BR102020025297A2 - Medidor de microvazão e método de calibração do medidor - Google Patents

Abstract

A presente invenção compreende um medidor de microvazões e seu método de calibração que lhe confere trabalhar em uma ampla faixa de vazões, dimensões de microcanais e com fluidos puros ou na presença de nanopartículas suspensas (nanofluidos). O medidor compreende um transdutor diferencial de pressão conectado através de um tubo capilar conformado na forma de “U”, em que o valor da pressão medido em um segmento do microcanal é correlacionado com a vazão mássica a partir de um método de calibração realizado de acordo com as necessidades do usuário. O diâmetro e comprimento do tubo capilar também variam de acordo com a necessidade de medida de vazão do usuário. A geometria em “U” dos tubos capilares impede que eventuais nanopartículas presentes no escoamento entrem em contato e, consequentemente, se depositem no elemento sensor do transdutor de pressão diferencial, o que afetaria a medida e resultaria em imprecisões na estimativa da vazão mássica.

Description

MEDIDOR DE MICROVAZÃO E MÉTODO DE CALIBRAÇÃO DO MEDIDOR Campo da invenção:

[001] A presente invenção se insere no campo das tecnologias dedicadas a sistemas de medição de escoamento de fluidos, mais especificadamente em um medidor de vazão destinado a microfluídica e seu método de calibração que confere à tecnologia uma ampla aplicabilidade em microfluídica. Em que, a vazão medida pelo medidor proposto baseia-se na correlação da queda de pressão de escoamentos monofásicos de fluidos puros ou na presença de nanopartículas suspensas no fluido (nanofluido) com a vazão mássica do escoamento.

Fundamentos da invenção:

[002] A escolha de sistemas de medição e instrumentação é fundamental para o monitoramento in-line de escoamentos monofásicos em sistemas de transferência de calor baseados em microfluídica, tais como a refrigeração de microprocessadores, células fotovoltaicas com concentrador solar e células combustíveis de hidrogênio. Onde os principais fluidos utilizados em sistemas microfluídicos são etanol, água e fluidos refrigerantes, no caso de nanofluidos, a água é o principal fluido utilizado como base.

[003] O monitoramento in-line do escoamento de nanofluidos, definidos pela adição de nanopartículas em determinado fluido base, apresenta-se como um desafio devido à presença das nanopartículas no escoamento, onde as referidas nanopartículas, além de se depositarem em regiões da tubulação, alteram as propriedades do fluido no qual estão dispersas. Estes dois efeitos resultam em erros no monitoramento da vazão por instrumentos convencionais.

[004] Sendo assim, o desenvolvimento de instrumentos que possam monitorar o fluido em certas condições é essencial para capturar possíveis oscilações da vazão a fim de evitar danos ao dispositivo.

[005] As soluções comerciais utilizadas para a medição da vazão, tais como do tipo placa de orifício, tubo Venturi, bocal, palhetas e turbina apresentam problemas na aplicação em microfluídica devido a fatores construtivos como contrações, expansões e componentes móveis que compõem as referidas válvulas, e que inviabilizam seu uso em dispositivos com dimensões reduzidas, tais como dispositivos microfluídicos.

[006] Atualmente, existem outras soluções mais sofisticadas que permitiriam a medição de microvazões, como por exemplo medidores de vazão do tipo ultrassônico, eletromagnético e Coriolis. Entretanto, além de apresentarem um custo muito mais elevado, não possibilitam a medição da vazão em escoamentos envolvendo nanofluidos, pois as nanopartículas podem se depositar nas partes móveis e no sensoriamento destes medidores, afetando também a massa da tubulação (modos de vibração), de forma a resultar em imprecisões na medida da vazão.

[007] Em vista disto, a presente invenção refere-se a um medidor de microvazão baseado na queda de pressão aplicado a escoamentos monofásicos de fluidos puros e nanofluidos, em que o medidor apresenta um método de calibração que lhe permite avaliar microvazões com alta confiabilidade inclusive na presença de nanopartículas suspensas no fluido de trabalho e que compreende um transdutor diferencial de pressão conectado através de um tubo capilar conformado na forma de “U”. O valor medido pela perda de pressão é correlacionado com a vazão mássica a partir de um método de calibração realizado de acordo com as necessidades do usuário. A geometria em “U” dos tubos capilares da presente invenção impede que eventuais nanopartículas presentes no escoamento entrem em contato e, consequentemente, se depositem no elemento sensor do transdutor de pressão diferencial, o que afetaria a medida e resultaria em imprecisões na estimativa da vazão mássica.

