fenotrans 2019

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ
LABORATÓRIO DE FENÔMENOS DE TRANSPORTE
ENGENHARIA DE ALIMENTOS
INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO DE VAZÃO, PRESSÃO E TEMPERATURA
Acadêmicos: 			 RA:
Geovana Santos 103602
Gabriel Sarache 102686
Julia Maria
Professor:Guilherme Lorencini Schuina 
MARINGÁ, 2019
OBJETIVOS:
Reconhecer instrumentos de medida de vazão, temperatura e pressão, e construir curvas padrões de calibração dos mesmos.
INTRODUÇÃO TEÓRICA:
Para a realização da prática, é necessário o conhecimento dos conceitos físicos a nível do que será abordado, como a temperatura, pressão e vazão.
II.1. Vazão:
	Grandeza que imediatamente é associada à escoamentos de fluidos em geral. É uma medida de fluxo material. O controle de quanto entra e sai de um processo é fundamental, daí a importância dos instrumentos que fazem este controle.
	A trajetória de uma partícula líquida cujas tangentes, nos diferentes pontos dão as direções das velocidades das moléculas ao passar por estes pontos, chama-se linha de corrente. O conjunto de linhas de corrente que atravessam uma pequena superfície colocada transversalmente é o filete líquido ou tubo de corrente.
	Admite-se que o líquido preenche completamente o tubo e também que os efeitos da contração do fluído são desprezíveis. No caso dos gases, leva-se em conta o fenômeno de compressão. 
	Temos então:
		S1 - seção do tubo em um ponto qualquer 
		V1 - velocidade do líquido que atravessa a seção
	Assim:
		
		onde Q é a vazão do fluído que passa pela seção S1
	O fato de que o líquido preenche totalmente o tubo, permite aplicar a equação de continuidade; que estabelece que a vazão Q é a mesma para todas as seções do tubo. Neste caso:
		
	Industrialmente, os principais instrumentos utilizados, são os de pressão variavél, área variável [ rotâmetros ( tubo em forma cônica ) e par cilindro-pistão ], controles à turbina, fluxímetros de massa, vertedouros e calhas destinadas a medições de vazões em canais abertos.
	O conjunto de medição, é, via de regra, constituído de duas classes de elementos: primários e secundário. Os elementos primários, se encontram em contato direto com o fluido, resultando em alguma interação, transformando a vazão em grandeza facilmente mensurável; os elementos secundários transformam esta grandeza facilmente mensurável em informações adequadas para a leitura local ou transmissão à distância do valor correspondente à vazão.
	A vazão pode ser volumétrica ou mássica:
Vazão Volumétrica: ;
Vazão Mássica: ,
onde Q é vazão, V o volume, m a massa e t o tempo.
II.1.1. Instrumentos de Medida de Vazão:
II.1.1.1. Rotâmetro:
É um medidor de área variável e um dos fluxímetros de maior uso nas indústrias químicas. É constituído de um “flutuador” que pode mover-se livremente na direção vertical, colocado num tubo cônico cujo diâmetro pouco varia com a abertura maior voltada para cima. O fluido entra por baixo do tubo e eleva o flutuador até que a área anular entre ele e as paredes do tubo seja suficiente para provocar uma queda de pressão capaz de suportá-lo. O tubo cônico é, em geral, de vidro boro-silicato ou de vários metais como o aço inoxidável. Os flutuadores são de metais duros e resistentes à corrosão, como aço inoxidável e apresentam diversos formatos e características de vazão. Os rotâmetros podem fazer medidas de gases e líquidos a alta e baixa pressão. Um único instrumento cobre uma faixa de vazões de 1 para 10 e, pelo emprego de flutuadores de diferentes densidades pode-se obter uma faixa de 1 para 200.
II.1.1.2. Medidor Venturi:
É utilizado em situações para as quais a vazão pode ser determinada pela medida de pressão.
	Consiste de um cone de entrada lisa com ângulo em torno de 20C, um cilindro de seção curta, e de um cone difusor de ângulo entre 5 e 7 a fim de minimizar a perda de carga. Para uma operação satisfatória do dispositivo, o escoamento deverá ser estabelecido quando ele passar pela 1 seção, e o mesmo deve ser precedido por um tubo reto de pelo menos 10 diâmetros de comprimento. No estrangulamento e na 1 seção são acoplados manômetros para leitura das pressões. No escoamento do tubo para a 2 seção (cone com menor ângulo) a velocidade aumenta e, em correspondência, a pressão diminui. Verifica-se que a vazão é de um escoamento é função da leitura do manômetro.
II.1.1.3. Medidor de Cotovelo:
Considerado como um dos dispositivos mais simples para a medida de vazão. Ligam-se tomadas piezométricas no lado interno i no lado externo do cotovelo a um manômetro diferencial. Devido à força centrífuga na curva, a diferença de pressões relaciona-se com a vazão. Um trecho reto de regularização deve preceder o cotovelo e, para resultados precisos, o medidor deve ser aferido no local. Como a maioria das tubulações tem um cotovelo, o mesmo poderá ser usado como medidor. Depois da calibração, os resultados são tão confiáveis quanto os obtidos com um medidor Venturi ou local.
II.2. Pressão:
	
Por pressão entende-se, como a força total exercida sobre um elemento de superfície dividido pela área da superfície. Pressão, ou, equivalente, força, é importante para a mecânica e termodinâmica porque expressa o conceito de equilíbrio mecânico, onde dois sistemas através de paredes móveis, atingem a mesma pressão, em contato mecânico.
	Para medir a pressão, usa-se um manômetro, que é um aparelho que produz uma mudança no indicador, tal como a posição, altura de uma coluna de líquido, ou mudança das propriedades elétricas de determinados circuitos, em resposta a uma mudança de pressão. Neste caso, sempre que utilizarmos o termo pressão estamos nos referindo a pressão absoluta, que é:
pabs = patm + pman
	A leitura da pressão num ponto referenciando-se esta medida ao vácuo, desprezando a pressão atmosférica, temos a pressão relativa.
As unidades mais conhecidas para a pressão são: atmosfera (atm), Pascal (Pa), psig(g de gage - para pressões relativas), psia (a de absoluto- para pressões absolutas).
Há também muitas outras unidades compostas, como: quilograma-força por centímetro quadrado (Kgf/cm²), libra-força por polegada quadrada (Lbf/in²), e outras.
II.2.1. Métodos de medição de pressão:
	
Estes métodos podem ser divididos em três grupos: 
Baseados nas medidas de altura de uma coluna líquida
Baseados nas medidas de deformação de uma câmara elástica de pressão 
Dispositivos sensores elétricos 
II.2.1.1. Métodos de coluna líquida:
Os medidores de pressão são os que equilibram a pressão desconhecida com contra uma pressão exercida por uma coluna líquida. Quando a densidade do líquido é conhecida, a altura da coluna é uma medida de pressão. Os principais dispositivos medidores de pressão a coluna líquida são denominados manômetros de tubo em U.
II.2.1.2. Métodos de elementos elásticos:
Esses medidores expressam a pressão a partir da deformação de um material elástico. Podem ser citados como exemplo desses medidores Tubo de Bourbon, Fole e Membrana 
a)Tubo de Bourbon: é um tipo de manômetro na forma de um tubo metálico achatado e recurvado, fechado de um lado e ligado do outro na tomada da pressão a ser medida. Quando a pressão interna ao é aumentada, este tende a endireitar-se, puxando um sistema de alavancas ligado a um ponteiro, causando desta forma seu movimento. O zero será indicado no mostrador quando as pressões interna e externa forem iguais independentes do seu valor. Este tipo de manômetro em função da sua própria construção, medirá pressões em relação à pressão reinante no meio que o circunda, que é a atmosférica local.
	b)Fole ou Sanfona : ë um cilindro com elasticidade axial, com dobras ou pregas profundas na superfície. Para medir a pressão absoluta, o interior ou o exterior pode ser evacuado e selado. A diferença entre duas pressões pode ser medida aplicando-se a mesma aos lados opostos de um único fole ou dois foles em oposição.
	c) Membranas oudiafragmas: essas podem ser classificadas em dois grupos principais : as que utilizam as características elásticas do diafragma e as que são atuadas por uma mola ou por outro elemento elástico . O primeiro tipo consiste numa ou mais cápsulas constituídas por dois diafragmas ligados por soldas fracas, ou abrasados ou soldados por fusão. Os diafragmas são discos metálicos circulares, planos ou ondulados. 
O segundo tipo de membrana resiste a pressão e exerce a força sobre um elemento elástico em oposição. O movimento do diafragma é obstruído por uma mola que determina a deflexão para uma dada pressão. Este tipo de membrana é usado para medições de pressão muito baixas, de vácuo ou de diferenciais de pressão.
II.2.1.3. Métodos Elétricos:
Esse tipo de medidor de pressão baseia-se em dispositivos que usam redes de resistores filares para medir pequenas distorções em materiais sujeitos a tensões e são denominados manômetros a deformação elástica. A resistência elétrica do condutor é provocada quando este condutor é esticado, ou seja, aumentando seu comprimento e diminuindo seu diâmetro. 
	Existem ainda dois tipos de manômetros a deformação elástica: os com rede ligada e os de rede desligada. Os primeiros são aqueles que tem a rede fixada diretamente na superfície do elemento elástico cuja deformação deve ser medida. Os manômetros com rede desligada são constituídos por um quadrado fixo e uma armadura móvel em relação a ele e que responde a pressão desconhecida.
II.3. Temperatura:
O Conceito de temperatura pode tornar-se preciso pelas afirmações:
“Sistemas em equilíbrio tem a mesma temperatura”;
“Sistemas em não equilíbrio possuem temperaturas diferentes.”
É da lei zero da termodinâmica, baseada na experiência do contato térmico, que pode-se definir temperatura. Uma grandeza que é uma quantidade precisamente definida, profundamente enfatizada no conceito de equilíbrio, e relativo a energia contida em uma substância.
Utilizam-se em trabalhos científicos, assim como em engenharia, métodos para medida de temperatura e outras propriedades físicas do corpo que variam com a mesma e são denominadas de propriedades termométricas e entre elas podemos citar: volume aparente dos gases e líquidos, comprimento de barras, resistências elétricas de fios pressão de gases mantidos a volume constante, força eletromotriz de um par termoelétrico, etc.
Para sua leitura através dos termômetros, como um sistema, uma dessas propriedades. É preciso então que o termômetro entre em equilíbrio térmico com um sistema cuja temperatura seja reproduzível, por exemplo, gelo fundente. Mede-se então, o valor da propriedade, assim a agulha do manômetro, ficará em uma posição definida. Depois que o termômetro tenha atingido o equilíbrio com o gelo, considerando o termômetro como um recipiente a volume constante, marca-se este primeiro valor com um número desejado, como zero na escala Celsius (0ºC). Levando agora este sistema em contato com uma outra temperatura, com água em ebulição a 1 atm, a agulha permanece então em outra posição como cem na mesma escala (100ºC).
Apenas um cuidado a ser tomado a respeito da propriedade escolhida como termométrica, esta pode aumentar ou diminuir continuamente à medida que a temperatura sobe no intervalo de aplicação do termômetro, não pode ter máximo ou mínimo ou valor intermediário neste intervalo.	
De um modo geral, a temperatura é a medida de calor que está sendo fornecida por um determinado corpo. Para a medida de temperatura de um corpo faz-se uso de um equipamento que são designados como termômetros, os quais se classificam de acordo com a tabela abaixo:
Tabela 1 - Termômetros e suas propriedades termométricas.
	Propriedades Termoelétricas 
	Termômetro
	Dilatação térmica de corpos metálicos 
	Termômetro metálico
	Dilatação térmica de líquidos
	Termômetro de Hg , Álcool
	Dilatação térmica de gases
	Termômetro de gás
	Resistência elétrica
	Bolômetro
	Força Termo-eletromotriz
	Agulhas termo-elétricas 
	Brilância de corpos incandescentes
	Pirômetros
A temperatura pode ser expressa por meio de dois tipos de escalas: relativas e absolutas. A diferença entre elas, é que nas escalas absolutas, sua origem coincide com o zero de temperatura, o mesmo não ocorrendo com as escalas relativas. As escalas absolutas conhecidas são a Kelvin (K) e a Rankine (ºR). Já as escalas relativas são a Celsius (ºC) e a Farenheit (ºF). O intervalo de um grau nas escalas Celsius e Kelvin são equivalentes. O mesmo acontece para as escalas Farenheit e Rankine. Um grau nas escalas Celsius e Kelvin, corresponde à 1,8 graus nas escalas Farenheit e Rankine.
	Para calcular-se um valor da temperatura na transformação de uma escala em outra usamoa as equações gerais:
II.3.1. Tipos de Termômetros:
II.3.1.1. Termômetro comum de Mercúrio, Álcool e Tolueno:
Dependendo do intervalo de temperatura a que se deseja fazer medidas usa-se determinado cada um dos tipos acima em virtude do comportamento de sua dilatação nestes intervalos de temperatura. 
