Medição de Vazão 2

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Medição de Vazão
Tipos de Medidores de Vazão
Eduardo Araujo do Nascimento
Serviços de medição de vazão
Monitoração / acompanhamento operacional
Controle de sistemas de escoamento
Segurança de plantas e equipamentos
Totalização de volume
Medição para faturamento
Medição de Vazão
Critérios de instrumentação de medidores de vazão
Transferência de produtos entre equipamentos
Entrada e saída de produtos nas plantas (fechamento de balanço de massa)
Consumo de utilidades
Medição de Vazão
Existem basicamente 4 grandes grupos de medição de vazão:
Inferência – Medidores que a partir de um fenômeno físico como o diferencial de pressão e de correlações experimentais reconhecidas, estimam a vazão. Ex: Placa de Orifício, V-Cone, Annubar, Venturi
Volume – Medidores de deslocamento positivo que medem diretamente o volume.
Velocidade – Medidores que através da velocidade obtêm a vazão volumétrica (Q=Av) através da associação com grandezas correlatas. Ex: Turbina, Ultra-som, Magnético, Vórtex, Rotâmetro.
Massa – Medidores de massa. Ex: Coriolis, Térmico
Medição de Vazão
Medição de Vazão
Elementos Deprimogênios
EDUARDO ARAUJO DO NASCIMENTO
Medição de vazão através de placas de orifício, bocais e venturis
Princípio de medição
Desenvolvimento das equações de medição através de elementos geradores de perda de carga no escoamento
Dimensionamento de placas de orifício, bocais e venturis
Compensação dinâmica nos fatores dos medidores baseados em diferencial de pressão
Instalação e manutenção de medidores baseados em diferencial de pressão
Medição de Vazão
Elemento primário amplamente utilizado em instalações industriais, baseado no princípio de medição à partir da variação do diferencial de pressão em um orifício com a variação da vazão
Objetivo:
Seleção
Dimensionamento adequado
Instalação
Placas de orifício:
Medidores de baseados em diferencial de pressão
Normas:
ISO (International Organization for Standardization) 5167 “Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross section conduits runing full”
BS (British Standard) 1042 “Measurement of fluido flow in closed conduits”
ISO 5168 “Measurement of fluid flow – Estimation of uncertainty of a flowrate measurement”
ANSI/API MPMS Cap. 14; “Natural Gas Fluid Measurement”
API; Manual of Installation of Refinery Instruments and Control Systems
AGA Report no 3; Gas Measurement Committee
Referências Bibliográficas
Referências Complementares:
Delmée; “Manual de Medição de Vazão”; Edgard Blucher
Martins; “Manual de Medição de Vazão através de Placas de Orifício, Bocais e Venturis”; Interciência
Bega, et al; “Instrumentação Industrial”; Interciência
Miller; “Flow measurement engineering handbook”
Endress-Hauser; “Flow Handbook”
Referências Bibliográficas
Vantagens:
Facilidade de instalação e de manutenção
Boa confiabilidade
Custo relativamente baixo
Desvantagens:
Não linearidade
Baixa Rangeabilidade (5:1, com o uso da nova tecnologia de transmissores microprocessados. Com os transmissores analógicos antigos, essa rangeabilidade era de 3:1)
Grande dependência das condições operacionais
Características:
-	Largura de faixa (rangeabilidade): relação entre os valores máximo e mínimo, lidos com a mesma exatidão, na escala de um instrumento.
Características de instrumentos de medição:
Princípio de medição:
Princípio de medição:
Placa de orifício montada entre flanges com tomadas flange taps
Geometria:
Detalhe em corte da placa de orifício
Geometria:
Tipos de Placas
Quanto ao orifício:
 Concêntrica
 Segmental
 Excêntrica
Quanto ao bordo
 Bordo Reto
 Bordo Quadrante
 Entrada Cônica
Tomadas:
Fluxo unidimensional, incompressível, sem fluxo de calor e trabalho atravessando as fronteiras do sistema;
A montante da placa
Na placa
Derivação da Equação Básica:



2
	1

P
	 z	
v2	v2
P
z	
 	2	 	2 
	2g
 1	 	1	
	2g
Q&  .A1.v1  .A2 .v2


 	1	2	
2
 A1 	
2
 A		
2.P  P 
Q  A .
.1  	2 	
Definindo
Derivação da Equação Básica:

2
2
4
D
2.P1  P2 


2



	
 d 2
1
Q  	1	. d	.
D
 	d
e introduzindo o fator de expansão	

2	2
4
2.P1  P2 
1  4
Q   . 		. D	.
Derivação da Equação Básica:
Por definição:
(coeficiente de descarga)
Qreal
C 


real
2.P
4
. D	.
Q	 C..
2
1  4
2
C 	f  , Re C  b.Re
n
    , P
Qteorico
Qteorico  Q
Derivação da Equação Básica:
Escoamento real por placa de orifício
Derivação da Equação Básica:
Desenvolvimento do coeficiente de descarga
São formulações determinadas experimentalmente;
São função do tipo de elemento primário, da posição das tomadas, do diâmetro da linha, do “beta” do medidor e do Número de Reynolds;
Tubos Venturi possuem coeficiente de descarga próximo de 1, enquanto placas de orifício de borbo reto apresentam um valor de C em torno de 0,61 para altos números de Reynolds
Derivação da Equação Básica:
Histórico do desenvolvimento do coeficiente de descarga
Buckingham desenvolveu equações específicas para placas de orifício, uma para cada tipo de tomada;
Stolz apresentou uma única equação para placas com tomadas nos flanges, faces e em D e D/2, mas limitada a número de Reynolds elevados (acima de 1260 2 D);
Reader-Harris e Gallager aproveitaram a estrutura da equação de Stolz e estenderam a aplicabilidade da equação a número de Reynolds mais baixos, ao limite inferior do escoamento turbulento: 4000 ou	170 2 D , o maior.
Derivação da Equação Básica:
Exemplo: Equação de Buckingham
-	Para placa de orifício, tomada nos flanges e diâmetro da linha maior que 58,6mm
D
3
4
 0,000856
D1  4 
2,1	8	0,002286
C  0,5959  0,0312	 0,184	
b  91,706 2,5
n  0,75
k.P1
  1 0,41 0,35 4  P
Derivação da Equação Básica:
Equações de Coeficiente de Descarga de Reader-Harris/Gallagher
Única equação aplicada a placas de orifício, tomada nos flanges, faces e em D e D/2 e diâmetro da linha maior que 58,6mm
Adotada na ISO 5167*98 e AGA 8, com parâmetros ligeiramente diferentes ligadas a considerações sobre limites de “beta”, incertezas e dados laboratoriais para os cálculos estatísticos que geraram os parâmetros
Gráficos para coeficientes de descarga – tomadas nas faces:
Re
Gráficos para coeficientes de descarga – tomadas em 2 ½ e 8D:
Re
Fatores de Expansão para k=1,4
Procedimento de dimensionamento:
As placas de orifícios podem apresentar furação de dreno ou de respiro (vent)
Dreno: Evitar acumulação de pequena quantidade de líquido a montante do elemento primário em medição de vazão de gás com arraste de líquidos em tubulações horizontais;
Respiro:	Evitar acumulação de pequena quantidade de gás a montante do elemento primário em medição de vazão de líquidos com arraste de gás em tubulações horizontais.
Procedimento de dimensionamento:
Para levar em consideração a vazão por esses furos, é introduzido um fator Fh (igual a 1 na ausência desse furo):
A eficiência desses furos é duvidosa, tendo em vista a possibilidade de entupimento;
A ISO não considera este fator, mas a BS considera.


h
real
2.P
4
. D	.
Q	 C. .F .
2
1  4
2
4
2

	

	d	
d
 	h 
h
F	 1 	1  
Procedimento de dimensionamento:
, definimos o
Agrupando os termos independentes de parâmetro S como:
-	A determinação de
se faz através de aproximações sucessivas,
e calculando o
coeficiente de descarga e fator de expansão em função do mesmo até que a diferença entre
 2
1  4
 C..Fh
2.P
 .D2 .
4.Q.	
S 


estimando-se um valor inicial para   0
 0,0001
i
i  i1
hi1
i1.	i1.
4
i1
i
C
	F
S.	1 
	
assim,
Procedimento de dimensionamento:
S 	W
A	2P
2
0,25


 
 
 S
2
 k	 
  1   1  k
Re  4W	
 D1
i  
  f i 
 
f i 
Fh  f i 
 	S
  Fh

 
   i
N
β dentro da faixa?
N
Alterar range do instrumento
de pressão diferencial
d = βD
S
S
1   4 
  	C	
Viscosidade absoluta (cP)
 t
d	 d 1  t
m	m
Re  DV

Procedimento de dimensionamento:
Para o cálculo de k1 e k2, existe uma tabela que correlaciona o tipo de elemento primário com esses valores.
Nessa tabela, embora não apresentado, também podem ser encontrados dados para venturi e bocal.
TipodeElemento
k1
k2
OrifíciobordoretoRe>200000
0,6
0
OrifíciobordoretoRe<200000
0,6
0,06
OrifícioExcêntrico
0,607
0,088
OrifícioSegmental
0,634
-0,062
Procedimento de dimensionamento:
Determinação de	 nas condições de “manufatura”
@ proj	 @ 200 C
op
placa
M
.293,15  T	
d	 d.1 
op
tubulação
M
.293,15  T	
int
D	 D	.1 
M
M
D
	dM

