relatorio rotametro

Faculdade de Engenharia, Arquitetura e Urbanismo -FEAU

Aplicações de Química Industrial - I

Calibração de Rotâmetro

Objetivos: - Calibrar um instrumento utilizado em Processos Químicos. - Efetuar o ajuste de uma Curva a partir de dados experimentais.

Universidade Metodista de Piracicaba – UNIMEP – Faculdade de Engenharia, Arquitetura e UrbanismoRodovia Santa Bárbara/Iracemápolis – km 01 – Santa Barbara d’Oste – SP – CEP: 13450-000

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Índice

1. Introdução Teórica.....................................................................................................................03 1.1 Rotâmetro.....................................................................................................................031.2 Generalidades e Classificação......................................................................................031.3 Princípio de Funcionamento........................................................................................04 1.4 Construção e materiais.................................................................................................051.5 Gama de medida...........................................................................................................061.6 Características estáticas................................................................................................071.7 Circuito de medida.......................................................................................................081.8 Calibração....................................................................................................................091.9 Seleção.........................................................................................................................101.10 Instalação e manutenção............................................................................................101.11 Vantagens e desvantagens do uso do Rotâmetro.......................................................11

2. Procedimento Experimental.......................................................................................................12 3. Resultados Experimentais – Rotâmetro.................................................................................... 124. Manômetro de Tubo em U........................................................................................................ 145. Resultados Experimentais – Manômetro de Tubo em U.......................................................... 156. Conclusão...................................................................................................................................15

6.1 Conclusão Rotâmetro...................................................................................................156.2 Conclusão Manômetro de Tubo em U.........................................................................15

7. Bibliografia................................................................................................................................15

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Introdução Teórica:

1. Rotâmetro

O rotâmetro é o mais conhecido medidor de fluxo de área variável. Foi desenvolvido há já vários anos, mas só nos últimos 30 é que se verificou um maior progresso, permitindo que hoje ele possa ter utilização nas mais diversas situações e condições.

O rotâmetro é constituído por um tubo cônico, com o diâmetro menor do lado de baixo, dentro do qual existe um flutuador ou bóia. É através da parte menor do tubo que o fluido entra. A bóia pode mover-se livremente na vertical, subindo ou descendo no tubo, conforme aumenta ou diminui o fluxo. O tubo possui uma escala de medida onde podemos ler diretamente o valor do fluxo através da borda de cima da bóia. Convém notar que a bóia terá que ter uma densidade superior à do fluido.

Os rotâmetros são bastante utilizados na industria química, farmacêutica, petroquímica, alimentar, mecânica. São também bastante comuns em laboratórios e no tratamento de águas.

1.2 Generalidades e Classificação

A medição de fluxo é extremamente importante para qualquer processo. O fluxo (volumétrico ou gravimétrico) é a quantidade de fluxo, relativamente ao tempo. A medição de fluxo é feito com o fluido em movimento. Existem 3 tipos de medidores de fluxos: diretos, indiretos e especiais. O rotâmetro é um medidor indireto. Estes tipo de medidor utiliza fenômenos relacionados com a quantidade de fluido que passa. O rotâmetro é um tipo particular de medidores de fluxo baseado no principio da área variável.

Os medidores de fluxo são utilizados quer para gases quer para líquidos, e indicam a taxa de fluxo do fluido. Podem também controlar a taxa de fluxo, caso estejam equipados com uma válvula controladora de fluxo.

Os medidores de fluxo de área variável foram inventados no séc. XIX, mas só por volta de 1930 foram introduzidos na indústria.Tornaram-se bastante úteis, dado serem uma alternativa de baixo custo aos medidores de fluxo baseados em diferença de pressão, especialmente no caso de as condutas serem pequenas.

Os primeiros modelos de medidores de fluxo de área variável indicavam apenas o fluxo, tendo com o decorrer dos anos adquirido outras funções secundárias como a de transmissão, alarme e até controle. Atualmente existem medidores com uma vasta gama de tamanhos, de valores de pressão, de valores de exatidão e outras características.

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1.3 Princípio de Funcionamento

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O fluido - gás ou líquido - desloca-se no rotâmetro da base para o topo, resultando num movimento axial da bóia.

Ao longo do comprimento do tubo existe uma relação entre o diâmetro da bóia e o diâmetro interior do tubo. O diâmetro da bóia é fixo ao contrário do tubo interior do rotâmetro que vai aumentando da base até ao topo.

Se o fluxo é constante, a diferença de pressão sobre a bóia iguala o peso efetivo da bóia e esta “fixa-se”na posição que define o fluxo.

Quando o fluxo de caudal aumenta também a força que atua na bóia, aumenta. Esta força faz com que a bóia suba para uma posição mais acima.

Quando o fluxo diminui a bóia muda de posição para baixo. O fluxo é uma função da altura da bóia.

Em suma, o principio de funcionamento do rotâmetro baseia-se na força de arrastamento que o fluido exerce sobre a bóia, móvel, dentro de uma secção variável de escoamento. Nestes medidores a variação de pressão é constante. Estes baseiam-se na variação da área de passagem do fluido entre a parede do tubo e a bóia, com a altura (posição) da bóia.

Q = umax (p/4) (Dt^2-Df^2)

ONDE: Q - caudal volumétrico umax - velocidade máxima do fluido Dt – diâmetro do tubo do rotâmetro Df – diâmetro da bóia


1.4 Construção e Materiais

Os materiais que podem ser utilizados para a construção do rotâmetro dependem da natureza do fluido que vai ser medido.Vamos abordar os vários materiais possíveis quer para o tubo medidor, quer para a bóia, pois são para estas peças que o material pode afetar a taxa de fluxo. É de realçar a simplicidade de construção do rotâmetro, bem como o baixo custo das suas peças e materiais para a sua construção.

TUBO MEDIDOR

Este tubo pode ter vários tamanhos possíveis, de acordo com a quantidade de fluxo que se vai medir. O comprimento varia mais ou menos de 3 a 10 polegadas, podendo em certos casos atingir 24 polegadas.

O material mais utilizado para a construção é o vidro. Este é mais indicado para medir fluxos de ácidos concentrados e gases corrosivos. Os rotâmetros com tubo de vidro podem ser usados para várias gamas de fluxos desde 30-450ml/h até 1,36-13,6m3/h.

Este tipo de rotâmetros resiste melhor a altas pressões quando o seu tamanho é mais reduzido. Quando da medição de líquidos, os rotâmetros mais pequenos deste tipo podem ser usados com

segurança até pressões de 32 bar, e os de maiores dimensões estão limitados a 8 bar. Para gases, as pressões devem ser mais baixas. Neste último caso, existem, no entanto, proteções especiais para o tubo de vidro. Convém que, dada a fragilidade do vidro, sejam tomadas precauções, quer na instalação, quer na utilização destes rotâmetros.

Existem outros materiais que podem ser usados para a construção do rotâmetro, como o aço inoxidável, ou outros materiais não magnéticos, como o teflon ou PVC. Os tubos podem ainda ser feitos de acrílico, policarbonato ou de metal.

Quando o fluido a medir é opaco ou as condições de operação são mais extremas é preferível utilizar um rotâmetro de tubo metálico. Estes rotâmetros podem ser usados para pressões superiores a 2000 bar, temperaturas superiores a 300ºC e com uma capacidade para fluxos de 410m3/h.

BÓIA

A bóia pode ser fabricada a partir de uma série de materiais, desde que a sua densidade seja superior à do fluido a medir.

Convém também que os materiais permitam uma resistência da bóia à corrosão e ao desgaste.Citam-se o aço inoxidável (o mais usado), vidro, níquel, monel, PVC, teflon, titânio, tântalo, hastelloy-C, etc.

