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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO CEARÁ IFCE CAMPUS QUIXADÁ ENGENHARIA DE PRODUÇÃO CIVIL Trabalho - Medidores de Vazão ANTONIO HENRIQUE PRAXEDES DOS SANTOS ITALO COSTA SILVA PROF. Carolina Barbosa Veloso DISC. Mecânica dos Fluidos QUIXADÁ 2021 Resumo O intuito deste trabalho é mostrar como alguns instrumentos que utilizam os princípios da equação de Bernoulli funcionam, quais são suas características estruturais, suas aplicações e restrições e por fim comparar os medidores entre si, buscando mostrar qual o mais exato, qual o mais caro, qual o mais sensível. Placa de Orifício De acordo com Delmée (2003), as placas de orifício são dispositivos simples, práticos e com seu custo de produção baixo em comparação a outros instrumentos. Estimativas indicam que atualmente elas são a principal maneira de medição de vazão na indústria, chegando a quase 80% de aplicação como medidores de pressão e velocidade de fluido. Princípio de Operação O princípio do funcionamento da placa de orifício é constituído na introdução de um obstáculo na tubulação onde a vazão deve ser alterada. Este obstáculo é incitado por uma placa de espessura fina proveniente de um orifício devidamente instalada no tubo onde ela obriga o fluido a alterar sua velocidade, consequentemente mudando seu fluxo e pressão representada posteriormente em sua vazão. (DELMÉE, 2003). O escoamento por essa placa de orifício é embasado na equação de Bernoulli, por ter uma variação brusca na seção onde o fluido transita, assim generalizando que o fluxo da corrente pode demonstrar que a variação da pressão corresponde também à variação de velocidade no mesmo sistema. Características Estruturais Quanto a sua construção as placas podem variar de acordo com o formato do orifício e disposição. Os formatos mais comuns são: a) concêntricos de bordo reto: O tipo mais utilizado, adequado para escoamento monofásico de gases e líquidos sem sólidos em suspensão. b) concêntrico com bordo quarto de círculo ou entrada cônica: c) placa de orifício excêntrica: Utilizado para fluidos com sólidos em suspensão,mistura água/óleo e vapor saturado (vapor úmido). d) placa de orifício segmental: Para fluídoscom sólidos em suspensão. A montagem da placa de orifício requer um comprimento de tubo reto a montante do dispositivo de cerca de 10 a 30 diâmetros para garantir o desenvolvimento completo da camada limite cinética. Já a colocação das tomadas de pressão diferencial não seguem uma única padronização, e são escolhidas conforme a necessidade da instalação. Algumas delas são mostradas na figura que segue. Aplicação e Restrição A placa concêntrica tem seu orifício originado a partir do centro da placa e são indicadas para fluidos limpos e preferencialmente aplicação em linhas horizontais. A excêntrica não se origina em relação ao centro da placa, ou seja, dependendo da sua aplicação há um leve desvio, geralmente para baixo, devido à indicação para fluidos com sólidos em suspensão tanto para linhas verticais ou horizontais. Já a segmental tem seu formato como um segmento de círculo e também seguem as mesmas indicações da placa excêntrica. A equação para determinar a vazão através do orifício é: Na qual: Valores de variação de altura (∆h em mm) para diferentes frequências Bocal O bocal de vazão é geralmente utilizado para medição de vazão de vapor, assim como meios não viscosos, erosivos e em alta velocidade. Eles podem ser utilizados em uma grande variedade de aplicações que incluem vapor, ar, água, gás, substâncias químicas e fluidos em altas temperaturas. Princípio de Operação O princípio de operação é idêntico ao das placas de orifício, constituindo-se em elemento primário gerador de pressão diferencial; a relação entre a vazão e o diferencial de pressão segue a equação descrita para placa de orifício. São mais adequados que placas de orifício para: ◦ vazões elevadas; ◦ fluidos pouco viscosos; ◦ fluídos com sólidos em suspensão; ◦ fluxo menos regular a montante; ◦ situações em que ocorre erosão ou cavitação em placas de orifício. Características Estruturais Para temperaturas e fluidos normais usa-se o inox 316 e para serviços mais severos, em temperaturas superiores a 400ºC, recomenda-se o inox 310. Para aplicações comuns os Bocais de Vazão são montados entre flanges e para operação com vapor superaquecido, em pressão e temperatura elevadas, serão necessárias flanges com vedação por anel metálico, em classes de pressão elevadas. A fim de reduzir a probabilidade de vazamentos, o Bocal poderá ser soldado de topo com o tubo ou inserido no tubo e soldado. É recomendável a utilização dos bocais de vazão para Re acima de 50.000, mantendo a exatidão por longos períodos, mesmo em serviços difíceis sendo bastante exatos na medição de gás. Os tipos mais comuns de bocais são: Bocal ISA (ou ISA-1932), definido atualmente pela norma ISO 5167; Bocal ASME (American Society of Mechanical Engineers), atualmente ASME/NIST. Aplicação e Restrição A aplicação principal dos Bocais é a medição de vapor em regime severo de pressão, temperatura e velocidade; pela sua rigidez é dimensionalmente mais estável que as placas de orifício em velocidade e temperatura elevadas; é o caso típico do vapor superaquecido em saídas de caldeira. O bocal de fluxo é utilizado para medição de vazão de alta velocidade onde erosão e cavitação podem desgastar ou danificar uma placa de orifício. Ele não depende de um canto vivo, (o qual pode degradar ao longo do tempo) para manter a sua precisão e, portanto, oferece uma excelente precisão em longo prazo com menos desgaste e menor possibilidade de distorção. Pode operar com: • líquidos limpos, sujos, viscosos ou corrosivos; • gases limpos ou sujos; • Vapor. PRECISÃO • BOCAL ISA: ±1% • BOCAL LONG RADIUS: Entre ±0.8 e 2% Tubo de Venturi Princípio de Operação O tubo de Venturi é um equipamento que pode ser usado para medir a velocidade de escoamento/vazão de determinado fluido, baseando-se na diferença de pressão gerada por diferentes áreas de seção transversal da tubulação. O funcionamento do tubo ocorre devido à diferença da seção transversal. Sabe-se também que, nesse equipamento, a região central do tubo é menor que as extremidades. Assim, a velocidade do escoamento ao longo da região central do tubo será maior, o que resulta em um menor campo de pressão, devido à concentração de energia do sistema. A diferença de pressão é registrada pela diferença de altura de coluna de líquido ao longo de um tubo em U, ela é utilizada para determinar a velocidade e vazão do escoamento. Partindo do princípio de que o tubo não possui diferenças de elevação, podemos escrever a equação de Bernoulli, da seguinte maneira: Onde: pn é a pressão exercida pelo fluido, ρ é a densidade do fluido e v representa a velocidade de escoamento do fluido. Analisando a equação acima, e considerando a região 1 como a de maior área e a 2 como a de menor área, podemos afirmar que para uma mesma vazão, quanto menor for a área, maior a velocidade de escoamento. Assim, levando em conta o exemplo acima, a velocidade de escoamento da região 2 será maior. A partir disso, para que a igualdade seja mantida (como demonstrada na equação de Bernoulli), a pressão na região 2 