Relatório

Prévia do material em texto

CALIBRAÇÕES DE MEDIDORES DE VAZÃO – LÍQUIDO E GÁS
SANTOS, Camila Pacheco¹; DE SOUZA, Fernanda Pereira¹; SANTANA, Isadora Constantino¹; PEDROSO, Letícia Cardoso¹; PERUCCHI, Mariana Borges¹; CARRADORE, Mayara Acordi¹.
1Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC – Criciúma – SC
mayarinha__1@hotmail.com
Resumo: Medidores de vazão são de suma importância para o ambiente industrial, sendo necessária a calibração correta destes equipamentos para a obtenção de resultados precisos. Este artigo tem como objetivo a determinação de vazões de líquidos e gases em diferentes equipamentos como rotâmetro, hidrômetro, venturi, placa de orifício e um recipiente graduado, apresentando curvas de correção para os mesmos. No circuito de água foram determinados coeficientes de correção (Cd) de 1,0959 e 0,992 para o rotâmetro e para o hidrômetro, respectivamente. Para o circuito de ar foi obtido R² muito próximo de 1, para os gráficos do ∆H do venturi, vazão do anemômetro vs vazão de pitot.
Palavras chaves: calibração, medidores de vazão, curvas de correção.
�
INTRODUÇÃO
	Na maioria das operações realizadas nos processos industrias é muito importante efetuar a medição e o controle da qualidade de fluxo de líquidos, gases e até sólidos granulados, não só para fins contábeis, como também para verificação do rendimento do processo. 
 1.1 Definição 
	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. 
 1.1.1 Vazão Volumétrica
	É definida como sendo a quantidade em volume que escoa através de uma certa seção e um intervalo de tempo considerado. É representado pela letra Q e expressa pela seguinte equação: 
 (1)
Onde: 
Q = vazão volumétrica
V = volume 
 t = tempo.
 	1.1.2 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:
(2)
Onde:
 Qm = vazão mássica
 m = massa 
 t = tempo.
	A vazão é uma das grandezas mais medidas nos processos industriais. As aplicações são muitas, indo desde aplicações simples como a medição de vazão de água em estações de tratamento e residências, até medição de gases industriais e combustíveis, passando por medições mais complexas. (SERFATY; REINALDO, 1996).
Tipos de medidores de Vazão
Medidores primários: São aqueles cujas técnicas de medidas são feitas de maneira fundamental, como medidas de vazão volumétrica de fluidos incompressíveis.
Medidores secundários: São aqueles que necessitam ser calibrados ou aferidos em função de medidores primários. Citam-se como secundários: rotâmetros; anemômetros; hidrômetros; Venturi; placa de orifício; bocais, vertedores; calhas Parshall; entre outros.
	1.3 Medidores por pressão diferencial
	A pressão diferencial é produzida por vários tipos de elementos primários colocados na tubulação de forma tal que o fluido passe através deles. A sua função é aumentar a velocidade do fluido diminuindo a área da seção em um pequeno comprimento para haver uma queda de pressão. 
	É uma família de medidores, amplamente utilizada para caracterização de vazão, é baseada na obstrução da passagem de um determinado fluido. Nesses dispositivos, a vazão é calculada pela medição da queda de pressão causada pela obstrução inserida no caminho da vazão. Os tipos mais comuns de medidores de vazão por pressão diferencial são: placa de orifício, tubo de Venturi, tubo de Pitot, medidor do tipo bocal (Balbinot, 2010). 
	Os medidores por nível diferencial, também, utilizam sensores que percebem a vazão em termos de diferencial de pressão segundo a equação de Bernoulli. Existem dois tipos de medidores deprimogêneos: Medidores de Obstrução e Tubos de Pitot.
	1.3.1 Tubo de Pitot
	O tubo de Pitot é um tubo oco de seção circular de pequeno diâmetro, forma de L, cujo eixo se alinha com a direção da velocidade do fluxo no ponto de medida. 
