Trabalho de Instrumentação - Mecânica dos Fluidos

Trabalho de Instrumentação - Mecânica dos Fluidos

(Parte 1 de 4)

Instrumentação Iury Sousa e Silva Página | 33

SUMÁRIO

  1. Introdução 2

  2. Fundamentação teórica 3

  3. Materiais e Métodos 10

  4. Resultados e discussão 15

  5. Conclusão 24

  6. Referências Bibliográficas 25

  7. Anexos 26

INTRODUÇÃO

O conhecimento dos equipamentos da indústria da Engenharia Química é de fator primordial para a formação acadêmica do aluno, assim, a utilização de técnica de instrumentação laboratorial, e de todos seus recursos para maximizar a precisão e a exatidão dos dados, é essencial para o profissional da Engenharia Química.

Para a aprendizagem da instrumentação para o Laboratório de Engenharia Química, foram realizados os seguintes procedimentos: calibração de bomba peristáltica, calibração de termopar, determinação de viscosidade de uma solução pelo viscosímetro, calibração de rotâmetros líquidos e gasosos e o cálculo de perda de carga de uma tubulação; como método para aumentar a eficiência da análise foi realizado repetições até chegar a um padrão de confiabilidade, na qual, poder-se-ia calcular o seu desvio padrão (diminuindo os erros das inúmeras repetições).

Deseja-se, com a presente prática, calibrar tais instrumentos, ou seja, obter a curva que fornece a relação entre a escala do equipamento e as vazões medidas. Para tanto, as vazões em vários pontos de tal escala foram calculadas medindo-se o tempo necessário para que o fluido proveniente do equipamento ocupasse certo volume de um recipiente volumétrico auxiliar (provetas e bolhômetro); e também encontrar o ponto de operação da bomba (ponto ótimo) de um sistema de fluido precisando considerar características do sistema (dimensões e tipo de tubulações, a existência de acessórios como válvulas, mudanças de percurso de escoamento, etc.), bem como verificar as pressões da bomba para vários valores de vazão.

Para essa análise de calibração o método utilizado foi o da regressão linear, ou seja, pelos dados obtidos vamos achar a equação da curva de calibração (linha de tendência/linha de regressão) para cada equipamento e acharmos o seu coeficiente de determinação (R²) que mostrará o ajuste da distribuição dos pontos em relação à curva de calibração, conseguindo a análise feita ser mais precisa e confiável.

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Bombas

Bombas são máquinas hidráulicas que conferem energia a um fluido com a finalidade de transporte, obedecendo às condições do processo. Elas recebem a energia de uma fonte motora e cedem parte dessa energia ao fluido sob forma de energia de pressão, cinética ou ambas. Atualmente existe uma grande diversidade de bombas, podemos dividi-las em dois grupos principais, as bombas centrífugas e bombas volumétricas. Nas bombas centrífugas, também conhecidas como Turbo-Bombas, a movimentação do fluído ocorre pela ação de forças que se desenvolvem em conseqüência da rotação de um eixo no qual é acoplado um disco rotor dotado de pás, palhetas ou hélices, o qual recebe o fluído pelo seu centro e o expulsa pela periferia. Nas bombas volumétricas, ou de deslocamento positivo, a movimentação do fluído é causada diretamente pela ação do órgão de impulsão, que obriga o fluído a executar o mesmo movimento a que está sujeito este impulsor (êmbolo, engrenagens, lóbulos, palhetas).

BOMBAS CENTRÍFUGAS

São caracterizadas por possuírem um órgão rotatório dotado de pás, chamado rotor, que exerce forças sobre o líquido que resultam da aceleração que lhe imprime. Essa aceleração, ao contrário do que se verifica nas bombas de deslocamento positivo, não possui a mesma direção e o mesmo sentido do movimento do líquido em contato com as pás. A descarga gerada depende das características da bomba, do número de rotações e das características do sistema de encanamento ao qual estiver ligada. As transformações de energia acontecem em virtude de duas partes principais da bomba: o impulsor e a voluta, ou difusor. O impulsor é a parte giratória que converte a energia do motor em energia cinética. A voluta ou difusor é a parte estacionária que converte a energia cinética em energia de pressão. Há várias formas de fazer a classificação das turbobombas. As bombas centrífugas são classificadas segundo a trajetória do líquido no rotor. As bombas centrífugas são usadas no bombeamento de água limpa, água do mar, condensados, óleos, lixívias, para pressões de até 16 kgf . cm-2 e temperatura de até 140oC. Existem bombas centrífugas também de voluta, para a indústria química e petroquímica, refinarias, indústria açucareira, para água quente até 300°C e pressões de até 25 kgf/cm2.

O líquido entra no bocal de sucção e, logo em seguida, no centro de um dispositivo rotativo conhecido como impulsor. Quando o impulsor gira, ele imprime uma rotação ao líquido situado nas cavidades entre as palhetas externas, proporcionando-lhe uma aceleração centrífuga. Cria-se uma área de baixa-pressão no olho do impulsor, causando mais fluxo de líquido através da entrada. Como as lâminas do impulsor são curvas, o fluido é impulsionado nas direções radial e tangencial pela força centrífuga.

Bombas Peristálticas

O sistema peristáltico é uma das mais antigas formas de dosagem, inventada pela própria natureza. Do esôfago ao intestino, nosso aparelho digestivo funciona pelo mesmo princípio, testado e aprovado por milhares de anos, com funcionamento intermitente e vida útil de muitas décadas.

A dosagem de produtos químicos em aplicações industriais, institucionais ou em laboratórios de pesquisa há muito tempo adotou a peristáltica por ser um método robusto, de fácil construção e manutenção, e por não colocar partes metálicas em contato com o produto dosado nem apresentar dificuldades com bolhas de ar na linha de dosagem.

De um lado da bomba ocorre a aspiração de produto da bombona. O rolete, pressionando a mangueira contra o cabeçote, cria um vácuo no lado de aspiração, puxando o produto a ser dosado para dentro da bomba.

Do lado direito da bomba ocorre a pressurização e injeção do produto. Com os roletes "empurrando" o ar ou produto que se encontra no cartucho, movimentam o conteúdo da mangueira de injeção.

Um fator decisivo do sistema peristáltico é que a bomba consegue movimentar o ar que eventualmente se encontra dentro do cartucho ou das mangueiras de aspiração/injeção. Quando a bomba é instalada ou uma nova bombona de produto é colocada, pode ocorrer a entrada de ar na linha de aspiração. Não é necessário sangrar o sistema, pois a própria bomba peristáltica pode expulsar este ar e encher a linha com produto líquido.

A bomba é composta por:

1. Cabeçote em forma de ferradura, para guiar a mangueira do cartucho hidráulico,

2. O próprio cartucho hidráulico, que é a mangueira na qual corre o produto a ser dosado;

3. Os roletes, montados no braço porta-rolete, que pressionam a mangueira do cartucho hidráulico contra o cabeçote;

4. O eixo central da bomba, que gira o braço porta-rolete;

5. Conexão para mangueira de aspiração da bombona (entrada da bomba);

6. Conexão para mangueira de injeção (saída da bomba);

Figura 1 – Bomba Peristáltica

Termopar

O termopar é um dispositivo constituído de dois condutores elétricos tendo duas junções, uma em ponto cuja temperatura deve ser medida, e outra a uma temperatura conhecida. A temperatura entre as duas junções é determinada pelas características do material e o potencial elétrico estabelecido.

Os termopares são dispositivos eletrônicos com larga aplicação para medição de temperatura. São baratos, podem medir uma vasta gama de temperaturas e podem ser substituídos sem introduzir erros relevantes. A sua maior limitação é a exa’tidão, uma vez que erros inferiores a 1 ºC são difíceis de obter. Uma termopilha é o nome que se dá a um conjunto de termopares ligados em série. Um exemplo da aplicação de termopares e termopilhas pode ser a medição de temperaturas em linhas de gás. O aspecto exterior de termopares comerciais inclui uma cabeça metálica onde são feitas ligações aos instrumentos de indicação, registro e controle, e um tubo (metálico ou cerâmico) que serve de proteção aos fios do termopar

Os principais aspectos de uma medição com termopar são ilustrados Fig. 2. Existe uma variedade de meios em que o termopar pode ser incorporado como um sensor capaz de medir temperatura de um sistema físico. Alguns detalhes da sua instalação são fundamentais para garantir a correta indicação da temperatura:

a) É necessário garantir que a junção de medição esteja numa condição isotérmica, daí a importância de imergir o termopar a uma profundidade adequada (grosseiramente entre 5 e 15 vezes seu diâmetro externo– incluindo as proteções).

b) Pelo fato de o transdutor responder a um gradiente de temperatura, ele deve ser conectado a dois sistemas físicos em duas temperaturas diferentes.

c) A junção de referência deve ser isotérmica para propiciar uma temperatura conhecida e para auxiliar na obtenção de uma interface do sinal, que isola o sensor da instrumentação.