terá de ser menor. Essa diferença de pressão é utilizada para determinar a velocidade e vazão do escoamento. A ideia da equação pode ser exemplificada quando observamos um rio, onde, nas regiões onde a distância entre as margens é maior, a velocidade da correnteza é menor. Já em pontos onde as margens são mais próximas, a velocidade é claramente maior. A partir disso, podemos escrever os termos da equação como: onde os termos da equação são: ● v1 e v2 representam a velocidade de escoamento; ● A1 e A2 denotam a área de escoamento. Características Estruturais São dispositivos tubulares compostos por (de montante a jusante): 1. Um trecho cilíndrico (usualmente no diâmetro da tubulação) onde é feita a tomadada alta pressão (baixa velocidade); 2. Um trecho cônico, onde há um estreitamento do diâmetro do tubo; 3. Um trecho de diâmetro constante e estreitado onde é feita a tomada de baixa pressão (vena contracta – alta velocidade); 4. Um segundo trecho cônico, onde há um alargamento do diâmetro do tubo (usualmente até o diâmetro da tubulação). O tubo Venturi industrial é fabricado, geralmente, em aço carbono, aço Inox 304, 316, Duplex, Super Duplex e outros materiais, a depender do desejo do cliente, além das opções de pontas em bisel para solda ou flangeadas. Todos os diâmetros nominais estão disponíveis em conformidade com as normas relevantes. A espessura da tubulação precisa ser especificada pelo cliente. As normas cobrem os diâmetros de 2" … 48" (25 ... 1.200 mm) A tomada de pressão pode ser feita através de diversos pontos conectados por uma tubulação em anel denominada ANEL PIEZOMÉTRICO, que produz uma espécie de média das tomadas de pressão ao longo da seção transversal do tubo. Aplicação e Restrição As aplicações do tubo de Venturi são variadas, como em carros antigos, medidor de vazão em canos, aerógrafos e injetor de adubo, medição de ar de combustão de caldeiras, gases de pressão baixa e mensuração da água em tubulações grandes. O medidor de vazão é constituído de três partes: o cone de entrada, lugar da pressão alta e que eleva gradualmente a rapidez da substância; a garganta, local em que se faz a tomada de pressão baixa; e o cone de saída, que reduz progressivamente a velocidade até se igualar à entrada. Nesse processo se obtém o diferencial de pressão igual à vazão. Exatidão: ≤ ±0,5 % da vazão máxima. Tubo de Pitot É um instrumento de medição de velocidade muito utilizado para medir a velocidade de fluidos segundo modelos físicos simulados em laboratórios de hidráulica e aerodinâmica. Também usa-se em hidrologia, sendo capaz de medir indiretamente vazões em rios, canais, redes de abastecimento de água, adutoras e oleodutos. Princípio de Operação Pitot se baseia na conversão da energia cinética do escoamento em energia potencial. Essa conversão é feita através das equações de conservação de quantidade de movimento, que podem ser resumidas a equação de Bernoulli para o caso de escoamentos estacionários e invíscidos: (1) , onde p é a pressão, ρ é a densidade local do fluido e U a velocidade. No caso de escoamentos incompressíveis a equação pode ser integrada facilmente, assumindo a forma: (2), onde p é a pressão de estagnação (ou total) e p0 a pressão estática. A diferença entre a p e p0 é conhecida como pressão dinâmica. O termo do lado direito da equação (2) está relacionado a energia cinética do escoamento enquanto que os termos do lado esquerdo se referem a energia potencial. Essa formulação é válida para escoamentos onde os efeitos de compressibilidade do fluido são desprezíveis (U<0.2Ma), onde Ma é o número de Mach que é dado pela equação abaixo: (3) Vale lembrar que é a razão entre os calores específicos do fluido e a velocidade do som.λ Quando os efeitos de compressibilidade do escoamento são importantes a relação entre a pressão e velocidade dada pela equação (2) não é mais válida. Nesses casos a densidade não pode ser considerada como constante na solução da equação (1). Em regimes subsônicos de gases ideais pode-se assumir o escoamento como isentrópico de modo que a solução da equação (1) fica: (4) Características Estruturais O tubo de Pitot pode consistir num tubo em "L" com um único canal, permitindo medir apenas a pressão de estagnação (sendo necessário medir por outro meio a pressão estática) ou com dois canais e tomadas de pressão laterais para medir simultaneamente a pressão estática. Quando o tubo de Pitot coleta a pressão total em uma única tomada, diz-se que é uma sonda singela. Dispositivos que coletam a pressão total em várias tomadas denominam-se sondas múltiplas. A ideia é utilizar várias tomadas interconectadas ao longo do perfil da tubulação, de modo que a pressão medida na câmara interna é uma espécie de média do perfil do escoamento. O design mais conhecido de sonda múltipla é o tubo Annubar (marca registrada e patente da Emerson/Rosemount), que tem um perfil em “T”. Diâmetro nominal e espessura da tubulação Dimensões nominais de 50 ... 1.800 mm (2" ... 72") A espessura da tubulação precisa ser especificada pelo cliente. Aplicação e Restrição Tubos de Pitot são adequados para medição de vazão em qualquer diâmetro de tubulação ou faixa de vazão (desde que o escoamento seja monofásico). Não são adequados a fluídos com impurezas ou partículas em suspensão, que podem bloquear o tubo. Pitots tendem a acumular umidade quando em operação em ar, meios gasosos ou vapor e podem ser bloqueados por gelo em caso de expansão súbita do vapor (por perda de pressão) ou queda de temperatura Pitots utilizados em aviação normalmente têm aquecedores para impedir esse fenômeno. O tubo pitot é adequado para medição de fluidos monofásicos que preenchem completamente a seção transversal da tubulação. Pode ser usado em: 1. Produção de óleo e refino 2. Tratamento e distribuição de água 3. Processamento e transmissão de gases 4. Indústria química e petroquímica ■ Exatidão ±2 % da vazão real ■ Repetibilidade da medição de 0,1% Conclusão Concluindo, as Placas de Orifício são muito fáceis de serem instaladas e podem ser aplicadas em qualquer tubulação circular. Seu custo é baixo, sendo o medidor mais barato se comparado ao Venturi e ao Pitot. Entretanto, têm um custo de operação muito caro, posto que, que apresenta muita perda de carga. Além disso, este medidor não garante precisão, visto que, por conta de seu designer, tem dificuldade de medir baixas vazões. Outro problema, é a formação de vena contracta, que é um espaço onde podem se acumular substâncias com o tempo e, dependendo do fluido, formar produtos indesejáveis que podem comprometer o produto final. O Tubo de Venturi isolado atualmente é muito difícil encontrar aplicações, visto que, ele não é nada prático sem o sensor, pois, para pressões muito altas, precisa de muito espaço para funcionar. Uma de suas vantagens é a menor perda de carga, se comparado ao Placas por conta do seu estilo gradual. Já que, o fluido não se depara com graves acidentes ou quinas, pois o tubo se afunila suavemente. Outra vantagem, é o baixo custo com manutenção, posto que tem grande eficácia e durabilidade. Entretanto, o Tubo de Venturi deve ser feito sob medida e sua instalação tem um custo bem elevado, chegando a ser 20 vezes mais caro que o Placas. O Tubo Pitot uma de suas vantagens é a garantia de pouca perda de carga, visto que, precisa de um espaço inexpressivo para medir a vazão com exatidão, além de ter um baixo custo de instalação e perda mínima de pressão. Em aviões são utilizados com uma resistência no seu entorno, para que gotículas de água não congele e entupa-o. Essa tática também pode ser utilizada para contornar possíveis entupimentos na área industrial, dependendo do fluido passante. Bocais são dispositivos que conformam o fluxo de modo a criar uma configuração mais adequada à medição, propiciando maior sensibilidade com relação à pressão diferencial e uma vena contracta melhor definida. Referências: DELMÉE, G.J., Manual de Medição de Vazão, Editora Edgard Blücher Ltda, São Paulo, 1983. http://www.unirv.edu.br/conteudos/fckfiles/files/Dimensionamento%20de%20Pl aca%20de%20Orif%C3%ADcio%20-%20Alencar%20Marcial.pdf http://www.escoladavida.eng.br/mecflubasica/aula4_unidade5.htm https://www.wika.com.br/flc_fn_fln_flc_fn_pip_flc_fn_vn_pt_br.WIKA#:~:text=O %20bocal%20de%20vaz%C3%A3o%20%C3%A9%20geralmente%20utilizado%2 0para%20medi%C3%A7%C3%A3o%20de,e%20fluidos%20em%20altas%20tem peraturas. https://edisciplinas.usp.br/mod/resource/view.php?id=2709189 https://pt.wikipedia.org/wiki/Tubo_de_Venturi https://www.preparaenem.com/fisica/efeito-venturi.htm https://infoenem.com.br/funcionamento-e-aplicacoes-do-tubo-de-venturi/ http://lef.mec.puc-rio.br/wp-content/uploads/2015/06/anemometria.pdfhttps://www.wika.com.br/upload/DS_FL1004_pt_br_58072.pdf http://www.unirv.edu.br/conteudos/fckfiles/files/Dimensionamento%20de%20Placa%20de%20Orif%C3%ADcio%20-%20Alencar%20Marcial.pdf http://www.unirv.edu.br/conteudos/fckfiles/files/Dimensionamento%20de%20Placa%20de%20Orif%C3%ADcio%20-%20Alencar%20Marcial.pdf http://www.escoladavida.eng.br/mecflubasica/aula4_unidade5.htm https://www.wika.com.br/flc_fn_fln_flc_fn_pip_flc_fn_vn_pt_br.WIKA#:~:text=O%20bocal%20de%20vaz%C3%A3o%20%C3%A9%20geralmente%20utilizado%20para%20medi%C3%A7%C3%A3o%20de,e%20fluidos%20em%20altas%20temperaturas https://www.wika.com.br/flc_fn_fln_flc_fn_pip_flc_fn_vn_pt_br.WIKA#:~:text=O%20bocal%20de%20vaz%C3%A3o%20%C3%A9%20geralmente%20utilizado%20para%20medi%C3%A7%C3%A3o%20de,e%20fluidos%20em%20altas%20temperaturas https://www.wika.com.br/flc_fn_fln_flc_fn_pip_flc_fn_vn_pt_br.WIKA#:~:text=O%20bocal%20de%20vaz%C3%A3o%20%C3%A9%20geralmente%20utilizado%20para%20medi%C3%A7%C3%A3o%20de,e%20fluidos%20em%20altas%20temperaturas https://www.wika.com.br/flc_fn_fln_flc_fn_pip_flc_fn_vn_pt_br.WIKA#:~:text=O%20bocal%20de%20vaz%C3%A3o%20%C3%A9%20geralmente%20utilizado%20para%20medi%C3%A7%C3%A3o%20de,e%20fluidos%20em%20altas%20temperaturas https://edisciplinas.usp.br/mod/resource/view.php?id=2709189 https://pt.wikipedia.org/wiki/Tubo_de_Venturi https://www.preparaenem.com/fisica/efeito-venturi.htm https://infoenem.com.br/funcionamento-e-aplicacoes-do-tubo-de-venturi/ http://lef.mec.puc-rio.br/wp-content/uploads/2015/06/anemometria.pdf https://www.wika.com.br/upload/DS_FL1004_pt_br_58072.pdf https://www.ituflux.com.br/tubo-venturi-industrial#:~:text=Tamb%C3%A9m%20 chamado%20de%20medidor%20de,subst%C3%A2ncia%20que%20passa%20p or%20ele. https://www.ituflux.com.br/tubo-venturi-industrial#:~:text=Tamb%C3%A9m%20chamado%20de%20medidor%20de,subst%C3%A2ncia%20que%20passa%20por%20ele https://www.ituflux.com.br/tubo-venturi-industrial#:~:text=Tamb%C3%A9m%20chamado%20de%20medidor%20de,subst%C3%A2ncia%20que%20passa%20por%20ele https://www.ituflux.com.br/tubo-venturi-industrial#:~:text=Tamb%C3%A9m%20chamado%20de%20medidor%20de,subst%C3%A2ncia%20que%20passa%20por%20ele
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