Post on 02-Mar-2016
Instrumentao e Controle
Medio de Vazo:
Placas de Orifcio, Bocais e Venturis
Referncias Bibliogrficas
- Delme; Manual de Medio de Vazo; Edgard Blucher
- Martins; Manual de Medio de Vazo atravs de Placas de Orifcio, Bocais e Venturis; Intercincia
- Bega, et al; Instrumentao Industrial; Intercincia
- Miller; Flow measurement engineering handbook
- Endress-Hauser; Flow Handbook
Referncias Bibliogrficas
- Medio de vazo atravs de placas de orifcio, bocais e venturis
- Tipos de medidores
- Caractersticas destes medidores
Medio de Vazo
Placas de Orifcio: Tipos e Caractersticas
Elemento primrio amplamente utilizado em instalaes industriais, baseado no princpio de medio partir da variao do diferencial de presso em um orifcio com a variao da vazo
Placas de orifcio:
Elemento primrio amplamente utilizado em instalaes industriais, baseado no princpio de medio partir da variao do diferencial de presso em um orifcio com a variao da vazo
Placas de orifcio:
Vantagens:
- Facilidade de instalao e de manuteno
- Boa confiabilidade
- Custo relativamente baixo
Desvantagens:
- No linearidade
- Baixa Rangeabilidade (5:1, com o uso da nova tecnologia de transmissores microprocessados. Com os transmissores analgicos antigos, essa rangeabilidade era de 3:1)
- Grande dependncia das condies operacionais
Caractersticas:
Princpio de medio:
Princpio de medio:
Placa de orifcio montada entre flanges com tomadas flange taps
Geometria:
Detalhe em corte da placa de orifcio
Outras Geometrias:
Tipos de Placas
Quanto ao orifcio:
Concntrica
Segmental
Excntrica
Quanto ao bordo
Bordo Reto
Bordo Quadrante
Entrada Cnica
Tomadas de Presso:
Orifcio Integral
Aplicado a pequenas vazes
Dimetros inferiores a 2 polegadas (de a 2 polegadas)
O transmissor integrado ao elemento primrio
Bocais: Tipos e Caractersticas
- Bocal ISA 1932
- Bocal de Raio Longo
- Bocal Venturi
Medidores baseados em diferencial de presso: Bocal
Bocal Isa 1932
Aplicado a grandes vazes
Dimetros entre 2 a 20 polegadas
Medidores baseados em diferencial de presso: Bocal
Bocal de Raio Longo
Aplicado a grandes vazes
Dimetros entre 2 a 25 polegadas
Medidores baseados em diferencial de presso: Bocal
Bocal Venturi
Aplicado a grandes vazes e baixas perdas de carga
Dimetros entre 2 1/2 a 20 polegadas
Medidores baseados em diferencial de presso: Bocal
Medidores baseados em diferencial de presso: Venturi
Venturis: tipos e caractersticas
Os dois tipos mais utilizados de tubo Venturi so:
- Clssico longo
- Clssico curto
Retangular:
Normalmente aplicado a instalaes em dutos de ar a baixa presso
Medidores baseados em diferencial de presso: Venturi
Coeficiente de descarga estvel (vazo real/ vazo terica);
Baixa perda de carga;
Medidores baseados em diferencial de presso: Venturi
Medidores baseados em diferencial de presso: Venturi
Clssico longo
- o difusor aumenta progressivamente at igualar-se ao dimetro da tubulao.
Difusor
Medidores baseados em diferencial de presso: Venturi
Clssico curto
- possui o difusor truncado
Medidores baseados em diferencial de presso: Venturi
Caractersticas construtivas
Medidores baseados em diferencial de presso: Venturi
Retangular
O tipo retangular utilizado em dutos de configurao retangular como os utilizados para ar em caldeira a vapor.
Medidores baseados em diferencial de presso: Venturi
Vantagens
resistncia a abraso e ao acmulo de poeira ou sedimentos;
capacidade de medio em grandes tubulaes;
menor perda de carga quando comparada a placa de orifcio para as mesmas condies de escoamento (tipicamente 20% da perda da placa)
Medidores baseados em diferencial de presso: Venturi
Desvantagens
custo elevado (em mdia, 20 vezes mais caro que uma placa de orifcio);
dimenses elevadas;
dificuldade de troca uma vez instalado.
Placas de orifcio, Bocais de Vazo e Tubos Venturi
- Desenvolvimento das equaes de vazo
- Dimensionamento, Instalao e Manuteno
- Normas
- Avaliao das variveis envolvidas na medio por diferencial de presso
Medio de Vazo
Desenvolvimento das equaes de vazo
- Desenvolvimento das equaes de medio atravs de elementos geradores de perda de carga no escoamento
- Histrico evolutivo
Derivao da Equao Bsica:
Fluxo unidimensional, incompressvel, sem fluxo de calor e trabalho atravessando as fronteiras do sistema;
(1) A montante da placa
(2) Na placa
Derivao da Equao Bsica:
2211
2
222
2
111
....
22
vAvAQ
g
vPz
g
vPz
2
1
2
212
1.
.2.
A
A
PPAQ
Definindo e introduzindo o fator de expanso
Derivao da Equao Bsica:
212
2
2
2
.2.
4.
1
1 PPd
D
d
Q
D
d
21
2
4
2 .2.
4.
1.
PPDQ
Derivao da Equao Bsica:
Por definio: (coeficiente de descarga)
teorico
real
Q
QC
PDCQreal
.2.
4.
1..
2
4
2
nbCfC Re.Re,
P ,
QQteorico
Derivao da Equao Bsica:
Escoamento real por placa de orifcio
Ref: Delme, Manual de Medio de Vazo
Derivao da Equao Bsica:
Desenvolvimento do coeficiente de descarga
- So formulaes determinadas experimentalmente;
- So funo do tipo de elemento primrio, da posio das tomadas, do dimetro da linha, do beta do medidor e do Nmero de Reynolds;
- Tubos Venturi possuem coeficiente de descarga prximo de 1, enquanto placas de orifcio de borbo reto apresentam um valor de C em torno de 0,61 para altos nmeros de Reynolds.
Derivao da Equao Bsica:
Histrico do desenvolvimento do coeficiente de descarga
- Buckingham desenvolveu equaes especficas para placas de orifcio, uma para cada tipo de tomada;
- Stolz apresentou uma nica equao para placas com tomadas nos flanges, faces e em D e D/2, mas limitada a nmero de Reynolds elevados (acima de );
- Reader-Harris e Gallager aproveitaram a estrutura da equao de Stolz e estenderam a aplicabilidade da equao a nmero de Reynolds mais baixos, ao limite inferior do escoamento turbulento: 4000 ou , o maior .
D21260
D2170
Derivao da Equao Bsica:
Exemplo: Equao de Buckingham
- Para placa de orifcio, tomada nos flanges e dimetro da linha maior que 58,6mm
DDC
3
4
481,2 000856,0
1
002286,0184,00312,05959,0
5,2706,91 b
75,0n
1
4
.35,041,01
Pk
P
Derivao da Equao Bsica:
Equaes de Coeficiente de Descarga de Reader-Harris/Gallagher
- nica equao aplicada a placas de orifcio, tomada nos flanges, faces e em D e D/2 e dimetro da linha maior que 58,6mm
- Adotada na ISO 5167*98 e AGA 8, com parmetros ligeiramente diferentes ligadas a consideraes sobre limites de beta, incertezas e dados laboratoriais para os clculos estatsticos que geraram os parmetros
Grficos para coeficientes de descarga tomadas nas faces:
Re
Grficos para coeficientes de descarga tomadas em 2 e 8D:
Re
Fatores de Expanso para k=1,4
Furos de dreno e vent:
As placas de orifcios podem apresentar furao de dreno ou de respiro (vent)
Dreno: Evitar acumulao de pequena quantidade de lquido a montante do elemento primrio em medio de vazo de gs com arraste de lquidos em tubulaes horizontais;
Respiro: Evitar acumulao de pequena quantidade de gs a montante do elemento primrio em medio de vazo de lquidos com arraste de gs em tubulaes horizontais.
Furos de dreno e vent:
Para levar em considerao a vazo por esses furos, introduzido um fator Fh (igual a 1 na ausncia desse furo);
A eficincia desses furos duvidosa, tendo em vista a possibilidade de entupimento;
A ISO no considera este fator, mas a BS considera.
PDFCQ hreal
.2.
4.
1...
2
4
2
2
411
d
dF hh
Dimensionamento
- Procedimentos para dimensionamento
- Dados de processo
- Limitaes de dimensionamento
Medio de Vazo
Procedimento de dimensionamento:
Agrupando os termos independentes de , definimos o parmetro S como:
- A determinao de se faz atravs de aproximaes sucessivas, estimando-se um valor inicial para e calculando o coeficiente de descarga e fator de expanso em funo do mesmo at que a diferena entre
4
2
21
...2..
..4
hFC
PD
QS
0
0001,01
i
ii
1..
1.
11
4
1
ihii
i
iFC
S
assim,
Procedimento de dimensionamento:
2
WS
A P
25,02
211
k
S
k
1
4Re
W
D
i
i
i
h i
f
f
F f
hF
S
i
N
dentro
da faixa?
N Alterar range do instrumento
de presso diferencial
d = D
S
S
41
C
Viscosidade absoluta (cP)
ttdd mm 1
ReDV
Procedimento de dimensionamento:
Para o clculo de k1 e k2, existe uma tabela que correlaciona o tipo de elemento primrio com esses valores;
Nessa tabela, embora no apresentado, tambm podem ser encontrados dados para venturi e bocal.
Tipo de Elemento k1 k2 Orifcio bordo reto Re>200000
0,6 0
Orifcio bordo reto Re
Procedimento de dimensionamento:
Determinao de nas condies de manufatura
Cproj 020@@
opplacaM Tdd 15,293.1.
optubulaoM TDD 15,293.1.int
M
MM
D
d
Nmero de condies operacionais (normal, mxima e mnima)
Vazo
Range de calibrao
Presso a montante
Massa especfica (lquidos)
Viscosidade (lquidos)
Temperatura a montante (gas e vapor)
Peso molecular (gas e vapor)
Fator de compressibilidade (gas e vapor)
Cp/Cv (gas e vapor)
Dimetro interno da linha
Dados de Processo para Dimensionamento de Placas de Orifcio:
Limites:
Dimetro do elemento primrio
Limites:
Dimetro interno da tubulao
Limites:
Limites:
Nmero de Reynolds
Instalao e Manuteno
- Cuidades de instalao
- Problemas comuns de manuteno
Medio de Vazo
Cuidados de Instalao:
Sentido da face
Posio da haste
Posio das tomadas em relao ao tipo de fluido
Encaminhamento das linhas de impulso
Selagem
Purga
Comprimento de trechos retos a montante e jusante
Cuidados de Instalao:
Os medidores de presso diferencial devem ser instalados o mais prximo possvel das tomadas de presso, para melhorar a velocidade de resposta e evitar problemas com o encaminhamento das linhas de impulso;
Os dimetros internos das duas linhas de conexo (tomadas de impulso) devem ser iguais. Normalmente tubing de polegada.
H vrias montagens diferentes em funo do estado fsico do fluido e de suas caractersticas:
Fluido limpo ou sujo
Fluido corrosivo ou no
Gs com ou sem condensado
Posio das tomadas:
Quando as tomadas esto na parte inferior do flange, qualquer slido em suspenso pode entupir as tomadas;
Quando as tomadas esto na parte superior da tubulao, qualquer gs dissolvido pode gerar erros e distrbios na medio;
Para a localizao das tomadas de processo no flange utiliza-se, como regra geral, para tubulaes horizontais:
Gs/Vapor: Tomadas Superiores
Lquido: Tomadas Inferiores
Posio das Tomadas:
Encaminhamento das Linhas de Impulso:
Minimizar comprimento das linhas;
Evitar pontos de acmulo de condensado (gases);
Evitar pontos de acmulo de gases (lquidos);
Prever suportao para minimizar vibrao;
Quando possvel, minimizar uso de selagem.
Posio dos transmissores em relao as tomadas:
Selagem:
Deve ser previsto selagem adequada para transmissores que vierem a ser posicionados ao nvel do piso.
Selagem para fluidos viscosos e corrosivos:
Para fluidos que solidifiquem na temperatura ambiente, as tomadas de impulso devem ser traceadas;
Os lquidos corrosivos devem ser mantidos afastados do elemento secundrio:
Para evitar esse contato, so utilizados os lquidos de selagem, com instalao de potes ou ts de selagem;
O lquido de selagem no pode se misturar nem reagir com o fluido do processo;
Pode ser utilizado tambm, um diafragma de selagem, onde nesse caso, o material do diafragma deve ser resistente ao lquido corrosivo.
Steam Tracing sem Isolamento Trmico de Tomadas:
Steam Tracing e Isolamento Trmico de Tomadas + Selagem com Pote e T
Conexes ao transmissor diferencial de presso e compartilhamento de tomadas:
Cuidado!!!
Purga Contnua X Espordica:
Se o fluido de processo no puder entrar em contato com o medidor de presso diferencial devido a problemas de sujeira, sedimentos, solidificao ou entupimento do fluido de processo nas linhas de conexo, so usados flushing ou purga.
Limpeza de Tomadas:
- Dispositivo para limpeza de tomadas
Comprimentos de trechos retos a montante e jusante:
Comprimentos de trechos retos a montante e jusante:
Norma ISO 5167 (Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross section conduits runing full)
Aplicado a medio de vazo baseado em diferencial de presso
- Possui 4 partes
-Parte 1 Consideraes gerais
-Parte 2 Placas de orifcio
-Parte 3 Bocais
-Parte 4 - Venturis
Normas
- ISO 5167 - Escopo
- Define as equaes para dimensionamento dos medidores;
- Define as caractersticas construtivas e especifica as tolerncias para fabricao dos medidores;
- Apresenta suas limitaes e incertezas.
Normas
BS (British Standard) 1042 Measurement of fluid flow in closed conduits
ISO 5168 Measurement of fluid flow Estimation of uncertainty of a flowrate measurement
ANSI/API MPMS Cap. 14; Natural Gas Fluid Measurement
API; Manual of Installation of Refinery Instruments and Control Systems
AGA Report no 3; Gas Measurement Committee
Normas e Referncias Complementares:
- A incerteza dos elementos baseados em diferencial de presso pode ser avaliada pela seguinte equao que consta nas normas ISO 5167 e 5168
Incerteza:
%4
1
4
1.
1
2.
1
2 22222
4
2
2
4
42
MEDPedDCm iiiiiiiQ
- Nomenclatura
- iQm: incerteza sobre a vazo mssica
- iC: incerteza sobre o coeficiente de descarga
- iD: incerteza sobre o dimetro D
- id: incerteza sobre o dimetro d
- ie: incerteza sobre o fator de expanso
- iDP: incerteza sobre a presso diferencial
- iME: incerteza sobre a massa especfica
Incerteza:
- A ISO e a AGA fornecem incertezas levemente diferentes para o coeficiente de descarga e o fator de expanso;
- A diferena pode viabilizar maior aplicabilidade em vazes menores, j que a incerteza nesta regio pode se revelar menor, possibilitando operao com maior rangeabilidade;
- A incerteza no diferencial de presso, no entanto a principal fonte de erro.
Incerteza: