BR102015027562A2 - direcionador de escoamento e hidrômetro velocimétrico dotado de direcionador de escoamento - Google Patents

Abstract

direcionador de escoamento e hidrômetro velocimétrico dotado de direcionador de escoamento, onde o direcionador de escoamento é um elemento dotado de uma construtividade a qual permite o direcionamento de um fluxo de algum fluido, preferencialmente utilizado no interior de um hidrômetro velocimétrico, realizando o direcionamento do fluxo de água do tubo de entrada para as pás da turbina de maneira equilibrada, diminuindo a perda de carga e os esforços da turbina.

Description

“DIRECIONADOR DE ESCOAMENTO E HIDRÔMETRO VELOCIMÉTRICO DOTADO DE DIRECIONADOR DE ESCOAMENTO” CAMPO DE APLICAÇÃO

[001] A presente invenção se refere a um direcionador de escoamento, elemento responsável por modificar a direção ou sentido de escoamento de fluidos. A presente invenção também se refere a um hidrômetro velocimétrico do tipo monojato, dotado de um elemento direcionador de escoamento.

DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA

[002] Hidrômetros velocimétricos são dispositivos que tem como função indicar o volume de água consumido em uma determinada instalação ou em um aparelho específico. Tais dispositivos são conhecidos como dispositivos de medição por inferência, tendo-se em vista, que a medição do volume não é realizada de maneira direta e sim calculada através da velocidade de passagem da água pelas pás de uma turbina.

[003] Esse tipo de hidrômetro é amplamente utilizado, em comparação com os hidrômetros volumétricos, devido a sua viabilidade econômica e o seu tamanho reduzido. Os hidrômetros volumétricos oferecem uma precisão mais avançada nas medições, porém, necessitam normalmente de uma estrutura muito maior do que os hidrômetros velocimétricos e consequentemente, sua fabricação é mais complexa e custosa. Seu funcionamento difere dos hidrômetros velocimétricos, já que a medição não é realizada por inferência. Nos hidrômetros volumétricos a medição se dá através do enchimento de uma câmara de volume conhecido, onde, uma vez conhecido o volume, a velocidade de enchimento deste fornece a vazão.

[004] No hidrômetro velocimétrico, para uma verossímia medição, faz-se necessário que tal dispositivo possua um sistema de leitura extremamente sensível, tendo em vista que qualquer imprecisão em sua construção acarretará em medições não condizentes com o real escoamento. Tais leituras, na maioria dos hidrômetros velocimétricos, são realizadas baseando-se no principio de equivalência de velocidade, onde as pás da turbina, em contato com a água, conectam-se à relojoaria do hidrômetro velocimétrico através de um pinhão magnético, o qual gira na mesma velocidade que a turbina. Movimentando-se as pás da turbina, o pinhão conectado à turbina aciona um sistema de redução presente na relojoaria o qual fornece o volume consumido.

[005] Outra preocupação recorrente ao se pensar em um hidrômetro velocimétrico é com relação às perdas de cargas sofridas pela água, durante o seu escoamento, no interior do dispositivo, bem como os efeitos do escoamento nas pás da turbina que realizará a medição do volume. Como na maioria das vezes trabalha-se em regime de escoamento turbulento, onde a perda de carga é maior do que em um regime de escoamento laminar, tendo em vista que, nesta situação, a perda de carga se dá em potência do número de Reynolds, o qual está diretamente relacionado com a velocidade do escoamento.

[006] Sendo assim, existe uma preocupação quanto à condição de escoamento no momento em que o hidrômetro velocimétrico realizará a medição da vazão volumétrica. Isto se deve ao fato de que, em um escoamento turbulento, a água é dotada de três características que dificultam a precisão na medição, sendo: as tensões turbulentas advindas das flutuações aleatórias da velocidade de escoamento; a pressão potencialmente variante em relação à vazão e o atrito da água em relação às paredes internas dos tubos devido a sua rugosidade.

[007] Essas condições ficam mais evidentes quando se analisa o funcionamento dos dois principais tipos de hidrômetros velocimétricos, sendo: hidrômetro velocimétrico monojato e hidrômetro velocimétrico multijato. Nos hidrômetros velocimétricos do tipo monojato, o escoamento é direcionado à câmara de medição, onde estão localizadas as pás da turbina, de maneira que a incidência do jato nessas pás se dê em um único ponto. Nesses hidrômetros velocimétricos do tipo multijato, essa incidência do jato de água nas pás da turbina se dá normalmente em pontos equidistantes entre si, acionando, assim, a turbina de maneira mais equilibrada.

[008] Esses dois tipos de hidrômetros velocimétricos assemelham-se em sua construção e funcionamento, tendo em vista que o direcionamento do escoamento de água se dá de forma muito semelhante. Nos hidrômetros tipo monojato, o escoamento é direcionado por um duto de passagem até às pás da turbina através de furos usinados na carcaça. Nos hidrômetros velocímetros do tipo multijato a porção inferior da câmara e posteriormente da turbina não se encontra apoiada na porção inferior interna da tubulação, criando, assim, uma área de armazenamento de água, tendo em vista que para não se deslocar diretamente para a saída do hidrômetro sem antes passar pelas pás da turbina, se faz necessário uma parede isolando a entrada do hidrômetro da saída do mesmo.

[009] O referido reservatório de água é o maior responsável pela perda de carga do escoamento, tendo em vista que nele, a água necessariamente tem uma redução abrupta de velocidade e um ganho considerado de pressão. Além disso, nos modelos de hidrômetros velocimétricos do tipo monojato, os referidos furos direcionadores aumentam o tempo e o custo de produção dos hidrômetros, tendo em vista que demandam um processo a mais de usinagem e exigem um alto controle dimensional decorrente da precisão angular dos furos e os seus respectivos diâmetros, de modo que qualquer variação em tais requisitos resultará em um aumento da margem de imprecisão da medição.

[0010] Pouco tem se desenvolvido na tentativa de diminuição do custo de produção dos hidrômetros velocimétricos, bem como na melhoria de sua eficiência, ou seja, diminuição da perda de carga. As invenções na área da hidrometria tem se direcionado a processos de calibração no intuito de aumentar o tempo de vida desses dispositivos, tendo em vista que com o desgaste de alguns componentes, como as pás da turbina ou o eixo magnético, as leituras tornam-se imprecisas.

[0011] Uma das tentativas que se pode verificar é a descrita na patente PI 0306050-0 A2, onde, com o intuito de restringir a entrada de ar na câmara de medição, nos momentos em que o escoamento é suspenso, introduziu-se um pino-trava, instalado na entrada da câmara de medição com o intuito de impedir o movimento da turbina. Essa invenção nada demonstra de efetivo na diminuição da perda de carga. Pelo contrário, ela apresenta um método que convive plenamente com a mesma.

[0012] Outra tentativa que se pode analisar é a descrita na patente PI 0901651-1 A2, onde o intuito foi desenvolver um hidrômetro velocimétrico automatizado, o qual possa realizar as leituras e transmiti-las via rede de dados móveis. Essa invenção, também, não apresenta nenhuma solução para as perdas de carga do escoamento ou aos custos de produção do hidrômetro velocimétrico.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0013] A presente invenção tem como objetivo apresentar e descrever um direcionador de fluxo de escoamento de fluidos dotado um formato característico contendo uma entrada, uma rampa e uma saída.

[0014] O presente direcionador é construído em um material específico visando a diminuição da rugosidade de suas paredes permitindo, desta maneira, a diminuição do atrito gerado entre o escoamento do fluido e suas paredes internas.

[0015] O direcionador de fluxo de escoamento foi concebido no intuito de ser aplicado em hidrômetros velocimétricos objetivando a diminuição da perda de carga, o aumento de precisão no momento da medição bem como a redução do custo de produção.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0016] Para uma completa compreensão e visualização da descrição realizada na descrição detalhada, porém, sem o intuito de limitar ou restringir o escopo desta invenção, são apresentados os seguintes desenhos, sendo que: a figura 1 representa a vista frontal, em perspectiva, do hidrômetro velocimétrico; a figura 2 representa a vista frontal, em perspectiva, do direcionador de fluxo de escoamento; a figura 3 representa a vista posterior, em perspectiva, do direcionador de fluxo de escoamento; a figura 4 representa a vista frontal em corte do hidrômetro velocimétrico; a figura 5 representa a vista superior em corte do hidrômetro velocimétrico.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0017] De conformidade com as figuras acima mencionadas, a presente invenção “DIRECIONADOR DE ESCOAMENTO E HIDRÔMETRO VELOCIMÉTRICO DOTADO DE DIRECIONADOR DE ESCOAMENTO” é apresentada na sua vista superior em corte na figura 1, compreendendo tanto o direcionador de escoamento quanto o hidrômetro velocimétrico contendo o direcionador de escoamento. O direcionador de escoamento (2) é constituído de duas partes principais, conforme figura 1, as quais conservam as suas características individuais e serão apresentadas em detalhes na sequência, sendo: (i) um corpo laminar curvilíneo (2a), compreendendo a parte posterior do direcionador de escoamento (2) e (ii) um corpo cilíndrico (2d), compreendendo a parte frontal do direcionador de escoamento (2).

[0018] O direcionador de escoamento (2), como apresentado nas figuras 2 e 3, é compreendido como dispositivo preferencialmente construído a partir de um polímero, o qual é obtido através de um processo de injeção em um molde de aço, que resulta em uma superfície mais uniforme, com acabamento superficial fino e liso.

[0019] Tal direcionador possui um formato singular compreendido em uma estrutura a qual pode-se dividir em duas porções para melhor elucidação, sendo um corpo laminar curvilíneo (2a), dotado de uma face frontal convexa (2b) e uma face posterior côncava (2c); e um corpo cilíndrico (2d), localizado no centro superior do corpo laminar curvilíneo (2a).

[0020] O referido corpo laminar (2a) possui sua face posterior em formato côncavo (2c) com o intuito de conformar, no momento da montagem, o direcionador de fluxo de escoamento (2) a câmara de medição (11), onde a respectiva câmara de medição (11) possui um formato circular em sua parte inferior. Desta maneira, o formato côncavo (2c) permite uma conformação sem folgas desnecessárias, desenvolvendo corretamente o escoamento na entrada das pás (7) da turbina (6).

[0021] Em contrapartida, o corpo laminar (2a) possui uma face frontal (2c) em formato convexo com o intuito de desenvolver uma obstrução no escoamento em auxilio com a parede interna (5) do tubo de entrada de água (4) do hidrômetro velocimétrico (1), formando desta maneira o sentido de escoamento apresentado na figura 3 e direcionando-o para a entrada do direcionador (2f).

[0022] O direcionador de escoamento (2) possui um corpo cilíndrico (2d), o qual é o responsável direto pelo direcionamento do escoamento. Quando montado no interior do tubo de entrada de água (4), o direcionador de fluxo (2) obriga necessariamente a passagem do fluido por um único caminho. Isso se dá através de sua montagem conformada tanto com a câmara de medição (11) quanto com o tubo de entrada de água (4) de maneira que o corpo laminar curvilíneo (2a), em sua porção inferior, encaixa-se na saliência formada entre o tubo de entrada de água (4) e a base da câmara de medição (9), criando uma restrição ao escoamento.

[0023] Uma vez instalado no interior do tubo de entrada de água (4), o direcionador de escoamento (2) receberá o escoamento de maneira que o fluido, após a passagem pelo filtro (3), encontre a parede frontal (2e) do corpo cilíndrico (2d), criando uma obstrução ao fluxo de passagem, aumentando sensivelmente a pressão interna do fluido. Com o aumento de pressão gerado, o fluido se direciona para a abertura angular (2f), encontrando as paredes internas (2g) e a rampa direcionadora (2h) os quais restringem o escoamento ao volume necessariamente correto para entrada nas pás (7) da turbina (6) através da saída (2i) do direcionador de fluxo (2) de modo a não criar nenhum tipo de esforço que venha a desbalancear a turbina (6).

[0024] O direcionador de escoamento (2), devido a sua superfície de acabamento mais fino resultante do fato de ser construído através do processo de injeção em molde de aço, apresenta uma superfície de menor rugosidade que proporciona a diminuição na perda de carga durante o escoamento.

[0025] Em um escoamento turbulento, os perfis de velocidades típicos apresentam tensões viscosas dominantes numa região muito próxima à parede do tubo, onde se localiza o gradiente de velocidade mais significativo, denominada subcamada viscosa. Com o direcionador de escoamento (2) construído a partir de um polímero sintético, consegue-se uma camada viscosa suficientemente espessa a ponto de cobrir os elementos de rugosidade, evitando perdas adicionais significativas e trabalhando com escoamento em regime hidraulicamente liso.

