3074,284745
0,548201974
6914,358206
5259,684182
2
0,000555556
0,1
12297,13898
1,096403949
13828,71641
21038,73673
3
0,000833333
0,235
28898,2766
1,644605923
20743,07462
48377,65903
4
0,001111111
0,425
52262,84067
2,192807897
27657,43283
86744,93377
5
0,001388889
0,66
81161,11727
2,741009871
34571,79103
135123,7332
6
0,001666667
0,965
118667,3912
3,289211846
41486,14924
196067,0301
5
0,001388889
0,665
81775,97422
2,741009871
34571,79103
135634,5998
4
0,001111111
0,425
52262,84067
2,192807897
27657,43283
86744,93377
3
0,000833333
0,24
29513,13355
1,644605923
20743,07462
48889,60619
2
0,000555556
0,105
12911,99593
1,096403949
13828,71641
21558,28994
1
0,000277778
0,025
3074,284745
0,548201974
6914,358206
5259,684182
Rotâmetro
Vazão
Δh (m)
1
0,000277778
0,025
2
0,000555556
0,105
3
0,000833333
0,25
4
0,001111111
0,43
4,4
0,001222222
0,595
4
0,001111111
0,425
3
0,000833333
0,245
2
0,000555556
0,105
1
0,000277778
0,03
c) Série (Placa de Orifício): d)Série (Venturi):
Rotâmetro
Vazão
Δh (m)
1
0,000277778
0,05
2
0,000555556
0,185
3
0,000833333
0,42
4
0,001111111
0,735
4,4
0,001222222
1,01
4
0,001111111
0,73
3
0,000833333
0,42
2
0,000555556
0,185
1
0,000277778
0,05
- Paralelo (Placa de Orifício) - Paralelo (Venturi):
Rotâmetro
Vazão
Δh (m)
1
0,0002778
0,007
2
0,0005556
0,02
3
0,0008333
0,04
4
0,0011111
0,073
5
0,0013889
0,11
6
0,0016667
0,165
6,5
0,0018056
0,184
6
0,0016667
0,165
5
0,0013889
0,11
4
0,0011111
0,075
3
0,0008333
0,04
2
0,0005556
0,018
1
0,0002778
0,008
Rotâmetro
Vazão
Δh (m)
1
0,0002778
0,015
2
0,0005556
0,045
3
0,0008333
0,11
4
0,0011111
0,205
5
0,0013889
0,32
6
0,0016667
0,465
6,5
0,0018056
0,542
6
0,0016667
0,47
5
0,0013889
0,32
4
0,0011111
0,205
3
0,0008333
0,11
2
0,0005556
0,046
1
0,0002778
0,017