[008] Além disso, o medidor proposto pela presente invenção permite que o usuário dimensione o comprimento e diâmetro do tubo principal, onde a perda de pressão será medida, de forma a adaptá-lo à faixa de vazões nas quais o medidor irá trabalhar. Ressalta-se também que os capilares em “U” reduzem a possibilidade de acúmulo de gás nas conexões entre o tubo onde a perda de pressão é medida e o transdutor diferencial de pressão, reduzindo assim a possibilidade de erros na medida da vazão. Tal procedimento atribui ao medidor uma característica de versatilidade, podendo trabalhar posicionado em qualquer orientação (vertical, inclinado ou horizontal) sem acréscimo no risco de acúmulo de gás na tubulação e, consequentemente, incremento do erro nas medidas mesmo em valores reduzidos de vazão, como verificado em sistemas que utilizam trocadores de calor baseados em microcanais.

Estado da técnica:

[009] O documento JP 2010117159, “MICRO-FLOW METER AND MICRO-FLOW MEASURING METHOD” descreve um medidor de microvazão onde o fluido escoa através de um microcanal, assim como na presente invenção, entretanto no referido documento, o fluido é aquecido ao longo do microcanal, com a vazão sendo relacionada com o incremento da temperatura ao longo do medidor. Vale ressaltar que a presença de nanopartículas no escoamento altera suas propriedades termodinâmicas e de transporte, alterando também a transferência de calor. Tal fato resultaria em imprecisões nas medidas através do método proposto na patente JP 2010117159.

[010] O documento CN 101191738, “DIFFERENTIAL PRESSURE TYPE LIQUID FLOWMETER”, descreve um medidor de vazão baseado na queda de pressão no escoamento devido à presença de uma restrição na tubulação, a qual trata de uma contração seguida por uma expansão, ambas não abruptas. A perda de pressão é então medida na entrada e saída da restrição. Vale ressaltar que a fabricação de componentes com uma contração e expansão nas dimensões verificadas em microcanais é extremamente complexa, inviabilizando o uso deste medidor para microvazões.

[011] O documento KR 101178038, “DIFFERENTIAL PRESSURETYPE MASS FLOW METER WITH DOUBLE NOZZLES”, descreve um medidor de vazão baseado na queda de pressão no escoamento devido à presença de restrições na tubulação. Neste caso, diferentemente do que é observado no documento CN 101191738, duas restrições no formato de bocais são inseridas no escoamento. A perda de pressão a ser relacionada com a vazão é medida entre uma posição à montante do primeiro bocal e entre os dois bocais. O documento KR 101178038, assim como o documento CN 101191738, requer um processo de fabricação complexo quando se trata de dimensões verificadas em microcanais, inviabilizando o uso deste medidor para microvazões.

[012] Os documentos “An investigation of the effect of nanoparticle composition and dimension on the heat transfer coefficient during flow boiling of aqueous nanofluids in small diameter channels (1.1 mm)” (DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2017.07.020), “Experimental evaluation of thermal instabilities during flow boiling of di-water in microchannels having their surfaces covered with nanoparticles” (DOI: 10.26678/ABCM.COBEM2017.COB17-2141) e “Experimental and numerical study of slightly loaded water alumina nanofluids in the developing region of a 1.1 mm in diameter pipe and convective enhancement evaluation” (DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.08.028) descrevem uma versão inicial da presente invenção em que determinadas características construtivas são específicas e restritas, tais como: (i) material (vidro) e dimensões do tubo onde a perda de pressão é medida; (ii) material dos canais em formato de “U” (vidro); (iii) tipo dos medidores de temperatura e de diferencial de pressão. Na versão prévia do medidor de microvazão, seu posicionamento de operação era restrito no sentido horizontal, pois a tubulação de vidro e em “U” apresentava um volume consideravelmente superior ao do tubo onde a perda de pressão era medida. Este incremento no volume, associado as conexões necessárias para vedação dos tubos em “U”, aumentam o risco de imprecisões na medida da perda de pressão e, consequentemente, vazão mássica relacionados a possíveis danos a tubulação ou acúmulo de ar nas conexões. Ressalta-se também, o fato de a versão prévia do medidor de microvazão apresentar uma faixa de medida restrita devido a seu dimensionamento ser específico. Já o medidor da presente invenção pode ser dimensionado para uma gama maior de microvazões e/ou microcanais, além de poder operar em diferentes posições.

[013] O documento US 9488516, “ON-TOOL MASS FLOW CONTROLLER DAGNOSTIC SYSTEMS AND METHODS”, descreve um sistema e método para gerenciar e manter um fluxo de massa em que é utilizado um medidor de vazão mássica por sensores térmicos que podem ser substituídos por medidor de Coriolis, ultrassônico ou por diferencial de pressão. Porém, é importante ressaltar que medidores de vazão por diferencial de pressão, como os citados pelo documento US 9488516, tratam de placas de orifício, bocais e tubos Venturi. Ademais, os autores ressaltam que o importante é obter a vazão no bypass, a qual utilizam para calcular a vazão total, diferentemente do que é feito na presente invenção, onde o medidor de vazão em si foi desenvolvido. Com isto, ressaltase que existem diferenças significativas entre o documento US 9488516 e a presente invenção.

Breve descrição da invenção:

[014] A presente invenção compreende um medidor de microvazões e seu método de calibração que confere lhe trabalhar em uma ampla faixa de vazões, dimensões de microcanais e com fluidos puros ou na presença de nanopartículas suspensas (nanofluidos). O medidor compreende um transdutor diferencial de pressão conectado através de um tubo capilar conformado na forma de “U”, em que o valor da pressão medido em um segmento do microcanal é correlacionado com a vazão mássica, a partir de um método de calibração realizado de acordo com as necessidades do usuário. O diâmetro e comprimento do tubo capilar também variam de acordo com a necessidade de medida de vazão do usuário. A geometria em “U” dos tubos capilares impede que eventuais nanopartículas presentes no escoamento entrem em contato e, consequentemente, se depositem no elemento sensor do transdutor de pressão diferencial, o que afetaria a medida e resultaria em imprecisões na estimativa da vazão mássica.

Breve descrição das figuras:

[015] Para obter uma total e completa visualização do objeto desta invenção, são apresentadas as figuras as quais se faz referências, conforme se segue.

[016] A figura 1 mostra o medidor de vazão da presente invenção em sua configuração preferencial.

[017] A figura 2 mostra o fluxograma do método de calibração do medidor proposto pela presente invenção.

Descrição detalhada da invenção:

[018] A presente invenção compreende um medidor de vazão destinado à microfluídica e seu método de calibração, em que o referido método confere ao medidor uma ampla aplicabilidade em canais com diâmetros menores que 3 mm e com fluidos puros ou na presença de nanopartículas suspensas no fluido (nanofluido), onde a vazão medida pelo medidor proposto baseia-se na correlação da queda de pressão de escoamentos monofásicos com a vazão mássica do escoamento.

[019] O medidor proposto pela presente invenção, conforme ilustrado na Fig. 1, é baseado na perda de pressão do escoamento ao longo de um tubo (1) de diâmetro e comprimento conhecidos. A variação da pressão no tubo (1) é medida através de um transdutor diferencial de pressão (5) conectado a um ponto à montante do escoamento do tubo (1), definido como entrada (3), e em um ponto à jusante do escoamento, definido como saída (2), em que na entrada (3) e na saída (2) também são acoplados sensores de temperatura (6) para medir a temperatura do fluido. A referida entrada (3) e saída (2) são conectadas ao transdutor diferencial de pressão (5) por meio de tubos capilares (4) conformados em formato de “U”, em que a fixação das referidas entrada (3) e saída (2) pode ser realizada através de conexão flangeada, de encaixe por interferência, soldagem ou por rosca e com ou sem a utilização de elementos de vedação, sendo preferencialmente por flanges e com o auxílio de o-ring para vedação.

