Elementos primarios de vazao

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(Parte 2 de 5)

A
ORIFÍCIO

O O R ±% FE CANTO VIVO >1.1/2 A C A C B B C C A A 1.5 10000 METER RUN 1/2 - 1.1/2 A C A B C B C C T T 1.5 - 2 1000 1/4 DE CÍRCULO >1.1/2 C C A A B B C C É É 2 250 ENTRADA CÔNICA >1.1/2 C C A A B B C C 2 25 EXCÊNTRICO >2 B A B C A B C C 5 4 2 10000 SEGMENTAL >4 B A B C A B C C 4 2 2 10000 VENTURI >2 A B A B B B B B 0 0 1 - 2 75000 BOCAL >2 A B A B B B C C C KG/CM 1 - 2 10000 ANNUBAR >4 A C A C C B C C VER CAT 02 2.25 10000

A = RECOMENDADOB = NORMALMENTE APLICADO C = NÃO RECOMENDADO

Segundo R. W. Miller (1983), a perda de carga permanente dos elementos geradores de pressão diferencial pode ser obtida a partir das equações:

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- orifício: ∆P = ( 1 - 0.24β - 0.52β2 - 0.16β3 ) ∆P - bocal: ∆P = ( 1 + 0.014β - 2.06β2 + 1.18β3 ) ∆P

- venturi: cone saída 15o ∆P = ( 0.436 - 0.86β + 0.59β2 ) ∆P cone saída 7o ∆P = ( 0.218 - 0.42β + 0.38β2 ) ∆P - annubar: geralmente desprezível

Onde: ∆P = perda de carga permanente

∆P = diferencial de pressão β = relação entre os diâmetros do orifício e do interno da linha A perda de permanente pode ser apresentada sob a forma de um gráfico.

Exemplo: Dados Ö β = 0.7; vazão de cálculo (fundo de escala) = Q = 150m3/h; vazão normal = 100m3/h; pressão diferencial de cálculo = ∆P = 2500 mmca com placa de canto vivo. Calcular a perda de carga permanente na vazão normal, usando o gráfico.

A equação Q = K (∆P)0.5 permite obter K = Q / (∆P)0.5 = 150 / (2500)0.5 logo K = 3. Pela equação acima obtemos ∆P = (Q / K)2. O diferencial de pressão para a vazão normal será : ∆P = (100 / 3)2 = 1 mmca. O gráfico mostra perda de carga de 48%. Logo ∆P = (0.48)(1) = 533 mmca.

H - TRECHOS RETOS Os trechos retos mínimos requeridos na montante e juzante dependem do tipo do elemento primário selecionado, da relação β e do tipo de perturbação na montante. Os trechos retos mínimos para orifícios, bocais e tubos de Venturi são determinados pelas normas ANSI/ASME 2530 e ISO 5167, sendo esta a mais exigente.

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ANSI/ASME 2530 As figuras H1 até H5 apresentam os trechos retos mínimos recomendados para orifícios, bocais e

Venturis, com e sem retificadores de fluxo (para Annubar consultar o catálogo 02). Sugerimos escolher a composição mais próxima da instalação existente ou planejada e determinar os trechos retos mínimos.

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ISO 5167 Os trechos retos mínimos recomendados pela ISO 5167 são mostrados nas tabelas H1 (placas de orifício e bocais) e H2 (tubo de Venturi). A prática recomenda operar com grandes trechos retos; a combinação de curvas, válvulas de controle, registros e expansões podem causar grandes distorções no perfil de velocidade do fluído, exigindo o uso de retificadores de fluxo.

TABELA H1 - TRECHOS RETOS MÍNIMOS P/ PLACAS DE ORIFÍCIO E BOCAIS, EM DIÂMETROS DE TUBO

MONTANTE
JUZANTE
TODOS OS DISTÚRBIOS DA TABELA 4 5 5 6 6 6 6 7 7 7 8 8

≤0.25 0.300.350.400.450.500.5 0.60 0.65 0.700.750.80 CURVA SIMPLES 90º 10 10 12 14 14 14 16 18 2 28 36 46 2 OU MAIS CURVAS 90º NO MESMO PLANO 14 16 16 18 18 20 2 26 32 36 42 50 2 OU MAIS CURVAS 90º EM PLANOS DIFERENTES 34 34 36 36 38 40 4 48 54 62 70 80 REDUÇÃO (2D PARA D COMPR 1.5D ATÉ 3D) 5 5 5 5 5 6 8 9 1 14 2 30 EXPANSÃO (0.5D PARA D COMPR 1D ATÉ 2D) 16 16 16 16 17 18 20 2 25 30 38 54 VÁLVULA GLOBO 100% DE ABERTURA 18 18 18 20 20 2 24 26 28 32 36 4 VÁLVULA GAVETA 100% DE ABERTURA 12 12 12 12 12 12 14 14 16 20 24 30

TRECHO RETO MÍNIMO NA MONTANTE – TODOS OS VALORES DE β REDUÇÃO SIMÉTRICA E BRUSCA COM RELAÇÃO DE DIÂMETROS ≥ 0.5 30 D

POÇO TERMOMÉTRICO DE DIÂMETRO ≤ 0.03 D 5 D POÇO TERMOMÉTRICO DE DIÂMETRO ENTRE 0.03 D E 0.13 D 20 D

TABELA H2 - TRECHOS RETOS MÍNIMOS PARA TUBOS DE VENTURI, EM DIÂMETROS DE TUBO

MONTANTE
CURVA SIMPLES 90º(1) 0.5 0.5 0.5 1 1.5 2.5 3 4 4 4.5

DISTÚRBIO RELAÇÃO β 0.300.350.400.450.500.5 0.60 0.65 0.700.75 2 OU MAIS CURVAS 90º NO MESMO PLANO (1) 1.5 1.5 1.5 1.5 2.5 2.5 3.5 4.5 4.5 4.5 2 OU MAIS CURVAS 90º EM PLANOS DIFERENTES (1) (2)0.5 0.5 0.5 0.5 8.5 13 18 24 28 30 REDUÇÃO (3D PARA D COMPR 3.5D) (3) 0.5 1.5 2.5 4.5 5.5 6.5 8.5 9.5 1 12 EXPANSÃO (0.75D PARA D COMPR 1D) 1.5 1.5 1.5 2.5 2.5 3.5 3.5 4.5 5.5 6.5 VÁLVULA GAVETA 100% DE ABERTURA 1.5 2.5 2.5 3.5 3.5 4.5 4.5 4.5 5.5 5.5

1 – O raio de curvatura da curva deve ser igual ou maior que o diâmetro do tubo. 2 – Valores válidos para incerteza adicional de 0.5% no coeficiente de vazão.

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3 – Para o β de 0.30 não usar valor menor que 0.5, mesmo admitindo incerteza adicional. 4 – Conexões ou outros distúrbios, como apresentados na tabela, não interferem na precisão da medida quando localizados na juzante e distantes, pelo menos, 4d da tomada de baixa pressão.

I - TUBOS I1- DIÂMETRO INTERNO MÉDIO

A norma ISO 5167-1980 estabelece critérios para a obtenção do valor do diâmetro interno do tubo que deve ser usado no cálculo do elemento primário.

O valor do diâmetro interno do tubo D deve ser a média dos diâmetros internos em uma distância de 0.5D na montante da tomada de alta pressão. Para obter o diâmetro interno médio são necessárias, pelo menos, 12 medições: - ao nível da tomada de alta pressão: executar, no mínimo, a medição de 4 diâmetros com espaçamentos iguais; - repetir a operação na seção transversal distante 0.5D da tomada de alta pressão, no sentido da montante desta. - repetir a operação em seção transversal situada entre as duas anteriores. O valor do diâmetro interno médio será:

D1 + D2 ++ D12

D = 12

(I-1)

I2 – CONCENTRICIDADE DO TUBO (ISO 5167)

PLACAS DE ORIFÍCIO E BOCAIS – MONTANTE Dentro da faixa de 2D, na montante do elemento primário, todo diâmetro medido, em qualquer plano, não deve diferir por mais de 0.3% do diâmetro médio, como calculado pela equação (I-1):

0.997D ≤ D1 , D2 , ... Dn ≤ 1.003D (I-2)

VENTURI - MONTANTE O tubo deve ser cilíndrico no trecho de 2D na montante da junção com o cilindro de entrada do Venturi.

O diâmetro médio do tubo D, na junção com o Venturi, deve estar dentro de 1% do diâmetro do cilindro de entrada. Na distância de 2D, que precede o tubo de Venturi, nenhum diâmetro deve diferir por mais de ± 2% do diâmetro médio obtido.

PLACAS DE ORIFÍCIO E BOCAIS - JUZANTE Nenhum diâmetro à juzante do elemento primário, considerando trecho reto mínimo de 2D, deve diferir por mais de 3% do diâmetro médio montante, bastando a medição de um único diâmetro no trecho juzante.

VENTURI - JUZANTE O diâmetro do tubo, imediatamente à juzante do Venturi, deverá ser maior ou igual a 90% do diâmetro final do cone divergente.

I3 – RUGOSIDADE DA PAREDE INTERNA DO TUBO

RUGOSIDADE EQUIVALENTE: É normalmente aplicável para tubos, sendo expressa em unidades de comprimento; é dependente da altura, distribuição, angularidade e outros aspectos geométricos que influenciam na rugosidade. A TAB I-1 apresenta o valor da rugosidade equivalente para os materiais normais do mercado.

MATERIAL CONDIÇÃORUGOSIDADE EM M

TAB I-1 RUGOSIDADE EQUIVALENTE DA PAREDE INTERNA DO TUBO LATÃO, COBRE, ALUMÍNIO, PLÁSTICO E VIDRO LISO, SEM SEDIMENTOS < 0.03

AÇO COMERCIAL, NOVO 0.05 A 0.1 COM SOLDA ESPIRAL, NOVO 0.1 LEVEMENTE RÚSTICO 0.1 A 0.2 RÚSTICO 0.2 A 0.3 INCRUSTADO 0.5 A 2 COM INCRUSTAÇÕES SEVERAS >2 NOVO, COM BETUME 0.03 A 0.05 GALVANIZADO 0.13

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FERRO FUNDIDO NOVO 0.25 RÚSTICO 1 A 1.5 INCRUSTADO > 1.5 NOVO, COM BETUME 0.03 A 0.05

CONCRETO NORMAL 0.3 A 3

- ANSI B 16.5- Flanges comuns
- ANSI B 16.1- Flanges comuns de grandes diâmetros
- ANSI B 16.36 -Flanges de orifício
- DIN- Flanges comuns

J1 – NORMA DE DIMENSIONAMENTO

J2 - NORMA DE MATERIAL

Em aplicações comuns (água, ar e vapor), sob condições não severas de pressão e temperatura, usase o aço carbono segundo a norma ASTM A 105; em condições de pressão / temperatura elevadas aplicam-se materiais na norma ASTM A 182 F11 e F22, pertencentes a categoria dos aços ferríticos.

Para a escolha correta do material sugerimos consultar: - Annual Book of ASTM Standards Section 1, volume 01.01

- ANSI B 31.1 - Power Piping

- ANSI B 16.5

J3 - TIPO DE FLANGE - Flange de orifício: possui incorporadas as tomadas de pressão, com rosca 1/2" NPT ou encaixe para solda; pode ser aplicada em qualquer tamanho de tubo, encontrando grande uso em tubos até 6". - Flange comum: deve ser usada somente em tubos superiores a 6", quando o par de tomadas não é do tipo "nas flanges".

J4 - FORMAS

- Com pescoço: é o tipo mais comum, especialmente para os flanges de orifício de porte médio e pequeno ou quando é exigido raio X na solda com o tubo. É importamte conferir:

- Se o diâmetro interno da flange é compatível com o usado no cálculo do elemento primário; o método de aferição do diâmetro interno é mostrado em (I1).

- Se a concentricidade do furo da flange está de acordo com os requisitos do item (I2)

- Se a rugosidade da parede interna da flange atende às exigências do item (I3).

- Se na região da solda de topo, internamente ao tubo e flange, o acabamento é o mesmo do exigido para o tubo; o cordão da solda, no lado interno, não deve apresentar borras, saliências ou cavidades.

- Se existe degrau na junção flange - tubo; o não alinhamento das paredes internas causa distorção no perfil da velocidade e, consequentemente, erros na medição de vazão.

- Se a face de contato da flange com a junta apresenta o acabamento solicitado (ranhura espiral, concêntrica ou lisa); esta face deve ser perpendicular à linha de centro do tubo.

- Se o diâmetro externo da flange (que será usado como base para centrar o elemento primário) é concêntrico com a linha de centro do tubo.

- Se a concordância do furo da tomada de pressão com a parede interna da flange está em canto vivo; o eixo da tomada deve ser perpendicular ao eixo do tubo.

Obs: Em situações que não permitam a conferência adequada destes itens, especialmente dos que tratam da junção tubo - flange, sugerimos não usar flange com pescoço, a não ser que características do projeto exijam este tipo de flange.

- Sobreposta: Elimina o problema da junção tubo - flange; este penetra na flange até a face de entrada do elemento primário. Observar que:

- Após a execução do furo da tomada de pressão no tubo, não existam rebarbas na concordância com a parede interna do tubo. Na retirada da rebarba evitar chanfrar ou arredondar, mantendo a junção em canto vivo.

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- Os critérios de centralização e perpendicularidade do elemento primário e flanges, em relação à linha de centro do tubo, sejam obedecidos. Os cálculos do diâmetro interno médio e concentricidade do tubo devem ser executados conforme os itens I1 e I2.

Obs: Sob o ponto de vista da medição de vazão, especialmente em dutos inferiores a 6", recomendamos o uso de flanges sobrepostas.

- Encaixe para solda: O tubo penetra parcialmente nas flanges; sugerimos evitar o uso deste tipo porque poderá existir a formação de um degrau entre as paredes internas do tubo e da flange.

especialmente para tubos de diâmetro pequeno

- Rosca: Não usar este estilo; a rosca, quando exposta, é sério distúrbio para o fluxo. Construções que não exponham a rosca e cujo tubo penetra na flange até a entrada do elemento primário podem ser usadas, K – JUNTAS

- Dimensão: É importante que a junta não seja um obstáculo ao fluxo; o diâmetro interno dela deve concordar com o diâmetro interno do tubo e, com este, estar concêntrica. Juntas de diâmetro interno muito menor que o interno do tubo podem gerar erros de ±60% na medição da vazão, ao usar tomadas nas flanges (flanges de orifício) é obrigatório que a espessura seja de 1/16".

- Material: Sugerimos consultar normas ou literatura de fabricantes. As juntas de papelão hidráulico são adequadas para a grande maioria dos fluídos industriais, cobrindo valores elevados de pressão e temperatura, ao redor de 200 Kg/cm2 e 550º C.

L – TOMADAS DE PRESSÃO (ORIFÍCIO CONCÊNTRICO DE CANTO VIVO) L1 – POSICIONAMENTO

- Tomadas nas flanges (ISO 5167) - Montante: a referência é a face montante da placa

- Juzante: a referência é a face juzante da placa

- Para ambas as tomadas teremos:

25.4 ±0.5 m se, simultaneamente, β > 0.6 e 58 m < D < 150 m 25.4 ±1 m em outros casos, ou seja: se β ≤ 0.6 se β > 0.6 e 50 m ≤ D ≤ 58 m se β > 0.6 e 150 m ≤ D ≤ 760 m

- Tomadas D - D/2 (Radius taps - ISO 5167) - Para ambas as tomadas a referência é a face de entrada.

- Montante: 1D ±0.1D

- Juzante: 0.5D ±0.02D se β ≤ 0.6 0.5D ±0.01D se β > 0.6

- Tomadas no canto (Corner taps)

poderá ser feita por tomadas simples ou por câmaras anulares

O espaço entre a linha de centro das tomadas e a respectiva face da placa é igual à metade do diâmetro das tomadas; os furos das tomadas ficarão adjacentes às faces da placa e a medição das pressões

- Tomadas na tubulação (Pipe taps) - Montante: 2.5D ±0.1D

- Juzante: 8D ±0.1D

- Tomadas tipo Vena Vontracta

Para ambas as tomadas a referência é a face de entrada da placa - Montante: 1D

- Juzante: conforme figura L1 Este estilo de par de tomadas não é usado com freqüência porque, na troca da placa com mudança no β, será necessário trocar a posição da tomada de baixa pressão.

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L2 – DIÂMETRO MÁXIMO DOS FUROS DAS TOMADAS

- Segundo ASME FLUID METERS

DIÂMETRO D EM POL DIÂMETRO DO FURO EM POL (M) < 2 1/4 (6.4 ) 2 a 3 3/8 (9.5) 4 a 8 1/2 (12.7)

≥10 3/4 (19)

- Segundo ISO 5167

O diâmetro do furo das tomadas deve ser menor que 0.08D e, de preferência, menor que 12mm. O valor mínimo deve ser determinado pela experiência, levando em conta entupimentos acidentais. As duas tomadas devem ter o mesmo diâmetro.

A principal fonte de erros em medição de vazão por geradores de pressão diferencial está na fase de montagem; para reduzir este tipo de erro devemos conferir:

- se a gravação da lingüeta está voltada para o lado montante;

- se o canto vivo das placas foi posicionado para o lado montante;

- se as juntas, flanges e elemento primário estão centralizados com a linha de centro do tubo;

- se durante o manuseio o elemento primário sofreu danos. Cuidados especiais devem ser tomados quanto ao canto vivo e face de entrada das placas e à parte interna dos bocais.

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