13 aula instrumentação

AULA 13

AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO

INSTRUMENTAÇÃO

Medidores de Vazão


A vazão é umas das principais variáveis do processo. Em aplicações como transferência de custódia, balanços de massas, controle de combustão, etc., precisão é fundamental.

Devido a variedades de processos e produtos, haverá sempre um medidor mais indicado para uma determinada aplicação.A medição de vazão inclui no seu sentido mais amplo, a determinação da quantidade de líquidos, gases e sólidos que passa por um determinado local na unidade de tempo.

A quantidade total movimentada pode ser medida em unidades de volume (litros, mm3, cm3, m3, galões, pés cúbicos) ou em unidades de massa (g, Kg, toneladas, libras).

Unidades de Medida1 m3 = 1000 litros


1 galão (americano) = 3,785 litros

1 pé cúbico = 0,0283168 m3

1 libra = 0,4536 kg

C2H6

Tipos de medidores de vazão


Existem dois tipos de medidores de vazão,os

medidores de quantidade e os medidores volumétricos.

Medidores de quantidade


São aqueles que, em qualquer instante, permitem

mas não asaber que quantidade de fluxo

passou vazão do fluxo que está

passando.

gasolina, hidrômetros,Exemplos: bombas

de balanças industriais,

etc.

Medidores Volumétricos


C2H6

São aqueles em que o fluido, passando em quantidades

sucessivas pelo mecanismo de medição faz com que o

mesmo acione o mecanismo de indicação.

Este medidores são utilizados como os

elementos primários das bombas de gasolina e dos

hidrômetros. Exemplos: disco nutante, tipo pás, tipo

engrenagem,etc.

Tipo Pás Giratórias


Tipo de Engrenagens

C2H6


Tipo Nutante


Medição de Vazão por Pressão Diferencial


A pressão diferencial é produzida por vários tipos de elementos primários, colocados na tubulação de forma tal que o fluido passa através deles.

Sua função é aumentar a velocidade do fluido diminuindo a área da seção em um pequeno comprimento para haver uma queda de pressão. A vazão pode então, ser medida a partir desta queda.

O tubo Venturi combina dentro de uma unidade simples uma garganta estreitada entre duas seções cônicas e está usualmente instalado entre duas flanges, em tubulações.

Seu propósito é acelerar o fluido e temporariamente baixar sua pressão.

Venturi


Tubo Pitot


É um dispositivo para medição de vazão através da velocidade

detectada em um ponto de tubulação. Possui uma abertura em sua

extremidade.

Tal abertura encontra-se na direção da corrente fluida de um duto.

A diferença entre pressão total e a pressão estática da linha resulta

na pressão dinâmica, que é proporcional ao quadrado da

velocidade.

Pitot


Termometria


Termometria significa “Medição de Temperatura”. Eventualmente o termo Pirometria é também aplicado com o

mesmo significado, porém, baseando-se na etimologia das palavras, podemos definir:

Pirometria: Medição de altas temperaturas, na faixa em que os efeitos de radiação térmica passam a se manifestar.

Criometria: Medição de baixas temperaturas, ou seja,próximas ao zero absoluto de temperatura.

Termometria: Termo mais abrangente que incluiria tanto aPirometria quanto a Criometria

Tipos de Termômetros – Dilatação Volumétrica

• Neste termômetro, o líquido preenche todo o recipiente e sob o efeito de um aumento de temperatura dilata-se, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico).


Tipos de Termômetros – Dilatação Volumétrica


Tipos de Termômetros – Bimetálico


• O termômetro bimetálico consiste em duas lâminas de

metais com coeficientes de dilatação diferentes,

sobrepostas, formando uma só peça.

• Variando-se a temperatura do conjunto, observa-seum

encurvamento que é proporcional a temperatura.

• Na prática, a lâmina bimetálica é enrolada em forma de

espiral ou hélice, o que aumenta bastante a sensibilidade.

Tipos de Termômetros – Lamina Bimetálica


Tipos de Termômetros – Lamina Bimetálica


• O termômetro mais usado é o de lâmina helicoidal, e consiste em um tubo condutor de calor, no interior do qual é fixado um eixo, que, por sua vez, recebe um ponteiro que se desloca sobre uma escala.

• Normalmente, usa-se o invar (aço com 64% Fe e 36% Ni) com baixo coeficiente de dilatação e o latão como metal de alto coeficiente de dilatação.

• A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos vai aproximadamente de –50 a 800°C, sendo sua escala bastante linear. Possui exatidão na ordem de ± 1%.

Esquema interno do termômetro


Termopar


• Umtermopar

consiste de doiscondutores

metálicos, denatureza distinta, na forma de metais puros ou deligas homogêneas.

• Os fios são soldados em um extremo do qual se dá o nome dejunta quente ou junta de medição.

• A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de f.e.m. (força eletromotriz),fechando um circuito por onde flui a corrente.

• O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência.

Termopar


• O aquecimento da junção de dois metais gera o

aparecimento de uma diferença de tensão elétrica em mili

Volts.

• Este princípio conhecido por efeito Seebeck propiciou

a utilização de termopares para a medição de temperatura.apresenta-se,• Nas aplicações práticas o termopar

normalmente, conforme a figura do próximo

slide

Termopar


Caloria


Estudaremos as trocas de calor entre os corpos, de modo

que devemos medir quantidades de calor.

Para tanto, o primeiro passo será definir uma unidade. Como

unidade de quantidade de calor, usaremos a caloria.

Podemos entender uma caloria como sendo a quantidade

de calor necessária para que um grama de água pura, sob

pressão normal, tenha sua temperatura elevada de 14,5ºC para

15,5ºC.

Caloria

A unidade de calor, no Sistema internacional de Unidades, é o Joule; admite-se, entretanto, o uso de calorias, que corresponde a 1/860 do watt-hora.1 cal corresponde a 4,18 Joules


14,5 C 15,5 C

Calor específicoO calor específico de uma substância representa a quantidade de calor necessária para que 1 grama da substância eleve a sua temperatura em 1ºC.

+ 1 cal –


1g a 18C 1g a 19C

Calor específico


Material cal/g.CÁgua 1

Álcool etílico 0,581Gelo 0,53

Amoníaco(gás) 0,523Vapor-d´água 0,481

Alumínio 0,214Vidro 0,161Ferro 0,107Cobre 0,0924Zinco 0,0922Latão 0,0917Prata 0,056

Mercúrio 0,033Tungstênio 0,032

Platina 0,031Chumbo 0,03

Mudança de Fase


ou estados deA matéria pode apresentar-se em trêsfases agregação molecular: sólido, líquido e vapor.Estes estados distinguem-se da seguinte forma:•Os sólidos têm forma própria, volume bem definido e suas moléculas têm pouca liberdade, pois as forças de coesão entre elas são muito intensas.

•Os líquidos não têm forma própria, mas têm volume definido. Suas moléculas possuem liberdade maior do que nos sólidos, pois as forças de coesão, são menores.

•Os gases ou vapores não possuem nem forma nem volume definidos. Devido a fracas forças de coesão suas moléculas têm grande liberdade.

Mudança de FaseSolidificação

Solidificação


Sublimação

Fusão

Condensação

Evaporação

Cristalização

SolidoLiquido

Gasoso

Troca Térmica


A operação de troca térmica é efetuada em equipamentos

denominados genericamente de trocadores de calor.

e vamos nosEsta operação é bastante abrangente

restringir à troca térmica entre dois fluidos.

Assim sendo, podemos resumir dizendo:

Trocador de calor é o dispositivo que efetua a

transferência de calor de um fluido para outro.

Trocadores de calor


• A transferência de calor pode se efetuar de quatromaneiras diferentes:

• Pela mistura dos fluidos;

• Pelo contato entre os fluidos

• Armazenagem intermediária;

• Através de uma parede que separa os fluidos quente e frio.

Troca Térmica pela mistura de Fluídos


• Um fluido frio em um fluido quente se misturamnum recipiente, atingindo uma temperatura final comum.

• Troca de calor sensível;

• Desuperaquecedores de caldeira (“desuperheater”);

• Condensadores de contato direto (“direct contact condenser”);

• Aquecedores da água de alimentação em ciclos depotênciaregenerativos;

Troca Térmica por Contato entre os Fluídos


• Resfriamento da água – torres de resfriamento (“cooling tower”). O ar é aquecido e umidificado em contato com um “spray” de água fria.

• Resfriamento e desumidificação de ar – (“spray dehumidifier”). Ar quente e úmido é resfriado e desumidificado em contato com “spray” de água fria.

• Resfriamento e umidificação da ar – (“Air washer”). Ar seco e quente, como o existente em climas desérticos, é resfriado e umidificado.

Troca Térmica por Contato entre os Fluídos

Entrada de Fluido de aquecimento no Tubo

• Entrada de Fluido que vai ser aquecido

Saída de Fluido que foi aquecido

• Saída de Fluido de aquecimento no TuboAULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO

Troca térmica através de uma parede que separa os Fluídos• Neste tipo de trocador, um fluido é separado do outro por uma parede, através da qual passa

o calor.


Vapor de Água


• Os principais usos do vapor em refinarias de petróleo, são:

• Fluido motriz, para acionamento de bombas,compressores, tubo-geradores, etc.

• Agente de aquecimento.

• Transporte de fluidos através de ejetores de vapor.

• Agente de remoção de gases tóxicos ou combustíveisde

equipamentos ou tubulações.

• Agente de arraste das frações do petróleo nas torresde resfriamento, etc.

Qualidades do Vapor d'água


• O vapor d’água apresenta várias qualidades que tornam seu uso atraente para atividades industriais, como elementos de transferência de energia, dentre as quais se destacam:

• alto poder de armazenamento de energia sob a forma de calor;

• transferência de energia à temperatura constante;

• capacidade de possibilitar transformações de energia de calor para outras formas;

Qualidades do Vapor d'água


uso cíclico e em vários níveis de pressão e temperaturas;

passível de ser gerado em equipamentos com alta eficiência;

limpo, inodoro, insípido e não tóxico;

de fácil distribuição e controle;

matéria-prima (água) de baixo custo e suprimento farto.

Utilização do Vapor


• Considerando-se as diversas qualidades citadas,o vapor d´água é largamente utilizado como:

aquecimento nainjeção

de poços de• Agentede

petróleo;

• Agente de aquecimento de petróleo e seus derivados (óleo combustível, resíduo asfáltico) em tanques de armazenamento e linhas;

Utilização do Vapor


• Agente produtor de trabalho para acionamento mecânico de bombas, turbogeradores, compressores, etc.;

• Agente de arraste em ejetores para produção de vácuo em torre de destilação a vácuo, condensadores das turbinas, etc.;

de oxigênio em• Agente de arraste naremoção desaeradores de caldeiras.

O Processo de Vaporização da Água


• Consiste na transformação de água líquida em vapor, pela absorção de calor obtido a partir da queima de um combustível.

• Quando o calor é fornecido a uma certa massa de água à pressão constante, observa-se aumento da temperatura da água líquida até que se inicie o processo de vaporização. A partir deste ponto, não é observada mudança de temperatura até que a vaporização se complete, quando, então, qualquer transferência de calor adicional implicará no superaquecimento do vapor.

• A Figura a seguir ilustra o processo de vaporização da água na pressão atmosférica, mostrando a elevação da temperatura à medida que se fornece calor de uma fonte externa.

Diagrama de aquecimento

1


0

2



No trecho 0-1, entre 0 ºC e 100 ºC, tem-se a água no

estado de líquido sub resfriado.

O calor fornecido é denominado calor sensível, pois é

utilizado somente no aquecimento da água.

Diagrama de aquecimentoNo ponto 1, a água está na temperatura de saturação (100

ºC a 1 atm), ou seja, é um líquido saturado.

Nestas condições, qualquer calor

fornecido adicionalmente é utilizado somente na

vaporização da água, sem qualquer variação na

temperatura.

A quantidade de calor necessária à vaporização total da

água denomina-se calor latente de vaporização.

Na pressão de 1 atm, 1 kg de água requer 539 kcal para se

transformar em vapor.

Diagrama de aquecimentoNo trecho entre os pontos 1

trata-se de

e 2, a água está

umaparcialmente vaporizada, ou seja,

mistura de líquido + vapor

saturados.

No ponto 2, toda a água transformou-se emvapor,

ou seja, sem aconstituindo o vapor saturado

seco, presença de gotículas de

líquido.



Acima do ponto 2, o calor adicional fornecido é

usado no aumento da temperatura (calor

sensível), constituindo o vapor superaquecido.


A diferença entre a temperatura do vapor e

a temperatura de saturação (ou vaporização), na

mesma pressão, é denominada de grau de

superaquecimento (GSA) do vapor.

Pressão e Temperatura de Saturação


Repetindo-se o processo de vaporização em pressões mais elevadas, observa-se que a vaporização ocorre em temperaturas mais altas:

Pressão TemperaturaKg/cm2 de Vaporização1,033 100

12 187,142 252,188 300,3

100 309,5

Pressão e Temperatura de SaturaçãoEste é o princípio do funcionamento das “panelasde pressão” para uso doméstico.


Da mesma forma, trabalhando-se em pressões abaixo da atmosférica, a água vaporiza-se em temperaturas inferiores a 100 ºC.

A pressão na qual a água se vaporiza é denominada pressão de saturação, enquanto que a temperatura de vaporização também é chamada de temperatura de saturação.

Para cada pressão de saturação corresponde uma temperatura de saturação, e vice-versa.

Pressão e Temperatura de Saturação


Durante o processo de vaporização, a temperaturado

líquido e do vapor permanece constante, como exposto

no diagrama de aquecimento.

Sistemas de Ar comprimido


O ar comprimido é, provavelmente, uma das mais antigas formas de transmissão de energia que o homem conhece, empregada e aproveitada para ampliar sua capacidade física.

O reconhecimento da existência física do ar, bem como a sua utilização (mais ou menos) consciente para o trabalho, são comprovados há milhares de anos.

Dos antigos gregos provém a expressão “pneuma”, que significafôlego, vento e filosoficamente alma.

Derivando da palavra pneuma, surgiu entre outros, o conceito de pneumática, que quer dizer: – ciência que estuda o movimento e fenômeno dos gases.

Embora a base da pneumática seja um dos mais antigos conhecimentos do homem, há mais de 2000 anos, somente após o ano de 1950 ela realmente foi introduzida na produção industrial.

Sistemas de Ar comprimido


Hoje, o ar comprimido tornou-se indispensável nos

mais diferentes processosindustriais,

pois nenhum

empregado tão simples eoutro auxiliar pôde ser

rentavelmente para solucionar problemas de

automação.

Sistemas de Ar comprimidoO ar comprimido é um dos elementos de vital importância na operação de uma refinaria.Um Sistema de ar comprimido é composto, basicamente, por compressores de ar, um vaso pulmão de ar de instrumentos, um vaso pulmão de ar de serviço e um secador de ar.Tendo em vista sua aplicação, pode ser classificado em :

- Ar Comprimido para Instrumento e

- Ar Comprimido de Serviço.

Tipicamente, a pressão do ar comprimido (de serviço e de instrumentos) é controlada em 7,0 kgf/cm2.


Ar Comprimido para InstrumentosÉ o ar necessário para utilização na operação da instrumentação pneumática, comando de válvulas, posicionadores de campo, etc.


A fim de não prejudicar a ação dos instrumentos, este ar precisa ser de alta pureza (isento de partículas sólidas, óleo, etc.) e deve ser completamente seco (isento de umidade).

Para isso, a instalação possui certos equipamentos especiais como: compressores com cilindros não lubrificados, secador de ar com leito de alumina ou sílica gel e filtros.

Toda tubulação de distribuição é de aço galvanizado (coletores gerais ou secundários) enquanto as linhas de controle são de cobre.

Ar comprimido de Serviço


É o ar comprimido para uso geral, utilizado no acionamento

de ferramentas pneumáticas, na agitação de produtos em

tanques, como fluido de arraste em ejetores, ou ainda,

na utilização em oficinas de manutenção, etc.

A Figura a seguir, mostra um diagrama de bloco da Central

de ar comprimido.

Diagrama de sistema de ar comprimido


Questionário1) Quais os tipos de medidores de vazão?2) O que é um tubo Pitot?3) O que é um termômetro bimetálico?4) O que é um termopar?5) O que é caloria?6) O que representa um calor específico?7) Construa um Diagrama de mudanças de fase.8) O que é vapor superaquecido?9) Quais as 4 maneiras de transferência de calor?10) O que é troca térmica?11) Quais os principais usos para o vapor numa

indústria de petróleo?12) O que é um trocador de calor?13) Construa um Diagrama de Aquecimento?

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