[020] Mais especificadamente, o medidor proposto é indicado para escoamentos incompressíveis (número de Mach inferior a 0,3), em fluidos newtonianos em regime permanente e nanofluidos com concentração volumétrica inferior a 2%, faixa na qual o modelo de Einstein para a viscosidade é recomendado. Ademais, a faixa de dimensões que o tubo (1) pode apresentar se dá com relação ao transdutor diferencial de pressão (5) adotado, em que quanto mais abrangente a faixa de medidas do transdutor (5), maior pode ser o comprimento do tubo (1), o qual deve apresentar preferencialmente diâmetros inferiores a 3 mm e comprimentos de até 100 mm, sendo então, consequentemente, aplicado a microcanais confeccionados de materiais poliméricos, ligas metálicas ou vidro.

[021] O transdutor diferencial de pressão (5) indicado é preferencialmente constituído de membranas piezorresistivas e deve ser selecionado de acordo com a faixa de perda de pressão esperada para o tubo (1). No geral, tais equipamentos possuem uma faixa de trabalho máxima de 0-3 kPa, 0-10 kPa, 0-30 kPa ou 0-300 kPa e a escolha deve ser feita para que a máxima vazão do tubo (1) corresponda a valores de perda de pressão próximos ao limite do transdutor (5), de forma a minimizar erros na medida.

[022] Os sensores de temperaturas (6) utilizados no medidor podem ser dos tipos termopar, pt100, pt1000 ou termistores em contato direto ou não com o fluido de trabalho, que funcione na faixa de temperatura do fluido e com sensibilidade inferior a 0,5°C, sendo preferencialmente termopares conectados na entrada (3) e saída (2) do medidor.

[023] A geometria dos tubos capilares (4) foi selecionada de forma a impedir que eventuais nanopartículas, no caso de escoamentos envolvendo nanofluidos, atinjam o elemento sensor do transdutor diferencial de pressão (5). Tal efeito seria maléfico a medida da vazão pois as nanopartículas acabariam se depositando no elemento sensor do transdutor diferencial de pressão (5), alterando suas propriedades mecânicas de forma a proporcionar erros na medida da perda de pressão e, consequentemente, no cálculo da vazão. Com os tubos capilares (4) no formato de “U”, é garantido que as nanopartículas não entrem em contato com o elemento sensor do transdutor de pressão diferencial (5) de forma a manter a precisão das medidas, mesmo após longo tempo de uso do medidor.

[024] Para a determinação de uma relação entre vazão mássica e perda de pressão detectada pelo medidor, o método de calibração proposto pela presente invenção partiu da equação para a queda de pressão em escoamento completamente desenvolvido no interior de dutos, Eq. (1).

[025] Substituindo a velocidade pela vazão volumétrica (Q) sobre área da seção transversal (A) na Eq. (1), obtemos:

[026] Como vazão volumétrica pode ser definida pela vazão mássica (m) sobre densidade do fluido (ρ) e substituindo a área da seção transversal pela área de um círculo de diâmetro “d”, obtemos da Eq. (2):

[027] Rearranjando a Eq. (3), obtemos então:

[028] Decidiu-se então, após uma análise dos parâmetros envolvidos, que a equação a ser ajustada empiricamente seria a seguinte:

[029] Sendo µ a viscosidade do fluido estimada a partir da temperatura média entre a entrada (3) e saída (2) do fluido no medidor (aferidas através dos medidores de temperatura (6)) e µ20°C a viscosidade do fluido de trabalho em questão estimada por meio de tabelas termodinâmicas ou softwares comerciais para uma determinada, e fixa, temperatura, apresentada neste documento como sendo 20°C. Vale ressaltar que a escolha da temperatura de referência utilizada para estimar a viscosidade de valor fixo, neste caso µ20°C, fica a cargo do usuário. Os coeficientes a1 (coeficiente angular), a2 (coeficiente linear), b1 (coeficiente angular) e b2 (coeficiente linear) consistem em parâmetros a serem ajustados através dos dados dos testes iniciais por meio de análise de regressão linear ou por meio de métodos de otimização matemática, em que compreendem a regressão linear, mínimos quadrados ou máxima verossimilhança, sendo preferencialmente o método dos mínimos quadrados.