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A quantidade de fluxo é dependente do peso, tamanho, e forma da bóia. Existem várias formas possíveis de bóias e devemos escolher a mais indicada para determinado processo de acordo com as seguintes variáveis:

1. Taxa de fluxo 2. Ausência de viscosidade 3. Queda de pressão 4. Baixo custo 5. Durabilidade

Várias formas de bóia.

Uma das formas possíveis de aumentar a taxa de fluxo de um rotâmetro é alterar o material da bóia, e consequentemente, a sua densidade, mantendo o mesmo tubo e o tamanho da bóia. As bóias feitas de material menos denso vão atingir um ponto mais alto no tubo, e por esta razão a taxa de caudal para o mesmo diâmetro do tubo vai ser menor. Bóias feitas de material mais denso não vão atingir posições tão altas no rotâmetro e daí a taxa de fluxo ser maior.

1.5. Gama de Medida

GAMAS DE FLUXOS

Os fatores que determinam a gama de fluxo de um rotâmetro são, entre outros, o peso e a forma da bóia. Num rotâmetro as gamas de fluxo vão desde 0,04 l/h a 150 m3/h para a água e 0,5 l/h a 3.000 m3/h para o ar. A proporção entre o valor mais elevado de fluxo e o menor valor é de 10:1.

GAMAS DE PRESSÃO

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No que diz respeito a valores de pressão, verifica-se que existe uma relação entre esta e o tamanho do tubo. Assim, quanto maior o tubo, menor é a pressão que este consegue suportar. Na tabela seguinte encontram-se valores máximos da pressão para vários tamanhos de rotâmetros de tubo de vidro.

Tab. Valores máximos de pressão para vários tamanhos do tubo do rotâmetro.

GAMAS DE TEMPERATURA

A temperatura mínima de operação dos rotâmetros é limitada pela formação de “geada” na superfície exterior. Esta vai provocar uma perda da visibilidade da bóia nos rotâmetros de tubo de vidro, e uma perda do movimento do flutuador magnético nos rotâmetros de tubo metálico.

Os valores mais baixos de temperatura a que é possível operar com o rotâmetro situam-se entre-4ºF (-20ºC) e 32ºF (0ºC), sendo os valores mais altos de temperatura situados entre 250ºF-350ºF (121ºC-177ºC) para rotâmetros de tubo de vidro e entre 350ºF-500ºF (177ºC-260ºC) para rotâmetros de tubo metálico.

Existem rotâmetros com resistência para operar em condições mais extremas, nomeadamente para temperaturas superiores a 400ºC(752ºF) e para valores de pressões superiores a 40bar(580psig).

1.6. Características Estáticas

As características estáticas definem um determinado medidor e têm a particularidade do sinal de entrada, I (input), não variar com o tempo.

Os rotâmetros têm a sua exatidão e repetibilidade tabelada em valores de percentagens de fsd (full scale deflection).

Relembrando sucintamente os conceitos, sabemos que a exatidão representa a concordância entre o valor obtido experimentalmente e o valor verdadeiro. A percentagem de fsd é a relação entre o erro absoluto máximo e a banda de entrada. A repetibilidade representa a proximidade dos valores obtidos para um dado grupo de medições do mesmo sinal de entrada, quando se utilizam as mesmas

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condições de operação e equipamentos. Assim temos para a generalidade dos rotâmetros os seguintes valores:

Exatidão: acima de ±1% de fsd Repetibilidade: acima de ± 0,25% de fsd Os valores da exatidão são função do comprimento da escala e do material do tubo. Um

rotâmetro de tubo de vidro tem sempre uma maior exatidão do que um rotâmetro de tubo de plástico. Como sabemos, existem vários tamanhos possíveis para a escala do rotâmetro. Quanto maior

for a escala, normalmente são mais as suas divisões, permitindo assim uma leitura mais exata e mais fácil.

LINEARIDADE

Sabemos que o fluxo é função da altura do fluido no rotâmetro. A curva do fluxo versus altura é praticamente linear. Há, no entanto, que ter cuidado, pois quando a bóia se aproxima do extremo, quer superior, quer inferior do rotâmetro a relação de Q com h deixa de ser linear, com um desvio de aproximadamente 5%. Estes desvios devem-se aos efeitos de entrada e de saída, em que há perdas de energia por causa da não existência de continuidade da conduta nestas zonas.

Assim, para evitar estas imprecisões, devemos escolher o rotâmetro adequado à quantidade de fluxo que pretendemos medir: para fluxos maiores, deve-se usar um rotâmetro maior, e para fluxos menores o rotâmetro deve ser menor. Evita-se assim, que a bóia esteja num dos extremos do rotâmetro.

1.7. Circuito de Medida

Os rotâmetros além da sua função principal de medição de fluido podem ainda ser indicadores, transmissores e controladores.

Quando são indicadores à distância ou controladores, a bóia pode ter ou não um íman em sua extensão, cujo movimento varia a indutância de uma bobina, ou ser acoplado com um sistema pneumático. O sinal da bobina ou do sistema pneumático é ampliado e aciona o controle ou indicador de um instrumento colocado à distância. O rotâmetro pode ter também uma função de controle de fluxo se for equipado com uma válvula controladora deste.

Os rotâmetros podem também combinar-se com interruptores ou com outro tipo de instrumentação eletrônica, ou dispositivos de outra natureza, conforme o fim a que se destinam, conduzindo a uma variedade de aplicações possíveis.

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1.8. Calibração

A maioria dos rotâmetros possuem uma escala que pode ou não ser lida diretamente. Como as leituras do rotâmetro são afetadas pela densidade do fluido é necessário fazer as correções necessárias quando da mudança da densidade deste. Também é preciso fazer correções quando alteramos a pressão, a temperatura ou a gravidade especifica de um gás. Estas correções podem ser calculadas através do uso de várias fórmulas. Existem de fato, várias fórmulas disponíveis para calcular o fluxo de um fluido através de um rotâmetro que não está calibrado. Estas equações geram fatores de correção que correlacionam fluxos de outros fluidos a uma calibração já conhecida.

São algumas as industrias que levam a cabo extensas experiências de modo a determinar a exatidão destas fórmulas matemáticas. Os melhores resultados obtidos estimam fluxos com ± 5% de exatidão.

Se desejar uma melhor exatidão convém calibrar o rotâmetro com o atual fluido às condições de pressão e temperatura em causa.

Estas indústrias podem ainda calibrar os rotâmetros para diferentes gases e/ou condições através de técnicas especializadas para o efeito, e a um custo reduzido. Para tal só é necessário especificar o gás, a temperatura e pressão de operação, bem como a quantidade de fluxo a que se destina e o modelo do rotâmetro.

Ao longo dos anos foi construída uma extensa “biblioteca” de tabelas de correlação de fluxos, bem como curvas para dezenas de gases a numerosas condições de operação. Ao encomendar-se um rotâmetro podemos também encomendar estas tabelas.

Convém ter em atenção que nos rotâmetros calibrados nas condições padrão e com uma válvula na entrada, as leituras no tubo estão corretas desde que se assegure que a pressão à saída é semelhante à pressão atmosférica. Quando a válvula está à saída, as leituras são corretas se a pressão do gás no interior é igual à pressão para a qual o tubo foi calibrado.

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1.9. Seleção

Existem vários modelos de rotâmetros que diferem entre si pelas suas características adaptadas a um vasto e distinto conjunto de condições de operação. O rotâmetro deve ser escolhido tendo em conta as especificações do cliente. Existe uma série de fatores que vão influenciar a seleção de um determinado rotâmetro, dos quais se destacam os mais importantes:

1. Taxa de fluxo - tenho que escolher o comprimento do tubo do rotâmetro de acordo com a quantidade de fluxo que pretendo medir.

2. Exatidão/repetibilidade - devemos ter em atenção os valores de exatidão e repetibilidade adequados ao objetivo a que se destina o rotâmetro.