	Limite de temperatura
	Tipo de termômetro
	30 a 300
	Termômetro de Hg
	110 a 780
	Termômetro de Álcool e Tolueno
	A medição da temperatura mediante termômetros de líquido baseia-se na observação do volume ocupado pelo líquido no invólucro de vidro composto por um reservatório (bulbo) e um tubo capilar (haste) soldado ao depósito, de forma que todo o bulbo e a parte do tubo estejam cheios. Ao manter o bulbo em contato com outro material com diferente temperatura existe a dilatação ou contração do líquido promovendo a leitura na haste do termômetro.
	O mercúrio tem algumas vantagens sobre os outros líquidos: o mercúrio não molha o vidro, o intervalo de do estado líquido do mercúrio é relativamente grande e a purificação do mecanismo se faz de forma mais simples.
II.3.1.2. Termômetros Registradores:
São também chamados de termógrafos. São formados em geral por uma caixa de metal, de paredes delgadas, dobrada em arco e cheia de líquido que geralmente é o álcool. As variações de temperatura dilatam e contraem o álcool e a caixa tende a colocar-se mais horizontalmente ou mais curvadas, onde os movimentos se transmitem num mecanismo ao registrador.
II.3.1.3. Pirômetros:
São usados para medir temperaturas muito altas e destacam-se alguns tipos :
Pirômetros termo-elétricos: Constituídos de dois fios metálicos de composição metálica homogênea soldados (fundidos) entre si por uma das extremidades e ligados as outras extremidades existe um dispositivo capaz de medir a força eletromotriz. A medida da força eletromotriz é uma medida da diferença da diferença de temperatura entre as extremidades. Estes equipamentos são comumente chamados de termopares.
Pirômetros óticos: são em geral construídos para medir a temperatura em base ao comprimento da luz e regulados para medidas relativas a um corpo negro.
Pirômetros de radiação total: é baseado na relação de energia total sob a forma de calor e luz irradiado por um corpo negro, em função da temperatura.
Para cada faixa de temperatura existe um termopar ideal:
	Termopares
	Faixa de Temperatura
	T (Cobre Constantan)
	-184ºC a 370ºC
	J (Ferro Constantan)
	0ºC a 750ºC
	K (Chromel Alumel ou Ni Cr Ni)
	0ºC a 1260ºC
MATERIAIS E MÉTODOS:
III.1. Instrumentos de medida de vazão:
Materiais Utilizados:
Rotâmetro
Bomba centrífuga
Caixa d’água
Cronômetro
Proveta
Nesta experiência, foi fixada uma vazão no rotâmetro e coletou-se água durante 20 segundos aproximadamente. O que foi realizado tres vezes para cada vazao fixada. 
Repetiu-se este procedimento para cinco vazões fixas. Assim com os dados do tempo gasto e o volume obtido, calculou-se a media do tempo e do volume para cada vazao fixada no rotâmetro. Entao dividiu-se a media dos volumes pela media dos tempos e encontrou-se a vazao volumetrica. Com os valores de vazão real e vazão do rotâmetro, construiu-se uma curva de calibração para o rotâmetro.
III.2. Instrumentosde medidas de pressão:
Materiais Utilizados:
Manômetro de Bourdon;
Manômetro de mercúrio;
Bomba centrífuga;
Caixa d’água.
O experimento baseou-se em fixar pressões para a água que passava pelo manômetro de Bourdon, e simultaneamente, ler a pressão no manômetro de mercúrio (tubo em U), de acordo com a variação da coluna do fluido.
Foi feita então uma curva de calibração para o manômetro de Bourdon com os dados coletados.
III.3. Instrumentos de medida de temperatura
Materiais Utilizados:
Termômetro de mercúrio;
Termopares T, J e K;
Termômetro tipo relógio
Milivoltímetro;
Recipiente com água;
Resistência.
Este método consistiu, na leitura da variação da temperatura da água ao ser aquecida, nos instrumentos a serem calibrados em intervalos de temperatura definidos, tomando por base o termômetro de mercúrio.
Com os dados já anotados, construiu-se curvas de calibração para os termopares e o milivoltímetro. O primeiro dado é o valor da temperatura ambiente da água.
RESULTADOS: