APLICAÇÃO DO FENÔMENO DE TRANSPORTES NA INDÚSTRIA

Alunos: Patrick Sachetti Calegari
              Douglas da Silva
              Fabio Venancio

1.         INTRODUÇÃO

Na indústria o fenômeno de transportes está presente em inúmeros processos produtivos, seja para uma simples medição de pressão, nível ou para medições de vazões elevadas de gases ou vapores, normatizadas ou não.

Foi através do conhecimento em fenômeno de transportes que foi possível desenvolver equipamentos de medição que permitem que possamos conhecer em tempo real as informações das variáveis pertencentes à cada processo produtivo. Atualmente na indústria, diversas tecnologias vêm sendo aplicadas na medição de diversas variáveis. Graças ao constante aprimoramento dos instrumentos é possível realizar o controle automático dos processos de maneira muito mais eficiente.

 Neste trabalho, vamos apresentar como o fenômeno dos transportes é utilizado no setor industrial, descrevendo como ocorre a calibração de transmissores de nível por pressão diferencial.

2.         Fundamentação Teórica

Segundo Souza (2003), antigamente, para aplicações industriais, não havia sistemas de controle automático. O controle dos processos era baseado na intuição e experiência dos operadores. Como exemplo, cita-se o caso de controle da combustão. O operador era o instrumento de controle que julgava a necessidade da relação estequiométrica receber maior quantidade de ar ou combustível, e fazia-o observando a estabilidade e coloração da chama. Desta maneira o resultado era uma combustão de pouca qualidade, que implicava em consumo excessivo de combustível, altas emissões de gases e de material particulado.

O autor ressalta ainda que, atualmente a tecnologia envolvida nos sistemas de controle e instrumentação aplicados aos processos industriais, possibilita um aumento significativo na qualidade e eficiência do controle de processos.
Na sequência faremos uma breve fundamentação teórica sobre medição de pressão e nível, mais comumente empregadas nas indústrias.

1.  

2.1. Pressão

Sighieri (1973) diz que a pressão é uma grandeza física definida matematicamente, pela equação (2), como a razão entre a força e sua área de atuação. Formalmente, pressão é a força normal (perpendicular à área) exercida por unidade de área. O símbolo utilizado para expressar a pressão é a letra “P”.

P = F / A [N/m²]

(2)

Onde:
F: força [N]; e
A: área [m²].

Já Alves (2005) comenta que a medição de pressão é a mais importante na instrumentação, pois as medidas de pressão diferencial, vazão e nível são normalmente realizadas através da medição de pressão.

O autor diz ainda, que a pressão atmosférica também pode ser denominada de pressão barométrica, e representa a pressão exercida pelo ar sobre nós. No nível do mar, segundo o autor, corresponde a 760 mmHg, também conhecida por atmosfera padrão, com a densidade do mercúrio (Hg) de 13,5951 g/cm² e numa aceleração da gravidade de 9,80665 m/s². O instrumento utilizado para medir a pressão atmosférica é o barômetro.

Conforme França (2007, p.195):

A pressão menor que a pressão atmosférica é chamada de vácuo. Em outras palavras, o vácuo é usado para expressar uma pressão inferior à pressão atmosférica, ou seja, é o quanto abaixo a pressão de um determinado espaço está em relação à pressão atmosférica. A pressão relativa é medida tomando-se como referência à pressão barométrica vigente. Representa o excesso ou ausência de pressão em relação à pressão atmosférica, portanto pode ser positiva ou negativa. Os instrumentos mais utilizados para medir a pressão relativa são os manômetros. A pressão absoluta é a pressão positiva a partir do vácuo absoluto, ou seja, é a soma da pressão atmosférica local e da pressão relativa.

 

A medição de pressão é fundamental em praticamente todos os processos industriais, pois através disto, é possível saber se a pressão está dentro dos limites admitidos, de modo a não comprometer o funcionamento e segurança das instalações.

De acordo com Delmée (1982), existem diversas unidades para representar esta grandeza. As unidades mais utilizadas, bem como seus fatores de conversão, estão apresentadas na Tabela 2.1. A unidade de pressão utilizada no Sistema métrico (MKS) é o kgf/cm², no Sistema inglês/americano a unidade adotada é o lbf/pol² ou psi, já no Sistema internacional (SI) a unidade básica de pressão é o Pascal (Pa). O Pascal corresponde à pressão exercida por uma força de um Newton (N) atuando sobre uma área de um metro quadrado (m²).

