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 Medida
1 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 a
Pirometria 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-se um
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
• Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de
natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas
homogêneas.
• Os fios são soldados em um extremo do qual se dá o nome de
junta 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 específico
O 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.C
Água 1
Álcool etílico 0,581
Gelo 0,53
Amoníaco(gás) 0,523
Vapor-d´água 0,481
Alumínio 0,214
Vidro 0,161
Ferro 0,107
Cobre 0,0924
Zinco 0,0922
Latão 0,0917
Prata 0,056
Mercúrio 0,033
Tungstênio 0,032
Platina 0,031
Chumbo 0,03

Mudança de Fase
ou estados deA matéria pode apresentar-se em três fases
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 Fase
Solidificação
Solidificação
Sublimação
Fusão
Condensação
Evaporação
Cristalização
Solido
Liquido
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 quatro maneiras
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 misturam num
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 de potência
regenerativos;

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 Tubo

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 combustíveis de
equipamentos ou tubulações.
• Agente de arraste das frações do petróleo nas torres de
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 na injeção de poços de• Agente de
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 na remoção
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.

No 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.

No 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 em vapor,
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 Temperatura
Kg/cm2 de Vaporização
1,033 100
12 187,1
42 252,1
88 300,3
100 309,5

Este é o princípio do funcionamento das “panelas de
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.

Durante o processo de vaporização, a temperatura do
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 significa
fôlego, 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.

Hoje, o ar comprimido tornou-se indispensável nos
mais diferentes processos industriais, pois nenhum
empregado tão simples eoutro auxiliar pôde ser
rentavelmente para solucionar problemas de
automação.

O 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 Instrumentos
É 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

Questionário
1) 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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