	No tubo de Pitot se conecta um medidor de pressão, como por exemplo, um manômetro de coluna, a pressão lida neste medidor corresponde à que se denomina "pressão de estagnação" ou pressão total do fluxo. 
 Figura 1 – Representação esquemática de um tubo de Pitot.
 Fonte:Wikibooks
	Com o tubo de Pitot é possível se medir a velocidade de um fluido em um ponto do escoamento, e a vazão do escoamento pode ser calculada a partir da medição em diferentes pontos. A vazão será o resultado do tratamento das velocidades de forma adequada. (DELMÉE, 1983).
	Em tubulações cilíndricas deve-se explorar a medição da velocidade em diferentes raios de um mesmo plano, espaçados por ângulos iguais, sendo recomendado o mínimo de 4 raios, isto é, 2 ângulos igualmente espaçados. Para tubulações com seção transversal retangular repete-se o mesmo procedimento para coordenadas de medição escolhidas, similares aos raios. (SCHNEIDER; SMITH, 2012).
 			[03]
Figura 2– Exemplo de pontos de coleta de dados no tubo de Pitot.
Fonte: QUEIROZ, 2006, p. 61.
	1.3.2 Tubo Venturi
	O Tubo Venturi é um elemento primário gerador de depressão, uma vez que interage com o fluido com fundamentos físicos diretos, sem mecanismos intermediários, estando por isso classificado entre os elementos deprimogênios. Sua função é criar uma diferença de pressão Δp ou Δh que seja relacionada à vazão Q através da equação 05. (QUEIROZ, 2006).
 		[05]
Onde: 
Q = vazão no estrangulamento; 
K = coeficiente de vazão;
 A2 = área do orifício; 
g = aceleração da gravidade;
∆h = diferença de pressão.
	Em função do seu formato suave, o tubo Venturi, pode ser utilizado com gases ou líquidos sujos. Como desvantagem podem-se citar o tamanho e o custo de fabricação (Balbinot, 2010).
	1.3.3 Placa de orifício
	É um aparelho extremamente simples; consta normalmente, de uma chapa plana, com um orifício central, com os bordos biselados e agudos. A placa é inserida perpendicularmente a direção do escoamento e o fluido passa pelo orifício (Foust, 2008).
	Suas principais desvantagens frente a outros medidores são: a perda de carga considerável imposta ao sistema de bombeamento e faixa de medição restrita e desgaste da placa (DALMEE, 1983).
	A limitação do orifício concêntrico é na utilização de fluidos com múltiplas fases, em função do acúmulo de material, a abertura pode ser fechada. No orifício excêntrico a abertura encontra-se deslocada do centro, o que possibilita a utilização em fluidos nos quais a fase secundária seja um gás. (Balbinot, 2010).
	1.4 Rotâmetros
	Trata-se de medidores de vazão baseados em efeitos de arrasto, onde o fluido que se deseja medir escoa pela parte inferior de um tubo colocado sempre em posição vertical. A bóia será levada pelo fluido e estabilizará numa dada posição, em consequência do equilíbrio de sua força peso com o empuxo do escoamento. (SCHNEIDER; SMITH, 2012).
	Forças para cima: empuxo de arquimede, (Fc), somado a pressão diferencial, (Fp), multiplicado pela área,(A).
Fc = Fa + Fp *A
	Força para baixo: peso flutuador, (Fb).
Figura 4 - Medidor de Vazão tipo Rotâmetro 
Fonte: Blaster Controles
	Os rotâmetros são um dos raros instrumentos medidores de vazão que dispensam a necessidade de trecho reto para seu funcionamento (Bega, 2011).
	Rotâmetros podem ser encontrados em diâmetros de 2 a 300 mm. A precisão pode ser muito boa, 0,5% do valor lido, no caso de medidores “padrões”, a 10% do fim de escala, para indicadores industriais. São instrumentos manufaturados em série, para faixas de medição determinadas por cada fabricante. As capacidades dos rotâmetros são tabeladas considerando que o fluido é água, no caso de líquido, ou ar (20°C e 1 atm), no caso de gás (Bega, 2011).
 
	1.5 Hidrômetros
	É um medidor de vazão por deslocamento positivo. Esses medidores de vazão são, na realidade, motoresmovidos pela passagem de fluido. O número de rotações do motor está associado à vazão do fluido. Trata-se de medidores com boa exatidão, mas limitados a escoamentos permanentes onde se deseja conhecer o volume de fluido que passa pelo sistema.
Figura 5 - Medidor de Vazão tipo Hidrômetro
Fonte: Energyrus
	Os hidrômetros domésticos encontram-se nessa categoria, assim como sistemas de climatização com água quente ou gelada, entre outros. (SCHENEIDER; SMITH, 2012). 
	1.6 Anemômetro
	Baseados na transformação de um movimento relativo de um rotor, submetido a um escoamento de um líquido ou de um gás. A Figura 4 mostra quatro modelos diferentes de anemômetros rotativos. (SCHENEIDER; SMITH, 2012)
 
Figura 6 – Anemômetro rotativo de conchas (a); de Savonius (b) e anemômetros de hélice em duto (c) e em escoamento livre (d).
Fonte: WHITE, 2002.
	Consiste em um rotor balanceado com diâmetro um pouco menor quando comparado ao diâmetro interno da tubulação. Sua velocidade de rotação é proporcional à razão de vazão volumétrica e pode ser detectada por dispositivos de estado sólido (relutância, capacitância, indutância) bem como por sensores mecânicos. Utilizado para medir vazões em gases com alta confiança e precisão (Balbinot, 2010).
	Os anemômetros de hélice são também do tipo rotativo. Um cata-vento mantém voltado para o vento uma hélice, cuja rotação é transmitida a um indicador. (DANNEMANN, 2008)
	Esses anemômetros somente medem a velocidade de uma corrente apenas para um mesmo sentido. 
	A leitura da velocidade é facilmente adquirida por meios digitais, uma vez que sua calibração depende da contagem da rotação de um rotor. Devido ao seu tamanho, não representam valores discretos ou de “ponto” do campo de velocidades. (SCHNEIDER, 2007).
MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Equipamento
O equipamento utilizado é constituído por dois circuitos para medidas de vazões: um circuito para líquido (água) mostrado na figura 7 e um circuito para gás (ar) mostrado na figura 8.
2.1.1 Circuito fechado para líquido
Reservatório de água (RA);
Bomba centrífuga (BC);
Tubulação de PVC (diâmetro nominal de 32mm e diâmetro interno de 27,5mm);
Válvula para regulagem de vazão (VRV);
Medidor comercial de vazão do tipo rotâmetro (Rt);
Medidor comercial de vazão do tipo hidrômetro (Hd);
Medidor de vazão tipo Venturi (Vt) β= (Di/di)=0,46, ligado ao seu respectivo manômetro de tubo em U (MUvt) que contém mercúrio metálico como fluido manométrico;
Medidor de vazão tipo placa de orifício (PO) β= (Di/di)=0,49, ligado ao seu respectivo manômetro de tubo em U (MUpo) que contém mercúrio metálico como fluido manométrico;
Medidor de velocidade tipo Pitot padrão (Pt), com régua linimétrica, ligado ao seu respectivo manômetro de tubo em U (MUpt) que contém clorofórmio colorido como fluido manométrico;
Recipiente graduado (RG) munido de uma válvula de bloqueio (VB) para medidas de vazão com auxílio de um cronômetro.
Figura 7: Equipamento usado na calibração de medidores de vazão do circuito de água.