Número de condições operacionais (normal, máxima e mínima)
Vazão
Range de calibração
Pressão a montante
Massa específica (líquidos)
Viscosidade (líquidos)
Temperatura a montante (gas e vapor)
Peso molecular (gas e vapor)
Fator de compressibilidade (gas e vapor)
Cp/Cv (gas e vapor)
Diâmetro interno da linha
	Dados De Processos Para O Dimensionamento De Placas De Orifício:
Limites:
Diâmetro do elemento primário
Limites:
Diâmetro interno da tubulação
Limites:

Limites:
Número de Reynolds
Correção de medição e compensação de pressão, temperatura e peso molecular:


real
2.P
4
. D	.
Q	 C..
2
1  2
2
Qmedido 	fator.	P
@ projeto
fator 	f C, , , geometria


@ proj
@ real
 
 
 @ proj
 C@ proj
@ real
C@ real
Correção de vazão volumétrica:
C
real
proj
Cproj
real
.	P
.
Q		fator.

 proj
.

real	real
 	f P,T , PM 
C
Treal
Tproj
real
.	P
Preal .PMreal
.
Pproj .PM proj
.
.
Q		fator.
Cproj	 proj
real	real
Correção de vazão mássica:
C
proj
proj
Cproj
real
real
.	P
.
W		fator.

real
.

real
T
proj
 	
 	real	real 
Treal
 	real	 	real 
real
.	P
Pproj .PM proj
.
P	.PM
.
.
W		fator.
Cproj	 proj
C	
Aplicações:
Líquidos: polidutos
Gases: fechamento de balanço, faturamento
Correção de vazão em Nm3/h:
@ normais
3
QNm3
W kg / h
kg / m	
/ h
T
proj
Treal
real	proj
 	real 	 	
 	
 	real 
real
.	P
Pproj .PMreal
.
P	.PM
.
.
Q		fator.
Cproj	 proj
C	
Cuidados de Instalação:
Sentido da face
Posição da haste
Posição das tomadas em relação ao tipo de fluido
Encaminhamento das linhas de impulso
Selagem
Purga
Comprimento de trechos retos a montante e jusante
Cuidados de Instalação:
Os medidores de	pressão diferencial devem ser instalados o
mais próximo possível das tomadas de pressão, para melhorar a velocidade de resposta e evitar problemas com o encaminhamento das linhas de impulso.
Os diâmetros internos das duas linhas de conexão (tomadas de impulso) devem ser iguais. Normalmente tubing de ½ polegada.
Há várias montagens diferentes em função do estado físico do fluido e de suas características:
Fluido limpo ou sujo
Fluido corrosivo ou não
Gás com ou sem condensado
Posição das tomadas:
Quando as tomadas estão na parte inferior do flange, qualquer sólido em suspensão pode entupir as tomadas;
Quando as tomadas estão na parte superior da tubulação, qualquer gás dissolvido pode gerar erros e distúrbios na medição;
Para a localização das tomadas de processo no flange utiliza-se, como regra geral, para tubulações horizontais:
Gás/Vapor: Tomadas Superiores Líquido: Tomadas Inferiores
Posição das Tomadas:
Encaminhamento das Linhas de Impulso:
Encaminhamento das Linhas de Impulso:
Minimizar comprimento das linhas;
Evitar pontos de acúmulo de condensado (gases);
Evitar pontos de acúmulo de gases (líquidos);
Prever suportação para minimizar vibração;
Quando possível, minimizar uso de selagem.
Posição dos transmissores em relação as tomadas:
Selagem:
Deve ser previsto selagem adequada para transmissores que vierem a ser posicionados ao nível do piso.
Selagem para fluidos viscosos e corrosivos:
Para fluidos que solidifiquem na temperatura ambiente, as tomadas de impulso devem ser traceadas;
Os líquidos corrosivos devem ser mantidos afastados do elemento secundário.
Para evitar esse contato, são utilizados os líquidos de selagem, com instalação de potes ou tês de selagem.
O líquido de selagem não pode se misturar nem reagir com o fluido do processo.
Pode ser utilizado também, um diafragma de selagem, onde nesse caso, o material do diafragma deve ser resistente ao líquido corrosivo.
“Steam Tracing” sem Isolamento Térmico de Tomadas:
“Steam Tracing” e Isolamento Térmico de Tomadas
+ Selagem com Pote e Tê
Conexões ao transmissor diferencial de pressão e compartilhamento de tomadas:
Cuidado!!!
Purga Contínua X Esporádica:
Se o fluido de processo não puder entrar em contato com o
medidor de pressão diferencial devido a problemas de sujeira, sedimentos, solidificação ou entupimento do fluido de processo nas linhas de conexão, são usados flushing ou purga.
Limpeza de Tomadas:
- Dispositivo para limpeza de tomadas
Comprimentos de trechos retos a montante e jusante:
Comprimentos de trechos retos a montante e jusante: