Baixe Impacto do Ar em Medidores de Vazão de Água: Análise de Bolhas e Eliminadores e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity!
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Anhanguera Educacional S.A. Correspondência/Contato Alameda Maria Tereza, 2000 Valinhos, SP - CEP 13278-181rc.ipade@unianhanguera.edu.br pic.ipade@unianhanguera.edu.br Coordenação Instituto de Pesquisas Aplicadas e Desenvolvimento Educacional - IPADE Publicação: 5 de março de 2010
Trabalho realizado com o incentivo e fomento da Anhanguera Educacional S.A.
Igor Silva Guimarães
Professor Orientador: Dr. Juliano Marcelo de Arruda Curso: Engenharia Mecânica F ACULDADE A NHANGUERA DE A NÁPOLIS
Terceiro Lugar no Prêmio Anhanguera de Mérito Científico e Intelectual - 2009. Participação no 3º Seminário de Produção Científica Docente e Discente da Anhanguera. Trabalho apresentado no 9º Congresso Nacional de Iniciação Científica – CONIC. Participação no Encontro Interno de Iniciação Científica - 2009.
RESUMO
Um sistema padrão de fornecimento de água residencial consiste em um sistema formado por uma linha de tubulação externa vinda da concessionária, uma válvula de controle de fluxo e um medidor de vazão. Um dos medidores de vazão (hidrômetro) mais comuns utilizados nas áreas urbanas pelas companhias de abastecimento de água é o tipo turbina ou paletas, por ser um modelo que apresenta boa precisão nas leituras, fácil instalação e baixo custo de manutenção, desde que seja utilizado de maneira correta, e está previamente descrito seu funcionamento. A ocorrência de bolhas de ar num sistema de abastecimento de água é resultado de vários fenômenos, entre eles a cavitação nas bombas ou acessórios do sistema, rupturas nas tubulações, racionamento no abastecimento ou até mesmo durante uma operação de manutenção de linha. Os medidores tipo turbina são projetados para trabalharem em uma faixa pré definida de vazão, pressão, temperatura e também em meio monofásico, o que é substancialmente alterado pela presença de bolhas de ar na água. Como o medidor não distingue água de ar, apenas gira as paletas em razão da ação fluidodinâmica, este pode acusar uma medida errada pelo fato de contabilizar o meio bifásico como se fosse monofásico. Esta é uma discussão que atualmente tem sido levantada por vários grupos de consumidores, que buscam de alguma forma minimizar esta margem de erro nas leituras através da instalação de instrumentos, que teoricamente eliminariam os efeitos das bolhas de ar na passagem pelo hidrômetro, mas podem danificar a rede. Discutimos neste a formação de bolhas e algumas características destas, o funcionamento e real ou não eficiência destes eliminadores, o projeto foi desenvolvido nos laboratórios de engenharia utilizando as bancadas de fenômenos de transporte disponíveis na unidade. Palavras-Chave: hidrômetro; escoamento bifásico; visualização do escoamento; medidor de vazão.
ANUÁRIO DA PRODUÇÃO DE
I NICIAÇÃO CIENTÍFICA DISCENTE
Vol. XII, Nº. 13, Ano 2009
RELAÇÃO BIFÁSICA GÁS/LÍQUIDO E SEU EFEITO NOS
MEDIDORES DE VAZÃO TIPO TURBINA
300 Relação bifásica gás/líquido e seu efeito nos medidores de vazão tipo turbina
1. INTRODUÇÃO
Medidores de vazão geralmente são elementos sensíveis ao comportamento do escoamento tais como o perfil de velocidade, à presença de rotação e também à turbulência e variações no meio fluido – NETO, A. S.; O medidor do tipo turbina é um dos modelos mais utilizados pelas concessionárias de abastecimento de água, para medição do volume consumido, e em algumas concessionárias, utiliza-se também para medir a taxa de esgoto, que é obrigatória. Por se tratar de um instrumento de fácil instalação, baixo custo de manutenção e principalmente por apresentar uma qualidade de medição muito boa, com erros da ordem de 0.25%, desde que estejam instalados de forma adequada. Uma das orientações de praticamente todos os fabricantes deste tipo de instrumento é em relação ao regime de escoamento no seu interior, que deve ser laminar e um meio monofásico, caso contrário as medições poderão sofrer desvios em função da desordenarão do fluxo e por isso devem ser corrigidas. Em qualquer sistema de transporte de fluidos, um elemento que mude a direção, obstrua ou dificulte o escoamento, trabalhará a favor da turbulência, conseqüentemente poderá gerar bolhas de ar (bifásico), além da própria velocidade de escoamento. Observando instalações comuns destes tipos de medidores, nota-se que em geral o medidor está localizado logo após uma válvula de controle de fluxo e um cotovelo 90º, o que facilita o turbilhonamento e geração de bolhas de ar. A discussão sobre o efeito da turbulência e da presença de bolhas no escoamento ainda é algo que não há um consenso entre a população usuária do sistema, as concessionárias fornecedoras do serviço e as empresas fabricantes dos chamados eliminadores de ar, daí a importância da discussão do assunto de forma técnica. Abaixo segue informações que nos levaram a realizar este estudo: A favor do uso dos eliminadores de ar:
- Reduzem até 30% nos valores pagos na conta de água;
- Não interferem no funcionamento normal dos hidrômetros;
- Aumentam a vida útil do hidrômetro e tubulações;
- Não têm peças sujeitas ao desgaste e reposição;
- Bloqueiam a entrada de contaminações externas; Contra o uso dos eliminadores de ar:
- A concessionária garante que em 99% dos casos não há ar na rede;
- É proibido se instalado sem o consentimento da empresa, antes do hidrômetro;
- Não há, segundo a SABESP, comprovação da eficácia do produto por
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- Leitura da vazão de água com presença de bolha (hidrômetro 2).
- Comparação entre as vazões medidas nos hidrômetros.
- Volta ao passo 4 alterando a vazão, com a bomba de água e injeção de ar até finalizar as variações previstas. Este procedimento foi elaborado pelo prof. Dr. Carlos Alberto de Almeida Vilela, que é o orientador deste projeto, alguns dados obtidos de (ISMAIL, 1998).
4. DESENVOLVIMENTO
Em situação normal de abastecimento de água o ar nas redes de abastecimento está presente em pequena quantidade, suas bolhas são de pequeno volume. Já em situações anormais, quando há falhas na entrega de água, o ar entra nas redes ocupando o seu lugar. Podendo o ar interferir em maior ou menor volume a medição e será alvo de nosso estudo. Trata-se pressão positiva quando temos o abastecimento normal e pressão negativa quando temos falhas no abastecimento e conseqüente entrada de ar na rede. O ideal é que o sistema de abastecimento sempre esteja trabalhando em pressão positiva, ou seja, a pressão interna da rede de abastecimento seja maior que a pressão atmosférica; caso contrario o ar entrará na rede. Como forma alternativa, há no mercado vários dispositivos que são chamados eliminadores ou bloqueadores de ar neste artigo o chamaremos de eliminador, que tem como objetivo a eliminação destas bolhas de ar no cavalete de medição, e a conseqüente redução no valor final pago a concessionária de abastecimento. Em contra partida, não deixando de citar o auto potencial de contaminação da rede pelo orifício encontrado em alguns destes eliminadores.
Figura 1 – Definição de fluido segundo Brunetti (2005). Faz-se necessário compreender a definição de fluido: “Fluido é uma substância que não tem uma forma própria, assume o formato do recipiente” (BRUNETTI, 2005) Figura 1.
Igor Silva Guimarães 303 Classifica-se o estado do fluido em estático ou dinâmico. Em redes de saneamento em funcionamento ideal a água encontra-se em movimento, o que tecnicamente é tratado como cinemática do fluido, tendo esta água uma velocidade, pressão, energia e conseqüente escoamento; sob as leis da cinemática do fluido foi desenvolvido processos para entrega da água nas residências/indústrias. A cinemática é a nossa base de estudo para analises em laboratório.
Em cinemática do fluido é necessário citar algumas propriedades referentes ao movimento, escoamento, energia e outros.
Figura 2 – Ilustração de escoamento (BRUNETTI, 2005). Quanto ao movimento, caracteriza-se em o permanente e variado; no primeiro as propriedades do fluido são invariáveis em cada ponto com o passar do tempo, as propriedades do fluido podem variar de ponto para ponto, desde que não haja variações com o tempo. Isso significa que, apesar de um certo fluido estar em movimento, a configuração de suas propriedades em qualquer instante permanece a mesma. Um exemplo prático disso será o escoamento pela tubulação do tanque da Figura 2, desde que o nível dele seja mantido constante. Regime variado é aquele em que as condições do fluido em alguns pontos ou regiões de pontos variam com o passar do tempo. Se no exemplo da Figura 2 não houver fornecimento de água por (1), o regime será variado em todos os pontos. (BRUNETTI, 2005).
Fonte: Imagem própria. Figura 3 – Escoamento laminar e turbulento. Quanto ao escoamento, recorre-se à experiência de Reynolds (1883), Figura 3, que demonstrou a sua existência e caracterizou em escoamento laminar e turbulento. Laminar é aquele em que as partículas se deslocam em lâminas individualizadas, sem troca de massa entre elas, imagina-se placas planas deslizando umas sobre as outras de forma
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Fonte: Foto própria. Figura 4 – Hidrômetro. A medição de consumos é realizada através de hidrômetro, Figura 4, baseado no princípio de funcionamento velocimétrico. Os medidores possuem uma turbina que é acionada pelo fluido em movimento (água ou ar). Ambos, água e ar, deslocam-se em função da diferença de pressão e adquirem velocidades tanto maiores quanto maior for essa diferença.
Na turbina do medidor, a velocidade é transformada em pulsos proporcionais (conjunto de engrenagens internas) a sua intensidade e transmitidos a um totalizador de volumes. Neste momento, está sendo medido e registrado o consumo do usuário. É interessante frisar, que há limites de velocidades, inferiores e superiores, fora dos quais o hidrômetro não funciona. Para velocidades muito baixas, a energia cinética não é suficiente para girar a turbina; para velocidades muito altas, acontece o fenômeno do patinamento (a turbina gira, mas não aciona o sistema que totaliza o volume). Em ambos os casos, há fluxo de água e/ou ar pelo aparelho, mas não é medido (MELO, 1997).
A calibração do hidrômetro é regulamentada pela NBR 8195 e a pressão da água nas redes de abastecimento é regulamentada pela NBR 12218. Sabendo que o desgaste do mecanismo interno de medição (turbina) e incrustação do hidrômetro pode influenciar na medição, forma tal que a combinação destes efeitos mais a presença de ar nas redes potencializam o erro nas medições, prejudicando o consumidor ou concessionária.
Condutos
Conduto é qualquer estrutura sólida, destinada ao transporte de fluidos. Os condutos são classificados quanto ao comportamento dos fluidos em seu interior, em forçados e livres.
O conduto é dito forçado quando o fluido que nele escoa, preenche totalmente a superfície do tubo, não deixando espaços livres, Figura 7 (a).
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Figura 7 – Condutos. (BRUNETTI, 2005) O conduto é dito livre quando o fluido em movimento apresenta uma superfície livre, Figura 7 (b), ou seja, há espaço em que o escoamento é bifásico. O ideal de funcionamento nas redes de abastecimento é que a classificação seja sempre forçada não havendo superfícies livres, que são bolhas de ar na tubulação, mas, quando há parada no abastecimento ou manutenção da rede de abastecimento, nos instantes da retomada de fluxo, haverá bolhas de ar na rede assim temos um conduto livre.
Eliminadores e bloqueadores de ar
O eliminador de ar é um dispositivo que, como o próprio nome diz, teria o objetivo de retirar o ar das tubulações de água. Não foi encontrado dentre os eliminadores pesquisados a forma técnica de funcionamento do equipamento. Considerada a complexidade do comportamento do fluxo e destas características do dispositivo eliminador de ar, para avaliar o comportamento quanto a sua influência nos valores totalizados pelo hidrômetro, o submetemos às condições operacionais da rede.
Formas de bolhas de ar em água
O padrão de escoamento bifásico horizontal foi utilizado para o estudo, por ser desta forma nos cavaletes de medição, analisando a ação gravitacional entre gás e líquido. Líquidos apresentam-se mais pesados, estes concentrarão em sua maioria na parte inferior do tubo e o gás por ser mais leve concentrará em sua maioria na parte superior.
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Escoamento intermitente: Mais distante do aumento da velocidade do gás, esta interface ondulatória tornou-se bastante larga para a lavagem no topo do tubo. Este regime é caracterizado por maior amplitude da onda na parte superior do tubo e pequena amplitude das ondas no centro. Grandes amplitudes resultam em formação de bolhas. A parede superior do tubo está quase constantemente molhada pela larga amplitude das ondas e uma fina camada entre estes. O escoamento intermitente é composto pelos regimes de escoamento Plug e Slug e são caracterizados por: Regime Plug : neste regime o líquido está separado do gás, que possui longas bolhas. O diâmetro destas longas bolhas é menor que o do líquido, a fase líquida é continua ao longo do tubo. Este regime também é chamado escoamento de alongadas bolhas, Figura 8. Regime Slug: caracteriza-se por alta velocidade do gás e respectivo alongamento das bolhas com diâmetros maiores em relação ao Regime Plug. Há também uma separação nítida entre líquido e gás, Figura 8. Escoamento Anular: é caracterizado por maior volume de gás escoando no centro do tubo, o líquido forma uma espécie de anel entorno do perímetro do tubo, pela maior velocidade e pressão que o gás possui referente ao líquido. A região de transição entre líquido e gás é composta por pequenas amplitudes das ondas, Figura 8. Escoamento Misto: Similar ao escoamento anular, diferindo na apresentação de partículas de líquido no interior do tubo, escoando junto ao gás, Figura 8.
4.1. Coleta de dados
A coleta de dados no laboratório de mecânica dos fluidos da Faculdade Anhanguera de Anápolis, seguiu-se conforme determinado na metodologia e procedimentos experimentais.
Fonte: Imagem própria. Figura 9 – Ilustração do eliminador de ar e hidrômetros.
Igor Silva Guimarães 309 Os dados da vazão do hidrômetro 1 (H1) e hidrômetro 2 (H2), para cada instante aferido, e logo após calculada a D% (diferença de percentual entre as medidas H1 e H2), Figura 9. D% = [(V1 – V2) / V1] * 100% (2) em que:
- D% é a diferença percentual entre os volumes registrados pelos hidrômetros H1 e H2 (%);
- V1 é o volume registrado pelo hidrômetro H1 (m³);
- V2 é o volume registrado pelo hidrômetro H2 (m³). 5. RESULTADOS
Inicialmente, deve-se destacar que, em condições normais de abastecimento, a presença de ar nas redes de distribuição de água é desprezível. Entretanto, há situações extraordinárias, onde ocorre o ingresso de volumes significativos de ar no sistema que podem alterar o valor do consumo registrado pelos hidrômetros. Tabela 1 – Diferença em percentual, na coleta de dados em laboratório. Coleta Vazão Hidrômetro 1 (V1)(m³/h) Vazão Hidrômetro 2 (V2)(m³/h) D% = [(V1 – V2) / V1] * 100%D% 1 0,0020 0,0020 0 2 0,0050 0,0049 2 3 0,0100 0,0098 2 4 0,0150 0,0147 2 5 0,2000 0,1950 2, 6 0,2500 0,2435 2, 7 0,3500 0,3410 2, 8 0,4500 0,4400 2, 9 0,5500 0,5355 2, 10 0,6500 0,6360 2,
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- Adoção de medidas comerciais compensatórias por parte das concessionárias, a cobrar taxas menores afim de não penalizar os usuários, quando houver paradas de abastecimento/manutenção.
- Reduzir as paradas técnicas e manutenções nas redes de abastecimento. No entanto, sua eficácia não foi comprovada. Não há qualquer normatização ou certificação que garanta o desempenho, a qualidade e a segurança na utilização desse dispositivo.
REFERÊNCIAS
BRENNEN, C. E. Multiphase flow. California Institute of Technology , dez. 2003. BRUNETTI, Franco. Mecânica dos fluidos. São Paulo: Prentice Hall, 2005. (PLT - Programa Livro Texto). ISMAIL, K. A. R.; GONÇALVES, M. M.; BENEVENUTO, F. J. Instrumentação básica para engenharia. Campinas: Editora da Unicamp, 1998. MELO, Elton J. O ar e sua influência na medição do consumo de água. 21º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. ABES. Anais... Foz do Iguaçu, PR, 1997. NETO, A. S. Introdução a turbulência nos fluidos. Uberlândia: Universidade Federal de Uberlândia, 2000. Apostila do curso. SOUZA, Robert Schiaveto de. Avaliação da influencia de um equipamento eliminador de ar na medição de consumo de água numa rede de distribuição. 23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. ABES. Anais... , Campo Grande, MS, 2005.
