Apostila Instrumentação Industrial

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Figura 19 – Monitoramento com Manômetros

9 PM = 30 Pa e PJ = 20 Pa. 9 Água como fluido corrente.

9 Ø do orifício = 30 m. 9 Aceleração da gravidade 9,81 m/s2.

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RESOLUÇÃO 1. Substituindo os valores na “Equação 09” temos:

TUBO DE 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”.

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 eu 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.

Figura 20 – Configuração de um Tubo de Venturi.

gACQ JM

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Os dois tipos mais utilizados de tubo Venturi são:

9 Clássico Longo; 9 Clássico Curto;

CLÁSSICO LONGO: o difusor aumenta progressivamente até igualar-se ao diâmetro da tubulação:

Figura 21 – Tubo de Venturi com Difusor Longo. CLÁSSICO CURTO: o tipo curto tem o difusor truncado.

Figura 21 – Tubo de Venturi com Difusor Curto.

Outro tipo usado é o do “TIPO RETANGULAR” utilizado em dutos de configuração retangular como os utilizados para ar em caldeira a vapor.

Figura 2 – Tubo de Venturi Retangular.

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CARACTERÍSTICAS DO TUBO VENTURI: o tubo VENTURI apresenta algumas vantagens em relação a outros medidores de perda de carga variável como:

9 Boa precisão (0,75%); 9 Resistência a abrasão e ao acúmulo de poeira ou sedimentos; 9 Capacidade de medição de grandes escoamentos de líquidos em grandes tubulações; 9 Permite medição de vazão 60% superiores à placa de orifício nas mesmas condições de serviço, porém com perda de carga de no máximo 20% do. P.

Algumas das desvantagens no tubo VENTURI:

9 Custo elevado (20 vezes mais caros que uma placa de orifício); 9 Dimensões grandes e incômodas; 9 Dificuldade de troca uma vez instalado.

NOTA: Os métodos para a obtenção da vazão utilizando o “TUBO DE VENTURI” são análogos aos já vistos com as “PLACAS DE ORIFÍCIO”.

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.

Figura 23 – Configuração de um Tubo de Pitot.

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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.

(Equação 10)

Onde: PD = pressão dinâmica [kgf/cm2] γ = peso específico do fuido em [kfg/m3]

V = velocidade do fuido em [m/s] g = aceleração da gravidade em [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. Outra forma de calcularmos a velocidade de escoamento de um fluido em um tubo de

Pitot é a utilização da equação de Bernoulli, aplicando-a nos pontos P1 e P2 temos:

Figura 24 – Configuração de um Tubo de Pitot P1 e P2. mas V2 = 0 e P1 – P2 = ρgΔh γ γ gPDVg VPD 2

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(Equação 1) Onde:

V1 = velocidade de escoamento no ponto 1 em [m/s] Δh = diferença da pressão anotada no tubo “U” em [m] g = aceleração da gravidade em [m/s2]

A vazão neste tipo de sistema pode ser obtida multiplicando a velocidade de escoamento pela área da secção transversal no mesmo ponto.

(Equação 12)

Onde: Q = vazão em [m3/s]

V1 = velocidade de escoamento do fluido no ponto 1 em [m/s] A1 = área da secção transversal no ponto 1 (tubulação) em [m2]

TUBO DE DALL: em época mais recente foi desenvolvido um dispositivo conhecido como tubo de DALL, para proporcionar uma recuperação de pressão muito maior do que a obtida por um tubo VENTURI. Diferentemente do tubo VENTURI, que apresenta garganta paralela, o tubo de DALL é desprovido de garganta, é menor e mais simples. Possui um curto cone de convergência, que começa em diâmetro algo inferior diâmetro de conduto uma derivação no tubo, nesse ponto. Há a seguir um espaço anular na “garganta”, seguido pelo cone divergente, o fluido ao passar pelo tubo, pode entrar pelo espaço anular entre o tubo de DALL que funciona como um revestimento interno do tubo e, este último transmitindo assim, uma pressão média, do “gargalo”, ao instrumento de medida através de uma derivação no tubo, nesse ponto.

Figura 25 – Configuração de um Tubo de DALL.

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9 Para tubulações de diâmetro pequeno onde o limite do número de REYNOLDS é 50.0, para tubulações com diâmetros superiores, o número de REYBOLDS é ilimitado.

9 Não utilizável para fluidos contendo sólidos, o qual sedimenta-se na garganta ovalada e causa erosão no canto vivo.

9 A tomada de alta pressão do tubo de DALL, encontra-se localizada na entrada da parte convergente do tubo.

9 A tomada de baixa pressão encontra-se localizada no final do cone convergente, “gargalo”, início do cone divergente.

9 A mesma é disposta através de um anel perfurado do qual nos dá a média das pressões medidas

Figura 26 – Pontos onde se tem a Tomada de Alta e Baixa Pressão no Tubo de DALL.

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

Figura 27 – 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.

Figura 27 – Distribuição das Tomadas de Fluxo para o Annubar

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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Vamos abordar alguns dos instrumentos medidores de vazão mais comumente utilizados no qual o conceito básico para se extrair a medida de vazão é através variação da área, mantendo a perda de carga constante.

ROTÂMETRO: em sua mais simples elementar forma, o rotâmetro consiste de duas partes:

9 Um tubo de vidro cônico colocado verticalmente na tubulação, cuja extremidade maior é dirigida para cima 9 Um flutuador livre, que se move verticalmente no tubo de vidro cônico

Nos rotâmetros é difícil o acúmulo de impurezas, devido à velocidade do fluido e ao deslocamento do flutuador e garantia da precisão do rotâmetro está na leitura direta da vazão.

Figura 28 – Diagrama de Funcionamento de um Rotâmetro

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A vazão em um rotâmetro pode ser obtida pela expressão:

(Equação 13)

Onde: Q: vazão (m3/s) C: coeficiente de descarga A: área anelar do flutuador (m2) h: altura do flutuador (m) W: peso do flutuador (kg) g: aceleração da gravidade (9.81m/s2)

São instrumentos de medição de vazão que se utilizam da movimentação do fluido para a obtenção dos valores.

RODAS OVAIS: este transdutor permite a medição de vazão de forma direta sem a dependência de outros fatores como densidade, PH, etc, mediante ao deslocamento positivo das engrenagens ovais sob a influência da passagem do fluido, são empregados na medição de vazão para fluídos viscosos, em que é freqüente a dificuldade de aplicar outros tipos de medidores. A vazão é extraída em função da diferença de pressão entre montante e jusante.

Figura 29 – Diagrama de Funcionamento das Rodas Ovais

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São transdutores que se utilizam do impacto do fluido sobre elementos como paletas, hélices, etc..

TURBINA: São transdutores usados apenas para fluídos líquidos, são constituídos de um gerador a imã permanente colocado em rotação pelo líquido, que atua sobre as paletas. O rotor induz uma tensão alternada com freqüência variável nos terminais de uma bobina colocada externamente ao invólucro da tubulação, que é de material magnético. A freqüência é proporcional à velocidade média do líquido e conseqüentemente, proporcional à vazão.

Figura 30 – Diagrama de Funcionamento de uma Turbina MEDIDORES ESPECIAIS

São instrumentos que fazer uso de conceitos eletro-magnético, ultra-sônico, Fio quente, entre outros para a obtenção da vazão.

ELETRO-MAGNÉTICO INDUTIVO: Este tipo de transdutor é usado com fluidos eletrolíticos. É constituído de uma seção de tubo não magnético e não condutor, no qual são colocados duas bobinas e um anel de ferro laminado. O campo magnético é gerado pela bobina alimentada por uma corrente alternada, induz, pelo efeito velocidade do fluxo condutor, uma tensão vêm dessa fonte conectada a dois eletrodos colocados sobre o eixo ortogonal ao campo magnético e da velocidade.

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Figura 31 – Diagrama de Funcionamento de Eletro Magnético Indutivo.

A tensão na saída que pode ser relacionada à valores de vazão pode ser expressa pela relação:

(Equação 13)

Onde: E: tensão em [V] K: constante de proporcionalidade d: comprimento do condutor em [m] B: Campo magnético v: velocidade do fluxo condutor [m/s]

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EXERCÍCIOS 1. Relacione os conceitos aos tipos de medição de vazão.

a. Vazão Volumétrica ()

É a quantidade em peso que passa por uma certa seção por unidade de tempo.

b. Vazão Mássica ()

É a quantidade em peso que passa por uma certa seção por unidade de tempo.

c. Vazão Gravitacional () É definida como sendo a quantidade em

volume que escoa através de certa seção em um intervalo de tempo considerado.