[0026] Outra característica importante do referido direcionador de escoamento (2) é que a sua construção em polímero sintético é economicamente mais viável em relação a construção tradicional em metal usinado. Verifica-se isso quando se compara o processo de usinagem necessário para se obter a tolerância dimensional exigida para os furos direcionadores dos hidrômetros velocimétricos conhecidos com o processo de injeção pelo qual se obtém o direcionador de escoamento (2) referido. No caso do processo de usinagem, é necessário um controle ferramental muito efetivo, o qual garanta que as ferramentas de furação e acabamento estejam calibradas a ponto de não comprometerem a estrutura a ser trabalhada.

[0027] Além desse controle, vários profissionais são utilizados nas muitas etapas necessárias para usinagem dos furos, sendo pelo menos um profissional para operação do torno, pelo menos um funcionário para operação da retifica, pelo menos um profissional para controle das ferramentas, entre outros, os quais tornam o processo de produção economicamente menos viável do que em relação ao processo de injeção de polímero sintético. Nesse processo de injeção, obtém-se através do próprio molde de metal o acabamento superficial necessário do direcionador de fluxo (2), eliminando assim uma etapa no processo de produção.

[0028] Tal direcionador de escoamento (2) foi concebido com objetivo de integrar preferencialmente um dispositivo do tipo hidrômetro velocimétrico (1), o qual pode-se dividir em duas outras partes além do direcionador de fluxo (2) sendo: (i) uma carcaça (17), a qual compreende toda a estrutura externa do hidrômetro velocimétrico (1) e; (ii) uma turbina (6) localizada na parte inferior interna da carcaça (17), num local denominado câmara de medição (11).

[0029] A carcaça (17) é construída preferencialmente a partir de uma liga metálica adequada e possui duas porções de tubo, uma localizada antes da turbina, denominada entrada de água (4) e outra imediatamente após a turbina, denominada saída de água (10) conforme a ilustrado na figura 1. A função da referida carcaça (17) é proteger a estrutura interna do hidrômetro velocimétrico permitindo que a água tenha apenas um caminho a seguir e assim realizar a medição de volume consumido.

[0030] No interior do tubo de entrada de água (4) da carcaça (17), encontra-se instalado um filtro (3), o qual tem a função de reter qualquer corpo sólido, que seja estranho ao escoamento de água, a fim de evitar a obstrução da turbina (6) ou do próprio tubo de entrada de água (4).

Qualquer corpo estranho que adentre o tubo de entrada de água (4) modificará o gradiente de velocidade do escoamento, gerando uma queda de pressão na entrada da turbina (6) e aumento a margem de erro de leitura e perda de carga localizada do hidrômetro velocimétrico (1).

[0031] Ainda no interior do tubo de entrada de água (4) da carcaça (17) do hidrômetro velocimétrico (1), encontra-se o direcionador de escoamento (2). Tal direcionador de escoamento (2) é construído a partir de um polímero sintético e tem como finalidade conduzir o escoamento de água do tubo de entrada de água (4) ao interior da câmara de medição (11) de maneira que as pás de movimentação (7) da turbina (6) não sejam submetidas a esforços e vibrações de desbalanceamento.

[0032] Encontra-se, no interior da carcaça (17), na porção compreendida entre o tubo de entrada de água (4) e o tubo de saída de água (10), a câmara de medição (11), conforme demonstra-se nas figuras 1 e 4, onde é realizada a medição de volume. Nesta câmara de medição (11), a água, após a passagem pelo direcionador de escoamento (2) é introduzida de modo a movimentar a turbina (6). O direcionador de escoamento (2) é construído em um ângulo especifico que possibilita escoamento de água equilibrado através das pás de movimentação (7) da turbina (6).

[0033] O movimento das pás de movimentação (7) da turbina (6) é transmitido através do eixo (8) da turbina (6) até o pinhão (12), localizado na parte superior da câmara de medição (11), denominado relojoaria (13). Esse movimento de giro do eixo (8) da turbina (6) e o movimento de giro do pinhão (12) são sincronizados na mesma velocidade devido a um acoplamento magnético. Esse acoplamento magnético permite, além desse movimento sincronizado entre o eixo (8) da turbina (6) e o pinhão (12), uma maior durabilidade do hidrômetro velocimétrico (1) devido à redução de atrito, uma vez que se utiliza um campo magnético para realizar o movimento sincronizado, diminuindo assim, o desgaste mecânico decorrente do contato físico entre as partes.

[0034] Na relojoaria (13) encontra-se o sistema redutor (14), o qual converte o movimento de giro do pinhão (12) em um sistema analógico de medição de volume. Esse sistema analógico é composto por diversas engrenagens (15), as quais conectam-se diretamente em um visor, na parte superior da carcaça (17), protegido por uma tampa (16), o qual é responsável por apresentar o valor de grandeza respectivo ao volume consumido pela instalação ou aparelho.

[0035] O hidrômetro velocimétrico (1) possui, também, um parafuso de ajuste fino (18), localizado na sua porção frontal, conforme ilustrado na figura 5. Tal parafuso de ajuste fino (18) tem a finalidade de controlar uma passagem secundária de água, a qual estabelece um pequeno volume de controle na câmara de medição (11). Esse volume tem como finalidade aferir se medição real da vazão está dentro dos valores aceitáveis de variação, estabelecidos em norma específica e atualmente entre ± 2%.

[0036] Neste caso, o procedimento de ajuste compreende o hidrômetro velocimétrico (1) alimentado com um volume conhecido e comparando-se o valor do volume conhecido com o volume medido e apresentado pelo mesmo. Se este volume estiver fora da variação aceitável, realiza-se o ajuste no parafuso de ajuste fino (18) de modo a adequar o valor apresentado a faixa de variação aceitável.

[0037] Deve ficar entendido que a presente descrição não limita a aplicação aos detalhes aqui descritos e que a invenção é capaz de outras modalidades e de ser praticada ou executada em uma variedade de modos, dentro do escopo das reivindicações. Embora tenham sido usados termos específicos, tais termos devem ser interpretados em sentido genérico e descritivo, e não com o propósito de limitação.

REIVINDICAÇÕES

Claims (7)

1. “DIRECIONADOR DE ESCOAMENTO”, caracterizado pelo fato de o direcionador de escoamento (2) ser constituído de duas partes principais sendo: (i) um corpo laminar curvilíneo (2a) compreendendo a porção posterior do direcionador de escoamento (2), em que o referido corpo laminar curvilíneo (2a) é dotado de face frontal convexa (2b) e face posterior côncava (2c); e (ii) um corpo cilíndrico (2d) compreendendo sua porção frontal do direcionador de escoamento (2), em que o referido corpo cilíndrico (2d) se localiza no centro superior do corpo laminar curvilíneo (2a) e é dotado de parede frontal (2e), abertura angular (2f), paredes internas (2g), rampa direcionadora (2h) e saída (2i).

2. “DIRECIONADOR DE ESCOAMENTO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado oelo fato de o direcionador de escoamento (2) ser construído preferencialmente em polímero.

3. “DIRECIONADOR DE ESCOAMENTO”, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado oelo fato de o direcionador de escoamento (2) possuir acabamento superficial fino, liso e de baixa rugosidade.

4. “HIDRÔMETRO VELOCIMÉTRICO", caracterizado pelo fato de possuir um direcionador de escoamento (2), e ser constituído de duas porções principais, sendo: (iii) uma carcaça (17), a qual compreende toda a estrutura externa do hidrômetro velocimétrico (1) e é protegida por uma tampa (16), e que possui duas porções de tubo, uma localizada antes da turbina, denominada entrada de água (4), onde encontra-se instalado um filtro (3), e outra imediatamente após a turbina, denominada saída de água (7), sendo que na porção intermediária entre o tubo de entrada de água (4) e o tubo de saída de água (7) encontra-se a câmara de medição (11); e (iv) uma turbina (6) localizada na parte inferior interna da carcaça (17), no interior da câmara de medição (11), referida turbina (6) dotada de pás de movimentação (7), um eixo (8) e um pinhão (12), alocados na relojoaria (13) que possui um sistema redutor (14) compostos por engrenagens (15).

5. “HIDRÔMETRO VELOCIMÉTRICO”, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de o direcionador de escoamento (2) localizar-se no interior do tubo de entrada (4), após o filtro (3) e antes da câmara de medição (11).

6. “HIDRÔMETRO VELOCIMÉTRICO”, de acordo com as reivindicações 4 e 5, caracterizado pelo fato de o direcionador de escoamento (2) conformar-se à câmara de medição (11).

7. “HIDRÔMETRO VELOCIMÉTRICO”, de acordo com as reivindicações 4, 5 e 6, caracterizado pelo fato de o direcionador de escoamento (2) direcionar o fluxo de água do tubo de entrada (4) para as pás de movimentação (7) da turbina (6).