EXPERIMENTO DE MEDIDORES DE VAZÃO 1 - OBJETIVO
Este experimento tem os seguintes objetivos:
a) Observar e entender, experimentalmente, as diferenças entre um medidor de vazão primário, para líquidos e gases, e os medidores secundários que necessitam ser calibrados ou aferidos.
b) Através de metodologias primárias para determinar vazões (com medidas de volume no tempo e utilização de tubos de Pitot) fazer Aferições (obter curvas de correção) de medidores comerciais tais como: Rotâmetro; Hidrômetro e Anemômetro e, gerar equações de calibração para medidores tipo: Placas de Orifício e Venturi.
2 - INTRODUÇÃO TEÓRICA
Vazão é o volume de determinado fluido que passa por uma determinada seção de um conduto por uma unidade de tempo, seja livre ou forçado. É uma das grandezas mais utilizadas na indústria. As aplicações são inúmeras, indo desde a medição de vazão de água em estações de tratamento e residências, até medição de gases industriais e combustíveis, passando por medições mais complexas como a vazão de sangue no sistema circulatório. Para se ter uma idéia da importância comercial da medição de vazão, tomemos o exemplo do gasoduto Bolívia-Brasil que transporta gás natural da Bolívia até São Paulo.
Este gasoduto está projetado para transportar até 30 milhões de metros cúbicos por dia de gás natural. Estimando-se um custo de venda de U$ 0,50 por metro cúbico, vê-se que um erro sistemático de apenas 1% em um medidor de vazão está associado a uma quantia de cerca de U$ 150.000 por dia. A escolha correta de um determinado instrumento para medição de vazão depende de vários fatores.
Dentre estes, pode-se destacar:
Exatidão desejada para a medição;
Tipo de fluido: se líquido ou gás, limpo ou sujo, número de fases, condutividade elétrica, transparência, etc;
Condições termodinâmicas: níveis de pressão e temperatura nos quais o medidor deve atuar;
Espaço físico disponível; Custo.
2.1. Tipos de Medidores de Vazão
2.2.1. Medidores de Obstrução
Trata-se de um dos sensores ou dispositivos mais usuais de medida de vazão, e os diversos modelos e tipos constituem cerca de 50% dos equipamentos existentes. Os medidores mais comuns são do tipo placa de orifício, bocal e tubo Venturi.
Placa de Orifício
Neste medidor, o diferencial de pressão é formado pela passagem do fluido através de um orifício feito em uma placa. A configuração mais comum é construída com um orifício concêntrico montado entre flanges, que interrompe uma canalização ou canal fechado. Também são encontradas placas com orifícios excêntricos e segmentais, como mostra a Figura 1, escolhidos em função do tipo de impurezas encontradas no fluido.
Existem outros tipos de orifícios, dependendo das características do fluido: orifício excêntrico e segmental. Existem vantagens e desvantagens e limitações no uso deste tipo de medidor.
Tubo Venturi e Bocal
Também existem vantagens e desvantagens e limitações na utilização destes medidores.
Tubo Pitot
O tubo Pitot é um instrumento deprimogêneo com a característica de medição de velocidades pontuais. Assim, as técnicas de pitometria envolvem várias ações, desde a determinação do diâmetro real da tubulação até o traçado da curva de velocidades. É importante ressaltar que pelas características de operação deste equipamento e baixo custo, o mesmo é utilizado como equipamento de referência para aferições e calibrações de diversos tipos de medidores permitindo avaliar diversos fatores que afetam a precisão de equipamentos de medição em funcionamento no campo, quais sejam:
• Presença de ar na tubulação;
• Verificação do pleno enchimento da tubulação;
• Levantamento do perfil de velocidades na tubulação.
Os tubos de Pitot possuem limitações para baixas velocidades/vazões e para fluidos que tenham partículas em suspensão.
Hidrômetro
É um medidor vazão por deslocamento positivo. Estes medidores de vazão são, na realidade, motores movidos pela passagem de fluido. O número de rotações do motor está associado à vazão do fluido. Trata-se de medidores com boa exatidão, mas limitados a escoamentos permanentes onde se deseja conhecer o volume de fluido que passa pelo sistema, independentemente da perda de carga que o instrumento venha a impor ao sistema. Estes medidores são apropriados para medidas de fluidos limpos, pois partículas suspensas podem provocar desgaste e decorrentes imprecisões de medida. Nessa categoria encontram-se os medidores do tipo deslizamento de aletas, trirotor, birotor, pistão, engrenagens, entre outros. Também possui limitações, vantagens e desvantagens.
Anemômetros
Rotâmetro
É um medidores de vazão por área variável. Estes medidores são largamente empregados na indústria e em laboratórios. Eles baseiam-se na força de arraste exercida pelo fluido sobre um “flutuador” colocado dentro de um tubo cônico de material transparente. A posição de equilíbrio do “flutuador” pode ser relacionada com a vazão do fluido. A bóia será elevada pelo fluido e estabilizará numa dada posição, em conseqüência do equilíbrio de sua força peso com o empuxo do escoamento. A posição que a bóia estabiliza ao longo desse tubo vertical é usada para a indicação da vazão de um determinado fluido. Pela sua construção e princípio de funcionamento, estes medidores estão limitados a montagens na posição vertical, podendo somente operar com fluidos transparentes.
3 – EQUIPAMENTO, MATERIAIS E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
3.1. EQUIPAMENTO e MATERIAIS
O equipamento utilizado, apresentado nas fotos da Figura 7.
Um circuito para líquido (água) e um circuito para gás (ar).
Válvula para Regulagem de Vazão (VRV);
Medidor comercial de vazão tipo Rotâmetro (Rt); Medidor comercial de vazão tipo Hidrômetro (Hd);
Medidor de vazão tipo Venturi (Vt) com Di= 27,5 mm; di=13 mm e β =(Di/di)=0,47 , ligado ao seu respectivo Manômetro de Tubo em U (MUVt) que contém Mercúrio metálico como fluido manométrico;
Medidor de vazão tipo Placa de Orifício (PO) com Di= 25,5 mm; di=12,2 mm e β =(Di/di)=0,48, ligado ao seu respectivo Manômetro de Tubo em U (MUPO) que contém Mercúrio metálico como fluido manométrico;
Medidor de velocidade tipo Pitot padrão (Pt), com régua linimétrica, ligado ao seu respectivo Manômetro de Tubo em U (MUPt) que contém Clorofórmio colorido como fluido manométrico;
Recipiente Graduado (RG) munido de uma Válvula de Bloqueio (VB) para medidas de vazão com auxílio de um Cronômetro.
Medidor de vazão tipo Venturi (Vt) com Di= 100 mm; di=70 mm e β =(Di/di)=0,70 cambiável com um,
Medidor de vazão tipo Placa de Orifício (PO) com Di= 97,5 mm; di=36,5 mm e β =(Di/di)=0,37;
Manômetro de Tubo em U (MU) que contém Água colorida como fluido manométrico, ligado ao medidor de vazão (Vt) ou ao (PO);
Medidor de velocidade tipo Pitot padrão (Pt), ligado ao seu respectivo Manômetro de Tubo inclinado (MIPt) que contém Água colorida como fluido manométrico;
Medidor comercial de velocidade tipo Anemômetro de Ventuinha (AV);
3.2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
3.2.1. OPERAÇÃO COM O CIRCUITO DE ÁGUA
a) Encher o Reservatório (RA) com água até o nível máximo (50 mm do topo da caixa) e com a Válvula de Regulagem de Vazão (VRV) e a Válvula de Bloqueio (VB) abertas;
b) Antes de ligar a Bomba centrífuga (BC):
Fechar completamente a Válvula de Regulagem de Vazão (VRV);
Com a Válvula VBS ainda aberta; Ligar a Bomba centrífuga (BC) e abrir a Válvula VRV lentamente (manter vazão baixa) até que o circuito esteja “selado” hidraulicamente (sem bolhas de ar).
Em seguida fechar novamente a Válvula (VRV) para iniciar a prática.
c) Através da Válvula (VRV) e regular a vazão de água, com auxílio do Rotâmetro (Rt), anotar as vazões.
d) Registrar os Δh nos três Manômetros de tubo em U (do Venturi, da Placa de orifício e do Pitot); a vazão registrada no Hidrômetro e medir a vazão real de calibração com o auxílio do Recipiente graduado; de um cronômetro e da válvula de bloqueio no fundo do Recipiente;
e) Repetir os itens c) e d) para diferentes vazões nominais no Rotâmetro
f) Baixar a vazão lentamente até zerar e desligar a Bomba.
4 - CÁLCULOS E ANÁLISES DOS RESULTADOS
4.1. PARA A OPERAÇÃO COM O CIRCUITO DE ÁGUA
4.1.3. Grafique os Δh obtidos no Manômetro do Venturi em função das vazões padrões obtido pelas medidas no Recipiente graduado e/ou pelo Pitot. Analise e comente.
4.1.4. Grafique os Δh obtidos no Manômetro da Placa de orifício em função das vazões padrões obtidas pelas medidas no Recipiente graduado e/ou pelo Pitot. Analise e comente.
5 - BIBLIOGRAFIA
1 - PERRY, R.H. & CHILTON, C.H. - Manual de Engenharia Química.
2- WEBSTER, J. G., 1999, The measurement instrumentation and sensors Handbook, Library of Congress Cataloging-in-Publication Data.
3- FOX, R.W. e MCDONALD, A.T., 1995, Introdução à Mecânica de Fluidos, Editora Guanabara Koogan S.A., Rio de Janeiro.
4- BENEDICT, R. P., 1984, Fundamentals of Temperature, Pressure and Flow Measurements, 3ª edição, John Wiley & Sons, N.Y.
5- HOLMAN, J. P., 1996, Experimental Methods for Engineers, McGraw-Hill
