Instrumentação Básica 2 Vazão Temperatura SENAI

Instrumentação Básica 2 Vazão Temperatura SENAI

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CPM – Programa de Certificação do Pessoal de Manutenção

Instrumentação Básica I Vazão, Temperatura e Analítica

Instrumentação

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Instrumentação Básica I - Vazão, Temperatura e Analítica – Instrumentação

Trabalho realizado em parceria SENAI / CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão)

Coordenação GeralEvandro de Figueiredo Neto (CST) Robson Santos Cardoso (SENAI)

Supervisão ...............................................(CST)

Fernando Tadeu Rios Dias (SENAI)

Elaboração(C ST)

Ulisses Barcelos Viana (SENAI)

Aprovação (CST) (CST) Wenceslau de Oliveira (CST)

SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial CTIIAF – Centro Técnico de Instrumentação Industrial Arivaldo Fontes Departamento Regional do Espírito Santo Av. Marechal Mascarenhas de Moraes, 2235 Bento Ferreira – Vitória – ES CEP Telefone: (027) Telefax: (027)

CST – Companhia Siderúrgica de Tubarão Departamento de Recursos Humanos Av. Brigadeiro Eduardo Gomes, s/n, Jardim Limoeiro – Serra – ES CEP 29160-972 Telefone: (027) 348-1286 Telefax: (027) 348-1077

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AssuntoPágina
Medição de Vazão6
Definição6
Conceitos Físicos Básicos para Medição de Vazão8
Tipos e características dos medidores de Vazão10
Medição de Vazão por Diferencial de Pressão10
Medição de Vazão por Área Variável42
Medidores de vazão tipo deslocamento positivo47
Medidores de Vazão por Impacto do Fluido51
Medidores Especiais53
Medição de Temperatura68
Conceito de Temperatura68
Escalas de Temperatura69
Medidores de Temperatura76
Termômetro de Dilatação de Líquido78
Termômetro a Dilatação de Sólido84
Termômetro a Pressão de Gás85
Termômetro à Pressão de Vapor87
Termômetro Tipo Bulbo de Resistência93
Termômetro tipo Termopar106
Termômetros de Contato Indireto145
Analisadores Industriais148
Sistema de Amostragem148
Analisadores de Gases por Condutibilidade Térmica169
Analisadores por absorção de Raios Infravermelhos184
Analisadores por Paramagnetismo202
Cromatografia225
Analisador de Líquidos231
Medidor de pH231

Índice Medidor de densidade específica......................................................... 237

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1 - INTRODUÇÃO

Na maioria das operações realizadas nos processos industriais é muito importante efetuar a medição e o controle da quantidade de fluxo de líquidos, gases e até sólidos granulados, não só para fins contábeis, como também para a verificação do rendimento do processo.

Assim, estão disponíveis no mercado diversas tecnologias de medição de vazão cada uma tendo sua aplicação mais adequada conforme as condições impostas pelo processo.

Neste capítulo abordaremos algumas destas tecnologias, suas aplicações, e os princípios físicos envolvidos, bem como os testes, calibração e suas interligações elétricas em forma de malhas de medição, registro, indicação e controle.

2 - DEFINIÇÃO

Vazão pode ser definida como sendo a quantidade volumétrica, mássica ou gravitacional de um fluido que passa através de uma seção de uma tubulação ou canal por unidade de tempo.

Observação: A vazão também pode ser obtida pelo resultado da multiplicação da área seccional pela média da velocidade do fluido.

2.1 - Vazão Volumétrica

É definida como sendo a quantidade em volume que escoa através de uma certa seção em um intervalo de tempo considerado. É representado pela letra Q e expressa pela seguinte equação:

Q = V t

Onde:

V = volume t = tempo

2.1.1 - Unidades de Vazão Volumétricas

As unidades de vazão volumétricas mais utilizadas são: m3/s, m3/h, l/h, l/min GPM, Nm3/h e SCFH.

Na medição de vazão volumétrica é importante referenciar as condições básicas de pressão e temperatura, principalmente para gases e vapor pois o volume de uma substância depende da pressão e temperatura a que está submetido.