Tabela 2.1 – Tabela de Conversão de Unidades de Pressão

Unid	Bar	KPa	Kgf/cm²	mH2O	mmHg	psi	InH2O	inHg
1 bar	1	100	1,0197	10,197	750,062	14,504	401,463	29,53
1 KPa	0,01	1	0,0102	0,1020	7,500	0,14504	4,01463	0,0295
1 kgf/cm²	0,9806	98,066	1	10	735,56	14,223	393,70	28,959
1mH2O	0,09806	9,8066	0,10	1	73,556	1,42233	39,370	2,8959
1 mmHg	0,001	0,133	0,0014	0,0136	1	0,019	0,54	0,03937
1 psi	0,0689	6,89	0,070	0,704	51,715	1	27,68	2,04
1 inH2O	0,0025	0,249	0,00254	0,0254	1,868	0,0361	1	0,0735
1 inHg	0,0338	3,386	0,0345	0,3459	25,4	0,491	13,595	1

Fonte: DELMÉE, 1982

2.2. Nível

De acordo com Alves (2005) a medição de nível em unidades industriais tem dois objetivos:
-     Avaliação de estoques em tanques de armazenamento e
-     Controle de processos contínuos.

No primeiro caso, existem sistemas completos de medição produzidos para serem instalados em grandes tanques de armazenamento.

Para o controle de processos contínuos, existem diversos tipos de sensores e medidores de nível. Os mais usados na indústria são os visores de nível, transmissores de empuxo (com bóias e tubo de torque) e os transmissores de pressão diferencial. A seguir serão descritos os mais comuns na indústria.

1.    

2.2.1.   Visores de Nível

A utilização de visores trata-se do meio mais elementar de medição de nível. Sighieri (1973) descreve que os visores funcionam através do princípio dos vasos comunicantes, de forma que garantem a confiabilidade da medição. São empregados em tanques de armazenamento como indicadores locais. São instalados entre dois pontos de um tanque, onde se deseja monitorar o nível, normalmente através de uma estrutura de aço, possuindo no campo de leitura um vidro transparente que permite a visão do produto no interior do tanque.

O autor ainda explica que a instalação destes visores é feita utilizando válvulas de isolação e dreno para permitirem a manutenção. No mercado está disponível em diversas dimensões, de acordo com a faixa de medição necessária, sendo possível também fazer a instalação destes visores em série, aumentando a faixa de medição. Deve-se tomar o cuidado de especificar a classe de pressão dos visores compatível com a do tanque.

2.2.2.   Transmissores de empuxo

 Sighieri (1973) relata que os transmissores de empuxo ou deslocador, também utilizam o princípio dos vasos comunicantes, possuem um reservatório entre os pontos de conexão ao processo. Neste reservatório está instalado o flutuador que transmite mecanicamente, através do tubo de torque, as variações de nível ao instrumento que a converte em um sinal padronizado elétrico (4 a 20 mA) ou pneumático (3 a 15 psi).

Este tipo de transmissor, geralmente, é mais utilizado em vasos de pressão para monitorar e/ou controlar o nível da interface entre condensado e vapor. No caso de se utilizar para controle, o centro do deslocador deve estar associado ao nível de operação normal da interface.

2.2.3.   Transmissores de pressão diferencial

Alves (2005) mostra que a medição de nível pode ser feita simplesmente medindo-se a diferença de pressão entre as partes superior e inferior do tanque onde se encontra o líquido. A altura da coluna manométrica do líquido é igual a pressão medida. Consequentemente, o volume e o nível no interior do tanque são proporcionais à pressão diferencial medida.

Diz ainda que estes transmissores são aplicados para controle de processos contínuos na medição de nível de tanques pressurizados. No caso de tanques à pressão atmosférica, a tomada da baixa pressão fica aberta a atmosfera.

2.3. Conceitos Básicos de controle de processos

De acordo com Ogata (1970), o objetivo de um sistema de controle automático é fazer com que, uma dada grandeza, permaneça estável a um valor pré-determinado.

De acordo com Mazzuco (2009), um controlador atua nos processos medindo a variável controlada e, comparando-a com um valor de referência, processando esta diferença no circuito de controle, acionando o atuador do elemento final de controle com o objetivo de eliminar ou diminuir as variações, que são indesejáveis no processo.

1.1.    

2.3.1.   Componentes e variáveis de um sistema de controle

Nesta seção serão descritos os principais dispositivos e variáveis que compõem um sistema de controle.

1.            

2.            

2.3.1.1.           Elemento primário de medição

Segundo Souza (2003), o elemento primário de medição é normalmente um sensor capaz de captar o valor de uma grandeza física e transformá-la em um sinal que possa ser lido pelo controlador.

Na Figura 2.1 estão representados alguns dos elementos primários de medição mais comuns nas indústrias. Da esquerda para direita vê-se um termômetro de resistência, também conhecido como termoresistência, depois estão ilustrados alguns tipos de placas de orifício utilizadas na medição de vazão, e por fim tem-se o tubo de bourdon, utilizado para medição de pressão relativa.

Fonte: ecil, 2012.

Fonte: Flowmaster, 2012

 

2.1.            