Os termopares disponíveis no mercado têm os mais diversos formatos, desde os modelos com a junção a descoberto que têm baixo custo e proporcionam tempos de resposta rápidos, até aos modelos que estão incorporados em sondas. Está disponível uma grande variedade de sondas, adequadas para diferentes aplicações (industriais, científicas, investigação médica, etc...).

Quando se procede à escolha de um termopar deve-se ponderar qual o mais adequado para a aplicação desejada, segundo as características de cada tipo de termopar, tais como a gama de temperaturas suportada, a exactidão e a confiabilidade das leituras, entre outras. Em seguida fornece-se o nosso guia (com o seu quê de subjectivo) para os diferentes tipos de termopares.

Rotâmetro

O rotâmetro é o mais conhecido medidor de fluxo de área variável. Foi desenvolvido há já vários anos, mas só nos últimos 30 é que se verificou um maior progresso, permitindo que hoje ele possa ter utilização nas mais diversas situações e condições. O rotâmetro é constituído por um tubo cônico, com o diâmetro menor do lado de baixo, dentro do qual existe um flutuador ou bóia. É através da parte menor do tubo que o fluido entra. A bóia pode mover-se livremente na vertical, subindo ou descendo no tubo, conforme aumenta ou diminui o fluxo. O tubo possui uma escala de medida onde podemos ler diretamente  o valor do fluxo  através da borda de cima da bóia. Convém notar que a bóia terá que ter uma densidade superior à do fluido. Se o fluxo é constante, a diferença de pressão sobre a bóia iguala seu peso efetivo bóia e esta “fixa-se” na posição que define o fluxo. Quando o fluxo de caudal aumenta, aumenta também a força que atua na bóia. Esta força faz com que a bóia suba para uma posição mais acima. Quando o fluxo diminui a bóia muda de posição para baixo; logo, o fluxo é uma função da altura da bóia. O equilíbrio é atingido quando a diferença de pressão e o empuxo compensam a força gravitacional. Assim, a posição do flutuador indica a taxa de fluxo.

O Bolhômetro (tipo de rotâmetro a gás) éum dispositivo utilizado para medir a velocidade de fluxo do ar de acordo com a movimentação, cronometrada, de bolhas de sabão no interior de um cilindro graduado. O bolhômetro em geral tem sido empregado como um método de referência. As fontes de erro do bolhômetro são de cronometria, de aumento de volume gasoso, causado pela evaporação da água e da diminuição do volume gasoso por pressurização, visto que a “bolha” precisa ser empurrada 103 através do tubo cilíndrico, à pipeta graduada. Para o uso do bolhômetro, costuma-se molhar a face interna da pipeta com água e sabão e após o escorrimento da solução a pipeta é encaixada no tubo, para medir o fluxo de ar. O fluxo é obtido como a razão entre o volume percorrido pela “bolha” e o tempo despendido.

Figura 3 – Rotâmetro

Em suma, o principio de funcionamento do rotâmetro baseia-se na força de arrastamento que o fluido exerce sobre a bóia, móvel, dentro de uma secção variável de escoamento. Nestes medidores a variação de pressão é constante. Estes baseiam-se na variação da área de passagem do fluido entre a parede do tubo e a bóia, com a altura (posição) da bóia.  

Os rotâmetros são bastante utilizados na indústria química, farmacêutica, petroquímica, alimentar, mecânica. São também bastante comuns em laboratórios  e no tratamento de águas.

No que diz respeito à máquina injetora (moldagem de termoplásticos), o rotâmetro é um equipamento auxiliar, independente, que serve para auxiliar o controle do resfriamento do molde. Consiste em uma série de tubos transparentes, válvulas de regulagem de vazão na entrada e na saída de cada tudo e termômetros. Colocada entre a fonte de água e o molde, o rotâmetro mede e regula (manualmente) a vazão do fluido refrigerante em cada canal do sistema de resfriamento do molde, bem como efetua a leitura de suas temperaturas de saída (a temperatura de entrada é aproximadamente igual à lida no termômetro da unidade de controle da temperatura). O rotâmetro não permite a regulagem da temperatura do fluido, o que deve ser feito na unidade de controle de temperatura. O número de entradas e saídas deve ser igual ao número de entradas e saídas de mangueiras no molde, embora possa se dividir uma saída do rotâmetro para duas ou mais entradas no molde.

Nos rotâmetros de laboratórios de injeção, a vazão é controlada pela altura a que chegam anéis metálicos dentro dos tubos. O valor da vazão é lido em uma escala marcada no próprio tubo, que deve ser convertida por uma tabela auxiliar para se achar a vazão em litros por hora. Uma vez acertado o padrão de vazão e temperatura para os canais de resfriamento do molde, não mais se deve modifica-lo, sempre o repetindo cada vez que o molde for colocado em serviço, para garantir uma uniformidade da produção, ao menos no que tange aos defeitos e problemas relacionados à troca de calor no molde. Os anéis vermelhos presentes de forma externa aos tubos atuam como uma marca para a vazão correta pré-determinada.

Viscosímetro

O instrumento utilizado para determinação da viscosidade de um líquido desconhecido foi o viscosímetro de Ostwald (fig. 4). Seu funcionamento consiste em medir o intervalo de tempo que o volume de um fluido contido num dos bojos superiores leva para escoar através do capilar. Dependendo do fluido, viscosímetros com capilares de diferentes diâmetros podem ser utilizados.

Figura 4 - Viscosímetro de Ostwald.

Em posse do tempo decorrido pelo líquido desconhecido para percorrer o trecho indicado do viscosímetro e de sua densidade, juntamente com o tempo decorrido por um liquido de referência (que seja conhecido a viscosidade e densidade), pode-se utilizar a equação 1 para o cálculo da viscosidade do líquido desconhecido.

(Equação 1)

Se o escoamento não obedece ao regime laminar , a equação 1 não é válida, portanto é importante certificar tal exigência. Em geral, para tubos cilíndricos regulares e retilíneos, de raio r, o escoamento de um fluido deixa de ser laminar, passando a ser turbulento.

Perda de Carga

Os escoamentos completamente limitados por superfícies sólidas são denominados internos. Assim, os escoamentos internos incluem aqueles através de tubos, dutos, bocais, difusores, contrações súbitas e expansões, válvulas e acessórios.

O número de Reynolds (Eq. 1) é um importante parâmetro empregado para se definir o tipo de regime do escoamento interno: se laminar ou se turbulento. Embora a maioria dos escoamentos internos de interesse da engenharia sejam turbulentos, os laminares podem ser importantes em aplicações como lubrificação ou processos químicos. Um escoamento laminar é aquele no qual o fluido escoa em laminae, ou camadas, não havendo mistura macroscópica de camadas adjacentes de fluido. Visualmente, isso poderia ser constatado ao se injetar uma pequena quantidade de corante no escoamento. Observar-se-ia pouca dispersão do corante, permanecendo este num único filamento, o que só é possível se o escoamento for mantido isento de perturbações. Para tanto, contribuem as baixas vazões, motivo pelo qual se relaciona o escoamento laminar a baixos números de Reynolds. Contrariamente, números de Reynolds altos relacionam-se a escoamentos turbulentos. Sob condições normais (na maioria das situações de escoamento, nas aplicações da engenharia), a transição de laminar para turbulento se dá em Re ≈ 2300.

Re = ρ<v>D/μ (Equação. 2)

Na Equação 2, ρ, μ, <v>, D são, respectivamente, a densidade, a viscosidade e a velocidade média do líquido em escoamento, e o diâmetro da tubulação.

O escoamento sem atrito é o caso ideal no qual se poderia aplicar a equação de Bernoulli, determinando-se facilmente os efeitos das variações de elevação e de velocidade sobre a pressão. No caso dos escoamentos reais, têm-se os efeitos do atrito, que provocam a queda de pressão, ocorrendo perda de energia mecânica (perda de carga).

A perda de carga total, hlT, é considerada como a soma das perdas distribuídas (ou perdas primárias), hl, devidas ao atrito em porções de área constante do sistema, com as perdas localizadas (ou perdas secundárias), hlm, devidas ao atrito através das porções do sistema de área não constante (entradas, acessórios, expansões e contrações etc.).

As perdas primárias (Eq. 3) dependem do tipo de tubulação (ferro fundido, aço comercial, ferro galvanizado, calha de madeira, concreto, etc.), do seu diâmetro e do número de Reynolds. A dependência com o número de Reynolds e o tipo de material da tubulação é expressa pelo fato de atrito, que deve ser obtido do diagrama de Moody: f = F(Re; ℮/D), onde ℮/D é a rugosidade relativa, dependente do material e seu diâmetro.

hl = 0,5f(L/D)<v>2 (Equação 3)

As perdas secundárias são calculadas pelas equações abaixo, nas quais K e (Le/D) são fatores adimensionais que podem ser obtidos de tabelas para os variados tipos de válvulas, conexões, expansões, contrações, etc.

hlm = 0,5<v>2K (Equação 4.1)

hlm = 0,5(Le/D)<v>2f (Equação 4.2)

MATERIAIS E MÉTODOS

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