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2.2 - 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:

Qm = m t

Onde: m = massa t = tempo

2.2.1 - Unidades de Vazão Mássica As unidades de vazão mássica mais utilizadas são: kg/s, kg/h, T/h e Lb/h.

2.3 - Relação Entre Unidades

A relação entre as unidades de medição de vazão volumétrica e mássica pode ser obtida pela seguinte expressão:

Qm = ρ . Qv Onde:

ρ = massa específica

2.4 - Vazão Gravitacional

É a quantidade em peso que passa por uma certa seção por unidade de tempo. É representada pela letra Qρ e expressa pela seguinte equação:

Qρ = W t

Onde: W = peso

2.5 - Unidade Gravitacional As unidades de vazão gravitacional mais utilizadas são: kgf/h e lbf/h.

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3 - CONCEITOS FÍSICOS BÁSICOS PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO

3.1 - Calor Específico

Define-se calor específico como o quociente da quantidade infinitesimal de calor fornecido a uma unidade de massa duma substância pela variação infinitesimal de temperatura resultante deste aquecimento.

Na prática, temos: A quantidade de calor necessária para mudar a temperatura de 1 grama de uma substância em 1ºC.

O conhecimento do calor específico de determinada substância é muito importante para um bom controle da vazão.

Para exemplificar, podemos citar o caso em que se deseja controlar a vazão de um fluido no estado gasoso, tendo uma placa de orifício como elemento primário.

É necessário que se conheça a relação “k” do calor específico do gás a ser medido, para podermos calcular o seu coeficiente de correção da expansão térmica, e posteriormente dimensionar a placa de orifício.

Esta relação do calor específico K é a relação do calor específico de um volume constante CV relativo ao calor específico da pressão constante CP do gás.

Equação ( 1 )

Onde: k = relação dos calores específicos CP = calor específico à pressão constante J/Kg x K CV = calor específico a volume constante J/kg x K K! Temperatura em Kelvin

3.2 - Viscosidade

É definida como sendo a resistência ao escoamento de um fluido em um duto qualquer. Esta resistência provocará uma perda de carga adicional que deverá ser considerada na medição de vazão.

3.2.1 - Viscosidade absoluta ou dinâmica

Define-se como sendo o atrito interno num fluido, que se opõe ao movimento relativo de suas moléculas e ao movimento de corpos sólidos que nele estejam. É representada pela letra grega µ (mi).

3.2.2 - Unidade absoluta ou dinâmica As unidades de viscosidade dinâmicas mais utilizadas na indústria são:

Pa . s,Poise dyna.S

k = CP/CV

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3.2.3 - Viscosidade cinemática

É a relação entre a viscosidade absoluta e a massa específica de um fluido, tomados à mesma temperatura. É representada pela letra ν (ni).

3.2.4 - Unidade de Viscosidade Cinemática As unidades de viscosidade cinemática mais utilizadas na indústria são: m2/s, stoke (cm2/s) e centistoke.

3.3 - Tipos de Escoamento 3.3.1 - Regime Laminar

Se caracteriza por um escoamento em camadas planas ou concêntricas, dependendo da forma do duto, sem passagens das partículas do fluido de uma camada para outra e sem variação de velocidade, para determinada vazão.

3.3.2 - Regime Turbulento

Se caracteriza por uma mistura intensa do líquido e oscilações de velocidade e pressão. O movimento das partículas é desordenado e sem trajetória definida.

3.4 - Número de Reynolds

Número adimensional utilizado para determinar se o escoamento se processa em regime laminar ou turbulento. Sua determinação é importante como parâmetro modificador dos coeficiente de descarga.

Re = V.D ν

Onde:

V - velocidade (m/s) D - diâmetro do duto (m) ν - viscosidade cinemática (m2/s)

Observação: − Na prática, se Re > 2.320, o fluxo é turbulento, caso contrário é sempre laminar.

− Nas medições de vazão na indústria, o regime de escoamento é na maioria dos casos turbulento com Re > 5.0.

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3.5 - Distribuição de Velocidade em um Duto

Em regime de escoamento no interior de um duto, a velocidade não será a mesma em todos os pontos.

Será máxima no ponto central do duto e mínima na parede do duto. 3.5.1 - Regime Laminar

É caracterizado por um perfil de velocidade mais acentuado, onde as diferenças de velocidades são maiores.

Vx = Vmáx . 1x

Fig. 01

3.5.2 - Regime Turbulento

É caracterizado por um perfil de velocidade mais uniforme que o perfil laminar. Suas diferenças de velocidade são menores.

Vx = Vmáx . 1x R

Fig. 02

Observação:

Por estas duas fórmulas percebe-se que a velocidade de um fluido na superfície da seção de um duto é zero (0). Podemos entender o porque da velocidade nas paredes da tubulações considerando também o atrito existente entre o fluido e a superfície das tubulações.

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Fig. 03

Vx = velocidade num ponto qualquer da seção Vmáx = velocidade no eixo central da seção rx = raio da seção n = coeficiente variável que depende do número de Reynold.

TABELA - Relação entre Red e N

Red x 104 nNº REYNOLDS

Red x 104 n

2 . 557 . 064 . 008 . 8 10 . 547 . 370 . 009 . 0 20 . 568 . 084 . 409 . 2 32 . 008 . 3110 . 009 . 4 38 . 408 . 5152 . 009 . 7 39 . 568 . 5198 . 009 . 8 42 . 808 . 6235 . 209 . 8 53 . 608 . 8278 . 009 . 9 57 . 208 . 8307 . 009 . 9

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4 - TIPOS E CARACTERÍSTICAS DOS MEDIDORES DE VAZÃO Existem três tipos fundamentais de medidores de vazão: indiretos, diretos e especiais.

1 - Medidores indiretos utilizando fenômenos intimamente relacionados a quantidade de fluido passante

I - Perda de carga variável (área constante)

− Tubo Pitot − Tubo de Venturi

− Tubo de Dall

− Annubar

− Placa de orifício

I - Área variável (perda de carga constante) − Rotâmetro

2 - Medidores diretos de volume do fluido passante

I - Deslocamento positivo do fluido − Disco Nutante

− Pistão flutuante

− Rodas ovais

I – Velocidade pelo impacto do fluido − Tipo Hélice

− Tipo turbina

3 - Medidores especiais − Eletromagnetismo

− Vortex

− Ultra-sônico

− Calhas Parshall

− Coriolis

4.1 - Medição de Vazão por Perda de Carga Variável

Considerando-se uma tubulação com um fluido passante, chama-se perda de carga dessa tubulação a queda de pressão sofrida pelo fluido ao atravessá-la. As causas da perda de carga são: atrito entre o fluido e a parede interna do tubo, mudança de pressão e velocidade devido a uma curva ou um obstáculo, etc.

Os diversos medidores de perda de carga variável usam diferentes tipos de obstáculos ao fluxo do líquido, provocando uma queda de pressão. Relacionando essa perda de pressão com a vazão, determina-se a medição de vazão pela seguinte equação:

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Onde:

Q = vazão do fluido do local do estreitamento

K = constante P1 = Pressão Medida Pp = Pressão de Projeto T1= Temperatura medida Tp = Temperatura de projeto

∆P = perda de carga entre o fluxo, a montante e jusante do estreitamento.

fig 4

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4.1.1 - Medição de Vazão através do Tubo de Pitot

É um dispositivo utilizado para medição de vazão através da velocidade detectada em um determinado ponto de tubulação.

O tubo de Pitot é um tubo com uma abertura em sua extremidade, sendo esta, colocada na direção da corrente fluida de um duto, mas em sentido contrário. A diferença entre a pressão total e a pressão estática da linha nos fornecerá a pressão dinâmica a qual é proporcional ao quadrado da velocidade.

Fig. 05 - Pressão total, pressão estática e pressão dinâmica

Utilizando o tubo pitot, determina-se um diferencial de pressão, que corresponde a pressão dinâmica e com o valor dessa pressão através da fórmula abaixo, obtemos a velocidade de um ponto de medição.

PD = δV2

2g ou V2 = PDxg2δ para fluidos incompressíveis

Onde: PD = pressão dinâmica em kgf/cm2 δ = peso específico do fluido em kgf/m3 V = velocidade do fluido em m/s g = aceleração da gravidade m/s2

O tubo de Pitot mede apenas a velocidade do ponto de impacto e não a velocidade média do fluxo. Assim sendo, a indicação da vazão não será correta se o tubo de impacto não for colocado no ponto onde se encontra a velocidade média do fluxo.