2.1.2. Circuito aberto para gás
Soprador centrífugo (SG), ligado a um inversor de frequência para variação da vazão;
Tubo de aço (diâmetro nominal de 100mm);
Medidor de vazão do tipo Venturi (Vt) com β= (Di/di)=0,40;
Medidor de vazão do tipo placa de orifício (PO) com β= (Di/di)=0,50;
Manômetro de tubo em U (MU) que contém água colorida como fluido manométrico, ligado ao medidor de vazão (Vt) ou ao (PO);
Medidor de velocidade do tipo Pitot padrão (Pt), ligado ao seu respectivo manômetro de tubo inclinado (MIpt) que contém água colorida como fluido manométrico;
Medidor comercial de velocidade do tipo anemômetro de ventuinha (AV).
Figura 8: Equipamento usado na calibração de medidores de vazão do circuito de gás.
 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Operação com o circuito de água
Inicialmente foram verificados o nível de água no reservatório e se os manômetros estavam equilibrados e sem bolhas de ar. Logo após foi ligada a bomba centrífuga (BC) e abrindo lentamente a válvula VRV, fazendo a selagem hidráulica. Em seguida, foi fechada a válvula VRV e iniciado a prática.
Abriu a válvula VRV e regulou a vazão de 5 L/min em 5L/min até obter a vazão máxima do sistema, anotando os respectivos ΔH dos manômetros, a vazão no hidrômetro e a vazão real de calibração.
Operação com o circuito de ar
Calibração do Venturi
Verificou se os manômetros estavam equilibrados, em seguida ligou o soprador e aumentando a vazão de 5 m/s em 5 m/s até o limite do sistema, anotando os ΔH medidos no manômetro de Pitot e no tubo em U do Venturi.
Calibração da Placa de Orifício
Foi realizado o mesmo procedimento anterior, anotando os ΔH medidos no manômetro de Pitot e na placa de orifício.
DISCUSSÕES E RESULTADOS
3.1 Circuito com Água
		A seguir, os resultados para os medidores do circuito de água.
Aferição no tubo hidrômetro e rotâmetro
Determinadas as vazões dos recipientes contidos no experimento, foi possível comparar a vazão do recipiente graduado com as vazões do rotâmetro e do hidrômetro. Os gráficos 1 e 2 apresentam a curva de calibração utilizando a equação da reta y = ax + b, concluindo que houve um mínimo erro de leitura, pois os coeficientes de correção do rotâmetro e do hidrômetro estão muito próximos.
	 
Gráfico 1. Vazão de referência x Vazão no hidrômetro
Gráfico 2. Vazão de referência x Vazão no rotâmetro
O coeficiente de descarga (Cd) é calculado a partir do coeficiente angular da equação da reta e foi utilizado para aferição dos equipamentos. Segundo a literatura o Cd para o hidrômetro e rotâmetro é 0,992. Analisando a equação de y = ax + b, os valores do Cd foram de 0,98 para o rotâmetro e 0,87 para o hidrômetro. Através da análise dos gráficos e dos coeficientes de correção foi observado um pequeno erro experimental.
3.1.2 Comparação entre as vazões no recipiente graduado e tubo de Pitot.
Para o circuito de água, as medidas de vazão do tubo de Pitot foram calculadas a partir a velocidade em função da área do tubo. O gráfico a seguir mostra os valores de vazão no tubo de Pitot comparado com a vazão de referência.
	
Gráfico 3. Vazão de Referência x Vazão Tubo de Pitot
O valor de Cd do Tubo de Pitot na literatura é de 0,928 e no experimento realizado obteve o valor de .., demonstrando um menor erro experimental. 
3.1.3 Calibração do Medidor Venturi
Foram calculadas as perdas de carga do circuito ao longo das variações de vazão através das medições no tubo em U do Venturi. O gráfico abaixo apresenta os valores de ∆H em função da vazão do recipiente graduado.
Gráfico 4. Vazão de Referência x ∆H Venturi
A equação de calibração para o Venturi foi obtida utilizando um ajuste polinomial, onde:
 y = altura manométrica (mmHg) 
 x = vazão (m3/s). 