Fonte: autor, 2012

                                    

 Figura 2.1 – Elementos primários de medição

2.2.            

1.1.    

2.3.1.2.           Transmissor

De acordo com Souza (2003), o transmissor é um dispositivo capaz de emitir um sinal padrão (elétrico, pneumático), proporcional ao valor da grandeza física medida pelo elemento primário de medição.

Da esquerda para a direita, na Figura 2.2, vê-se um transmissor de pressão diferencial utilizado na medição de pressão, vazão e nível. Na sequência vê-se um transmissor de temperatura.
 

   Figura 2.2 – Transmissores

Fonte: SMAR, 2012

 

2.3.1.3.           Controlador

Souza (2003) diz que o controlador é o equipamento que executa as ações de controle propriamente ditas, ou seja, o controlador produz um sinal de comando no sentido de eliminar o erro de controle. Na Figura 2.3 vê-se alguns modelos de controladores universais de processo.

                              Figura 2.3 – Controladores universais de processo

                              Fonte: Presys, 2012.

2.3.1.4.           Atuador

Conforme Souza (2003), o atuador é o componente responsável pelo acionamento do elemento final de controle (como uma válvula, comporta, pistão, etc.).

Alguns modelos de atuadores estão representados na Figura 2.4, normalmente possuem botões para comando local e indicação de status.

                                                            Figura 2.4 – Atuadores
                                                            Fonte: COESTER, 2012

2.3.1.5.           Elemento final de controle

O elemento final de controle, segundo Souza (2003), é o dispositivo, diretamente conectado ao processo, com potência suficiente para agir sobre a variável manipulada afim de regular a variável controlada, geralmente são válvulas, motoredutores, etc.

A Figura 2.5 ilustra o elemento final de controle mais utilizado nos processos industriais, trata-se de uma válvula globo, tipo gaiola e com sede simples.

 

Figura 2.5 – Elemento final de controle

Fonte: Spirax Sarco, 2011.

2.3.1.6.           Variável controlada

Souza (2003) diz que a variável controlada é a grandeza a ser controlada (temperatura, pressão, vazão, nível, etc.).

2.3.1.7.           Referência (”setpoint”)

Souza (2003) descreve que a referência é o valor desejado da variável controlada, ou seja, é o ponto desejado de controle. Este sinal pode ser estabelecido pelo operador em modo manual ou pode ser obtido através de cálculo de um “setpoint” externo.

2.3.1.8.           Erro de controle

Segundo Souza (2003), o erro de controle é a diferença entre o “setpoint” e o sinal correspondente ao valor real da variável controlada.

2.4.  Exemplo de um Sistema de controle de processo

Para auxiliar a compreensão do texto, nesta seção será apresentado um exemplo de controle de processo típico, para melhor ilustrar o tema.

1.1.    

2.4.1.   Controle de um aquecedor de água

Para uma melhor compreensão de um sistema de controle, é ilustrado na Figura 2.7 um trocador de calor como exemplo a um processo industrial típico. O mesmo trocador de calor, na Figura 2.8, está representado no formato de diagrama de blocos.

No caso do trocador de calor, o processo consiste na operação de controlar o fornecimento de energia térmica ao fluído a ser aquecido. O processo e suas variáveis são apresentados abaixo.

-     Processo: troca de calor entre o vapor e a água fria através das paredes dos tubos do aquecedor;

-     Variável Controlada: temperatura da água quente;
-     Variável Manipulada: vazão de vapor;
-     Meio controlado: água quente;
-     Elemento Final de Controle: válvula pneumática de controle;
-     Perturbações: temperatura e pressão do vapor, temperatura e vazão da água fria, vazão da água quente, condições do aquecedor etc.

 

Figura 2.7 – Fluxograma trocador de calor a vapor.

Fonte: Antônio César Pasquoto Melo, 1980.

 

Figura 2.8 – Diagrama de blocos trocador de calor a vapor.

Fonte: Antônio César Pasquoto Melo, 1980.

3.         EXEMPLO APLICAÇÃO DO FENÔMENO DE TRANSPORTES NA INDÚSTRIA

Nesta seção abordaremos de maneira bastante clara e direta como os fenômenos dos transportes permite a automação e a supervisão das variáveis de cada processo.

Portanto, logo abaixo, exemplificaremos o processo de calibração de um transmissor de pressão diferencial. Este transmissor é utilizado na medição de nível de um tanque de água desmineralizada (ver figura 3.1) utilizada no processo de geração de energia elétrica de uma usina termelétrica.

