13 aula instrumentação

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13 aula instrumentação

  1. 1. AULA 13 AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO INSTRUMENTAÇÃO
  2. 2. Medidores de Vazão AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 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).
  3. 3. Unidades de Medida 1 m3 = 1000 litros AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 1 galão (americano) = 3,785 litros 1 pé cúbico = 0,0283168 m3 1 libra = 0,4536 kg C2H6
  4. 4. Tipos de medidores de vazão AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO Existem dois tipos de medidores de vazão, os medidores de quantidade e os medidores volumétricos.
  5. 5. Medidores de quantidade AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 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.
  6. 6. Medidores Volumétricos AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 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.
  7. 7. Tipo Pás Giratórias AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO
  8. 8. Tipo de Engrenagens C2H6 AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO
  9. 9. Tipo Nutante AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO
  10. 10. Medição de Vazão por Pressão Diferencial AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 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.
  11. 11. Venturi AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO
  12. 12. Tubo Pitot AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO  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.
  13. 13. Pitot AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO
  14. 14. Termometria AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 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
  15. 15. 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). AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO
  16. 16. Tipos de Termômetros – Dilatação Volumétrica AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO
  17. 17. Tipos de Termômetros – Bimetálico AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO • 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.
  18. 18. Tipos de Termômetros – Lamina Bimetálica AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO
  19. 19. Tipos de Termômetros – Lamina Bimetálica AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO • 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%.
  20. 20. Esquema interno do termômetro AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO
  21. 21. Termopar AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO • 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.
  22. 22. Termopar AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO • 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
  23. 23. Termopar AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO
  24. 24. Caloria AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 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.
  25. 25. 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 AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 14,5 C 15,5 C
  26. 26. 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 – AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 1g a 18C 1g a 19C
  27. 27. Calor específico AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 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
  28. 28. Mudança de Fase AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 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.
  29. 29. Mudança de Fase Solidificação Solidificação AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO Sublimação Fusão Condensação Evaporação Cristalização Solido Liquido Gasoso
  30. 30. Troca Térmica AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 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.
  31. 31. Trocadores de calor AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO • 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.
  32. 32. Troca Térmica pela mistura de Fluídos AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO • 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;
  33. 33. Troca Térmica por Contato entre os Fluídos AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO • 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.
  34. 34. 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 AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO
  35. 35. 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. AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO
  36. 36. Vapor de Água AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO • 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.
  37. 37. Qualidades do Vapor d'água AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO • 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;
  38. 38. Qualidades do Vapor d'água AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO  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.
  39. 39. Utilização do Vapor AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO • 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;
  40. 40. Utilização do Vapor AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO • 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.
  41. 41. O Processo de Vaporização da Água AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO • 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.
  42. 42. Diagrama de aquecimento 1 AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 0 2
  43. 43. Diagrama de aquecimento AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 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.
  44. 44. Diagrama de aquecimento 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.
  45. 45. Diagrama de aquecimento 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. AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO
  46. 46. Diagrama de aquecimento Acima do ponto 2, o calor adicional fornecido é usado no aumento da temperatura (calor sensível), constituindo o vapor superaquecido. AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 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.
  47. 47. Pressão e Temperatura de Saturação AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 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
  48. 48. Pressão e Temperatura de Saturação Este é o princípio do funcionamento das “panelas de pressão” para uso doméstico. AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 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.
  49. 49. Pressão e Temperatura de Saturação AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO Durante o processo de vaporização, a temperatura do líquido e do vapor permanece constante, como exposto no diagrama de aquecimento.
  50. 50. Sistemas de Ar comprimido AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 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.
  51. 51. Sistemas de Ar comprimido AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 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.
  52. 52. Sistemas de Ar comprimido 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. AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO
  53. 53. Ar Comprimido para Instrumentos É o ar necessário para utilização na operação da instrumentação pneumática, comando de válvulas, posicionadores de campo, etc. AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 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.
  54. 54. Ar comprimido de Serviço AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO 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.
  55. 55. Diagrama de sistema de ar comprimido AULA 13 - INSTRUMENTAÇÃO
  56. 56. 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?
  57. 57. FIM

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