3. Não corrosivo - O rotâmetro selecionado deve ser minimamente resistente a um fluido mais corrosivo.

4. As perdas de pressão devem ser mínimas - se tal não acontecer a eficiência da medição é bastante mais reduzida.

5. Preço - este é o parâmetro que mais pesa no processo de seleção de um rotâmetro. O ideal seria encontrar a relação ótima entre qualidade e preço, mas muitas das vezes nem sempre tal é possível. Um rotâmetro que satisfaça todos os fatores acima mencionados pode ser recusado se o seu preço for elevado

1.10. Instalação e Manutenção

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INSTALAÇÃO

O rotâmetro é montado na posição vertical, pois a inclinação vai provocar uma reação do peso efetivo da bóia, introduzindo assim alguns erros. Se o ângulo de inclinação for bastante reduzido os erros não serão significativos. Convém seguir algumas das seguintes instruções:

A maioria dos rotâmetros pode ser suportada pela conduta, no entanto, alguns rotâmetros de metal como são mais pesados devem ser suportados diretamente ou mais próximo possível da conexão da conduta.

Na montagem dos rotâmetros devemos ter em atenção que estes não podem ser usados como meio de fixação da tubulação ou conduta. Se tal acontecer pode haver danos nos tubos de vidros do rotâmetro devido ao esforço efetuado.

Convém instalar sempre junto do rotâmetro um dispositivo de segurança de modo a assegurar que a pressão não exceda os valores que este consegue suportar.

MANUTENÇÃO

O rotâmetro requer poucos cuidados de manutenção dado que é um instrumento que oferece bastante segurança. No entanto há que ter em atenção certos detalhes. Possíveis depósitos na bóia ou no tubo podem ser facilmente identificáveis em rotâmetros de tubo de vidro. Nos rotâmetros de tubo metálico estes detritos podem ser identificados através de um visor de vidro. Estes, são depois facilmente removidos usando um jato de um líquido de limpeza adequado.

O rotâmetro deve ser periodicamente removido da conduta, desmontado, limpo e examinado para ver se existem vestígios de corrosão ou de desgaste. Deve-se também verificar o peso da bóia de forma a ver se este foi reduzido devido à ação abrasiva do fluido.

1.11. Vantagens e desvantagem do uso do Rotâmetro

Vantagens

- Podem ser utilizados para medir fluxos quer de líquidos, quer de gases;- Medição exata para valores mais baixos de caudal;- Capazes de medir caudais a baixas pressões;- As perdas de pressão são mínimas;- As fugas de entrada e/ou saída são nulas ou praticamente inexistentes- Indicação local do valor do fluxo, sem necessidade de aparelhos auxiliares;- Simples na sua concepção;- Capacidade de resistência à corrosão e ao desgaste;- Fácil de calibrar;

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- Facilmente se lê o valor do fluxo;- Variedade de modelos que podem ser aplicados às mais diversas situações;- A bóia não roda; - Vários tamanhos e formas da bóia à escolha de acordo com o fluxo que se pretende medir e

de que fluido; - Componentes essenciais do rotâmetro são facilmente removíveis e substituíveis; - Fácil montagem e limpeza;- Não é caro;- Fornece boa exatidão e segurança;

Desvantagens - Precisão afetada pelos depósitos interiores; - Custo elevado para grandes fluxos;- Fragilidade do tubo de medida;- Bolhas de ar no interior do tubo podem causar erros de leitura.

2. Procedimento Experimental

A maioria dos rotâmetros possuem uma escala que pode ou não ser lida diretamente. Como as leituras do rotâmetro são afetadas pela densidade do fluido é necessário fazer as correções necessárias quando da mudança da densidade deste. Também é preciso fazer correções quando alteramos a pressão, a temperatura ou a gravidade especifica de um gás. Estas correções podem ser calculadas através do uso de várias fórmulas. Existem de fato, várias fórmulas disponíveis para calcular o fluxo de um fluido através de um rotâmetro que não está calibrado. Estas equações geram fatores de correção que correlacionam fluxos de outros fluidos a uma calibração já conhecida.

Convém ter em atenção que nos rotâmetros calibrados nas condições padrão e com uma válvula na entrada, as leituras no tubo estão corretas desde que se assegure que a pressão à saída é semelhante à pressão atmosférica. Quando a válvula está à saída, as leituras são corretas se a pressão do gás no interior é igual à pressão para a qual o tubo foi calibrado.

3. Resultados Experimentais - Rotâmetro

Medidas de vazão calibração do rotâmetro

Massa de água (g) Tempo em (s)Vazão no medidor

(L/h)Vazão real

Q = m/t (L/h)- - 0 -

12880 51 1000 903,5311490 28 1500 1477,29 10990 20 2000 1978,20 10980 14 2500 2823,4312900 16 3000 2902,50

Gráfico de Colunas

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Vazão no medidor (L/h) x Comparações

0

3000

25002000

15001000

2902,502823,43

1978,201477,29

903,53

-1000

0

1000

2000

3000

4000

Marcações

Va

zão

no

me

did

or

(L/h

)

Padrão

Valor Real

Log. (Padrão)

Padrão 0 1000 1500 2000 2500 3000

Valor Real 903,53 1477,29 1978,20 2823,43 2902,50

1 2 3 4 5 6

Gráfico de Dispersão

Erro percentual:

Erro% = (Erro prático – Erro teórico) x 100

(Erro teórico)

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1000L/h – 9,65%

1500L/h – 1,51%

2000L/h – 1,09%

2500L/h – 12,94%

3000L/h – 3,25%

4. Manômetro de Tubo em U

Consiste em um tubo de vidro em forma de U, onde o fundo é parcialmente preenchido com um fluido de

densidade rm. Acima deste liquido, outro fluido (geralmente ar) de densidade r. As duas colunas, em

geral, são de comprimentos diferentes.

Se (P1 > P2 ) aumenta na coluna GD do fluido de densidade rm e estabiliza na posição H. Aplicando a

forma integrada da Equação de Euler para fluidos estacionários, obtemos :

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Assume-se que o fluido de densidade r preenche as porções remanescentes das duas colunas.

Resolvendo as equações anteriores e considerando que (EI) = (FH) e (IC) = (HD) obtemos:

Se as duas colunas são de tamanhos iguais (GF=0), temos:

Deve ser mencionado que o termo da densidade do fluido leve r pode ser desconsiderada quando

comparada com a densidade do fluido manométrico rm no caso de gases. Se a regra acima das

colunas do manômetro é preenchida com um líquido, por exemplo água, r não pode ser negligenciado.

5. Resultados Experimentais – Manômetro de Tubo em U

Medidores de Pressão - Manômetro de Tubo em UVolume de água

(L)Tempo em

(h)Altura do Vertedouro

(cm)Resultado Pressão

Vazão (L/h) (Pa)3,41 0,0069 2,4 494,2 302,43,22 0,005 2,8 644,00 352,83,15 0,0039 3,2 807,69 403,22,93 0,0089 2,2 329,21 277,23,33 0,0036 3,3 925,00 415,8

6. Conclusão

6.1 Rotâmetro

De acordo com os resultados obtidos no experimento do rotâmetro, observamos que os

resultados estão próximos dos valores teóricos, concluindo assim que o rotâmetro está calibrado com

margem de erro dentro de um limite aceitável.

6.2 Manômetro – Tubo em U

Com os valores obtidos na realização do experimento, conseguimos calcular a pressão do

manômetro.

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7. Bibliografia

http://pt.wikipedia.org/wiki/Rot%C3%A2metro

www.fem.unicamp.br/~instmed/Pressao_Curso_Ford_Unicamp.pdf

http://m.albernaz.sites.uol.com.br/rotametro.htm

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http://www.fem.unicamp.br/~instmed/Pressao_Curso_Ford_Unicamp.pdf

http://pt.wikipedia.org/wiki/Rot%C3%A2metro

relatorio rotametro

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