Figura 3.1 Tanque Água Desmineralizada

Fonte: Documento do acervo técnico da Tractebel Energia

 

3.1. Verificação de calibração transmissor de nível

No caso da medição de nível do tanque de água desmineralizada, por se tratar de um tanque submetido somente à pressão atmosférica, está medição poderia ser realizada por um transmissor de pressão manométrica. Diferentemente dos tanques que trabalham pressurizados, onde a medição de nível deve ser feita por transmissores de pressão diferencial, ultrassônicos ou radares. Entretanto, neste caso optou-se em utilizar um transmissor de pressão diferencial, ou seja, a tomada positiva conectada na linha de impulso na base do tanque e a tomada negativa à atmosfera. Assim, a medição não sofre variações em função de variações na pressão atmosférica.

Desta maneira, necessitamos apenas conhecer a altura do tanque e o fluído, pois com estas informações já podemos definir o valor de calibração deste transmissor. Pois sabemos que a densidade da água a temperatura ambiente é aproximadamente 1000 (kg/m³) e cada 1000 mm de altura do tanque equivale a 1000 mm de coluna d’água. O valor de calibração para o tanque da figura 3.1 pode ser obtido, diretamente, multiplicando-se a densidade relativa da água desmineralizada pela altura a ser medida, conforme pode ser visto na nas expressões abaixo. Um esquema para auxiliar na interpretação do método utilizado para obtermos o DP, está apresentado na figura 3.2.

Chamando de P1 a pressão na tomada positiva do transmissor e P2 a pressão atmosférica temos o seguinte:

DP = P1 – P2

P1 = {[r(H₂O) . g . h] + [r(ar) . g . h]}

P2 = [r(ar) . g . h]

Logo:

DP = {[r(H₂O) . g . h] + r(ar) . g . h} – r(ar) . g . h

Assim, façamos as simplificações possíveis

Cortam-se em todas as expressões a gravidade.

DP = [r(água) . h + r(ar) . h – r(ar). h

Como “r(ar). h” representa a pressão atmosférica e a temos aplicada em ambas as tomadas de impulso do transmissor, log uma anula a outra, podendo também serem eliminadas.

Assim, a pressão diferencial correspondente ao nível do tanque pode ser simplesmente o produto da densidade relativa da água e altura a ser medida.

DP= r(H₂O) . h

Onde:

r: corresponde a densidade do fluído;

h: corresponde a altura a ser medida.

 

 

Figura 3.2 Medição de nível em tanques abertos

Fonte: Fonte: imagens da internet/2013

3.1.1.   Procedimento de verificação de calibração

Para verificarmos a calibração de um transmissor de pressão diferencial, precisamos de algumas ferramentas específicas para este fim, as mesmas estão exibidas na figura 3.3.

O procedimento consiste em desconectarmos fisicamente o transmissor da tomada de impulso com o auxílio de algumas ferramentas manuais, expostas na figura 3.3 A. Após isto é necessário conectarmos, através de uma mangueira, o calibrador de pressão, que pode ser visto na figura 3.3 B. Na sequência deve-se conectar um miliamperímetro no circuito elétrico do transmissor para obtermos o sinal de saída analógico, proporcional a pressão aplicada ao transmissor em prova. Neste caso, utilizamos um alicate miliamperímetro, que basta envolver o condutor de saída do transmissor, não havendo necessidade de desconectar fios no transmissor, o mesmo está exibido na figura 3.3 C.

  A

 

B

C

1.2.    

Figura 3.3 Ferramentas para calibração de transmissores de pressão

Fonte: imagens da internet/2013

Após conferirmos a vedação das conexões entre a saída do calibrador de pressão e entrada da tomada positiva do transmissor em prova, iniciamos o procedimento aplicando pressão nos valores correspondentes a 0 % (zero), 25% (vinte e cinco), 50% (cinquenta), 75% (setenta e cinco) e 100% (cem) e efetuando as leitura de corrente elétrica na saída do transmissor. A planilha com as leituras é apresentada na Tabela 3.1.
De acordo com os valores obtidos, o técnico pode verificar o erro apresentado pelo transmissor. Cabendo avaliar a necessidade de fazer ajustes ou não, de acordo com a exatidão requerido para o instrumento.

Tabela 3.1 Tabela calibração Transmissor Tanque Água Desmineralizada

Percentual do sinal (%)	Pressão aplicada (mmH2O)	Saída teórica (mA)	Leitura 01 (mA)	Leitura 02 (mA)	Leitura 03 (mA)
0	0	4	3,98	3,99	3,99
25	1500	8	7,99	7,99	7,99
50	3000	12	11,99	12,00	12,00
75	4500	16	16,00	16,00	16,00
100	6000	20	20,00	20,00	20,01

Os dados obtidos neste processo de verificação de calibração, foram considerados satisfatórios, não havendo a necessidade de ajustes do instrumento. Desta maneira, basta conectar fisicamente o transmissor ao processo e o mesmo está apto a efetuar a medição de nível do tanque com a confiabilidade e exatidão requerida pelo processo.

1.    

2.    

2.1.