Calibração da placa de orifício
Na placa de orifício, foi possível plotar a variação da pressão em função das vazões obtidas pelas medidas do recipiente graduado de referencia. O gráfico 5 mostra a perda de carga (∆H) pela vazão do recipiente graduado.
Gráfico 5. Vazão de Referência x ∆H Placa de orifício
A equação para o ∆H da placa de orifício em função da vazão de referência é:
y = 0,5553x + 0,0112
Onde:
y = altura manométrica (mca); 
x = vazão (m3/s).
Operação com circuito de ar
A seguir são apresentados os dados obtidos para calibração dos medidores do circuito de ar:
Curva de correção para o anemômetro
O gráfico seguinte mostra as vazões do tubo de pitot vs. vazão do anemômetro:
Gráfico 6 – Vazão anemometro vs vazão pitot
As vazões medidas pelo anemômetro, ainda que não estejam em completa concondância com o medido pelo tubo de pitot, estão coerentes. Um ajuste linear indicou R² de 0,94. Conclui que existe certa linearidade entre as medidas de vazão do anemômetro em relação ao tubo de pitot. 
Curva de correção para o tubo de Venturi
O gráfico7 representa os ∆H obtidos no manômetro do tubo de venturi vs.vazões obtidas via tubo de pitot:
Gráfico 7. Vazão medida via pitot vs. ∆H do manômetro do venturi.
O ajuste gerou um R² de 0,99 mostrando que a equação se ajustou aos dados experimentais. Conclui que a vazão do pitot está coerente com ∆H do manômetro do Venturi.
3.2.3 Curva de correção para a placa de orifício 
O gráfico a seguir, relaciona os ∆H obtidos no manômetro do tubo da placa de orifício vs. vazões obtidas via tubo de Pitot:
		
Gráfico 7 - ∆H Placa de Orifício vs. Vazão Referência
O ajuste de calibração gerou um R² de 0,99, mostrando que a equação se ajustou aos dados experimentais. Conclui que a vazão do pitot está coerente com ∆H do manômetro da placa de orifício.
CONCLUSÃO
No circuito de água as vazões calculadas com o auxílio de hidrômetro, rotâmetro e recipiente graduado, mostraram-se eficazes apresentando pequena variação entre os mesmos.
Foi utilizado também para medir a vazão através do (H o Venturi, placa de orifício e tubo de pitot, onde o Venturi apresentou maior perda de carga comparado a placa de orifício.
Já no circuito de ar, foi possível analisar que a perda de carga e a velocidade é maior quando se utiliza o Venturi do que com a Placa de Orifício.
Podemos concluir então a importância do uso correto dos equipamentos para poder ter resultados coerentes.
5 REFERÊNCIAS
BALBINOT, Alexandre- Instrumentação e Fundamentação de Medidas- 2 ed.- Rio de Janeiro: LTC, 2011.
BEGA, Egídio Alberto (organizador), DELMEÉ, Gerard Jean,ET al. Instrumentação industrial.3. ed Rio de Janeiro: Interciência, 2011. 
DELMÉE, G.J. Manual de Medição de Vazão, Editora Edgard Blücher Ltda, São Paulo,1983.
FOUST, A.S.; WENZEL, L.A.; CLUMP, C.W.; MAUS, L.; ANDERSEN, L.B. - Princípios das Operações Unitárias. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008.
FOX, R.W. MCDONALD, A.T. Introdução à Mecânica de Fluidos. Rio de Janeiro (RJ): Editora Guanabara Koogan S.A., 1978.
SMITH. SCHNEIDER, P. Medição de Pressão em Fluidos, Apostila da disciplina de Medições Térmicas. Porto Alegre (RS): UFRGS, 2011. Disponível em: <www.geste.mecanica.ufrgs.br>. Acesso em: 15 mai. 2013.