2. Relacione as unidades de medida.

a. Vazão Mássica () [m3/s]
b. Vazão Gravitacional () [kg/s]
c. Vazão Volumétrica () [Kgf/h]

3. Calcule a vazão de um fluído que escoa através de um tubo de PITOT, sendo que a tubulação mede 2” de diâmetro e a pressão dinâmica é de Δh = 10 m.

4. Por uma secção escoam 47 m3/h de água. Determine a vazão volumétrica em [m3/s] e mássica em [kg/s].

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5. Um manômetro diferencial apresenta em seu mostrador o valor de 100 KPa e está instalado em uma tubulação com diâmetro de 4” e um orifício calibrado com diâmetro quatro vezes menor, sendo o fluido corrente água determine a vazão.

6. Em uma tubulação com raio igual a 100 m é instalada uma placa de orifício com diâmetro de 100 m. Observando o tubo em “U”, foi anotada uma variação da altura da coluna líquida (pressão dinâmica) de 25 m, sendo o fluido corrente água determine a vazão.

7. Em uma tubulação está instalado um rotâmetro no qual foi observado um deslocamento ascendente em seu flutuador de 5 cm. Sabe-se que o fluído em questão é água, o diâmetro da secção anelar do flutuador é de 3 cm e possui peso igual a 100 gramas. Determine a vazão do processo.

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Os dispositivos de medida de nível medem ou a posição da superfície do líquido em relação a um ponto de referência ou a leitura hidrostática criada pelo líquido cuja superfície se deseja conhecer, os métodos de medição de nível podem ser classificados como, medidores diretos e medidores indiretos.

MEDIDA DIRETA: se caracterizam pela obtenção do nível de fluido diretamente com auxílio de mecanismos como, bóias, visores de nível, contato de eletrodos, entre outros.

VISORES DE NÍVEL: Os visores de nível baseiam-se no princípio dos vasos comunicantes. Não se deve usar em locais onde o visor constitua perigo com sua quebra e não devem ser aplicados em reservatórios onde o líquido ofereça perigo ao escapar do interior do visor.

Figura 32 – Medição Através de Visores de Nível.

BÓIAS: é o sistema mais comum de medição de nível e sua grande vantagem é ser praticamente isenta do efeito de variação de densidade do líquido e ser adequada para medir grandes variações de nível, da ordem de até 30 m. Uma de suas desvantagens é ser muito sensível à agitação do líquido. As medidas de nível para estes tipos de instrumentos poderem ser obtidas diretamente mediante uma escala graduada (Figura 3) ou através de um circuito elétrico dotado de um Potenciométrico o qual diante da variação da resistência é possível estabelecer uma relação com o nível (Figura 34).

Figura 3 – Medição Através de Escala

Figura 34 – Medição Através de Potenciométrico

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MEDIDA INDIRETA: se caracterizam pela obtenção do nível de fluido com o auxílio de outros elementos sensores, os quais podem se estabelecer uma relação entre a variação no elemento sensor e o nível. Estas medições podem ser obtidas por meio de pressão estática no fundo dos tanques, como, borbulhamento, caixa de diafragma, por meio de medição de empuxo através da utilização de um corpo imerso e ainda através de medidores especiais como capacitância variável, isótopos radioativos entre outros tipos de efeitos que estudaremos no futuro.

BORBULHAMENTO PARA RECIPIENTES ABERTOS: este método é utilizado quando a densidade do líquido é constante. Consiste em se introduzir no líquido, cujo nível se quer medir, uma tubulação com alimentação de ar, a pressão constante e cuja vazão é também mantida constante por um regulador. De acordo com a pressão hidrostática do líquido, haverá borbulhamento do ar pela extremidade inferior da tubulação e a pressão no manômetro estará em equilíbrio com a pressão exercida pelo líquido no fundo do reservatório. A pressão de alimentação de ar deverá ser obviamente, maior que aquela gerada pela altura útil do reservatório. O regulador de vazão é utilizado com a finalidade de:

9 Evitar a formação de bolhas grandes, que provocariam oscilação na pressão manométrica; 9 Evitar perda de carga ao longo da tubulação, através de uma baixa vazão.

Figura 35 – Medição Através do Processo de Borbulhamento (RA)

A obtenção do nível pode ser obtida através do conceito de pressão hidrostática, uma vez que a pressão injetada no tanque é conhecida e o fluido também a relação pode ser expressa por:

(Equação 14)

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