Pesquisadores, concluíram que o valor da velocidade média seria 0,8 da velocidade máxima do duto.

Velocidade média = 0,8 * Velocidade máxima

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Através deste dado podemos concluir que para determinarmos a vazão em uma tubulação a partir da velocidade máxima da mesma bastaria multiplicarmos este valor (v máx) pelo fator 0,8 e em seguida multiplicarmos pela seção do tubo. Para a determinação da velocidade média em uma tubulação recomenda-se medir pelo menos em dois pontos perpendiculares conforme figura 06, fazendo a média destas velocidades teremos a velocidade média da tubulação.

Fig. 06 - Determinação de velocidade média

Em termos práticos, para se determinar a velocidade média do fluido no interior de um duto, utiliza-se a tomada de impacto do tubo de pitot entre 0,25 x D e 0,29D em relação a parede do tudo, pois nesta posição a velocidade do fluido se iguala à velocidade média do fluido.

Observação:

1. O eixo axial do tubo de pitot deve ser paralelo ao eixo axial da tubulação e livre de vibrações.

2. O fluido deverá estar presente em uma única fase (líquido, gás ou vapor) e ter velocidade entre 3 m/s a 30 m/s para gás e entre 0,1 m/s e 2,4 m/s para líquidos.

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4.1.2 - Annubar

Este dispositivo consiste em um pequeno par de pontos de prova sensoras de pressão montadas perpendicularmente ao fluxo.

Fig. 07 - Annubar

Características do Annubar

A barra sensora de pressão a jusante possui um orifício que está posicionado no centro do fluxo de modo a medir a pressão do fluxo a jusante. A barra sensora de pressão de montante possui vários orifícios, estes orifícios estão localizados criteriosamente ao longo da barra, de tal forma que cada um detecta a pressão total de um anel. Cada um destes anéis tem área da seção transversal exatamente igual às outras áreas anulares detectadas por cada orifício.

Outra característica do elemento de fluxo tipo Annubar é que quando bem projetado tem capacidade para detectar todas as vazões na tubulação a qual está instalado, sendo a vazão total a média das vazões detectadas.

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Fig. 08 - Distribuição das tomadas de fluxo para Annubar

4.1.3 - Tubo Venturi

A lei de VENTURI, como é chamada o princípio, foi formulada em 1797, como resultado das investigações de GIOVANNI BATISTA VENTURI, sobre problemas de hidráulica. Tem ela o seguinte enunciado:

“Os fluidos sob pressão, na passagem através de tubos convergentes; ganham velocidade e perdem pressão, ocorrendo o oposto em tubos divergentes”.

Foi somente na última metade do século XIX que CLEMENS HERSHEL, um engenheiro civil americano, percebeu o valor prático deste princípio, provou o respectivo emprego e adaptou-o na indústria.

Caso seja utilizado um tubo convergente ou restrição, num conduto através do qual passa um fluido, a sua velocidade aumenta enquanto passa pela seção menor, já que num dado tempo a mesma quantidade do fluido passa pelo tubo, tanto na seção menor como no trecho de diâmetro mais largo. Devido a velocidade maior do fluido ao passar através da seção estreita, possui ele mais energia potencial ou de pressão que, por conseguinte, cai. Se, portanto, for feita uma derivação no tubo de diâmetro maior e outra na seção que contém a restrição e medidores de pressão forem ligados às derivações, a pressão da seção, com restrição, será menor do que a pressão da seção com o diâmetro maior, e a diferença da pressão depende da vazão do fluido.

O tubo VENTURI combina dentro de uma unidade simples uma curta “garganta” estreitada entre duas seções cônicas e está usualmente instalada entre duas flanges, numa tubulação seu propósito é acelerar o fluido e temporariamente baixar sua pressão estática.

São fornecidas conexões apropriadas de pressão para observar a diferença nas pressões entre a entrada e a porta estreitada ou garganta.

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A figura 09 nos mostra as principais partes que formam o tubo VENTURI.

Fig. 09

4.1.3.1 - Tipos de tubo Venturi Os dois tipos mais utilizados de tubo Venturi são: a - Clássico (longo e curto) b - Retangular

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