[030] Para escoamentos envolvendo nanofluidos, a viscosidade do fluido (µ) deve corrigida por meio do modelo de Einstein, Eq. (8).

onde, µnano – Viscosidade do nanofluido; µ – Viscosidade do fluido base; ε – Concentração volumétrica do nanofluido.

[031] O método para calibração aplicado ao medidor de microvazão ora em questão, ilustrado esquematicamente no formato de um fluxograma na Fig. 2, compreende a realização de testes de fluidos puros na faixa de vazão e temperaturas do fluido na qual o medidor irá trabalhar para encontrar os coeficientes das equações 5, 6 e 7.

[032] Inicialmente, os parâmetros C e B são ajustados para uma determinada temperatura do fluido de trabalho. Para tal ajuste, ensaios são realizados para uma temperatura do fluido constante contemplando a faixa de vazão desejada para que o medidor trabalhe. Nestes ensaios, a vazão deve ser constante para cada condição avaliada e ser medida simultaneamente através de qualquer método paralelo, como por exemplo medidores do tipo Coriolis ou medindo a massa do fluido que passa pelo medidor ora em questão, em um intervalo de tempo com o auxílio de uma balança de precisão e um cronômetro. Através dos dados experimentais de vazão, m, e perda de pressão, Δp, ajustam-se os coeficientes C e B por meio da Eq. (5) utilizando análise de regressão linear ou por meio de métodos de otimização matemática, em que compreendem a regressão linear, mínimos quadrados ou máxima verossimilhança, sendo preferencialmente o método dos mínimos quadrados.

[033] Após o ajuste dos coeficientes C e B para determinada temperatura, a mesma é modificada e o procedimento de ajuste das curvas C e B através da Eq. (5) repetido, conforme indicado na Fig. 2. O procedimento de determinação dos coeficientes C e B deve ser repetido para toda a faixa de temperaturas na qual o medidor ora em questão irá trabalhar n vezes, onde n é preferencialmente maior que 5. Após a realização de todos os ensaios de calibração e dispondo dos valores de C e B, ajustam-se através de uma regressão linear os coeficientes a1, a2, b1 e b2 referentes as Eq. (6) e (7) por meio análise de regressão linear ou por meio de métodos de otimização matemática, em que compreendem a regressão linear, mínimos quadrados ou máxima verossimilhança, sendo preferencialmente o método dos mínimos quadrados.

[034] Posteriormente realiza-se a comparação entre os dados experimentais obtidos durante a calibração do medidor ora em questão, e o valor estimado para a vazão através do método aqui proposto. Uma análise estatística do erro na estimativa da vazão indicará a incerteza do medidor, correspondente a ±2 vezes o desvio padrão do erro das medidas.

[035] Sendo assim, o método de calibração descrito permite a realização de medidas confiáveis de vazão de fluidos puros e nanofluidos em sistemas constituídos de microcanais, mesmo a longo prazo, algo não completamente garantido pelos atuais medidores.

[036] Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes, abrangidas no escopo das reivindicações anexas.

Claims (14)

1. Medidor de microvazão conectado em um tubo (1) caracterizado pelo fato de compreender: uma saída (2); uma entrada (3); dois tubos capilares (4); um transdutor diferencial de pressão (5); e dois sensores de temperatura (6).
2. Medidor de microvazão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a entrada (3) ser conectada à montante do escoamento no tubo (1) e a saída (2) conectada à jusante do referido escoamento.
3. Medidor de microvazão, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de a entrada (3) e saída (2) compreender um sensor de temperatura (6).
4. Medidor de microvazão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de a referida entrada (3) e saída (2) serem conectadas ao transdutor diferencial de pressão (5) por meio de tubos capilares (4) conformados em formato de “U”.
5. Medidor de microvazão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de a fixação das referidas entrada (3) e saída (2) poder ser realizada por meio de uma conexão flangeada, de encaixe por interferência, soldagem ou por rosca e com ou sem a utilização de elementos de vedação, sendo preferencialmente por flanges e com o auxílio de o-ring para vedação.
6. Medidor de microvazão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de o tubo (1) apresentar diâmetro menor que 3 mm, na presença de escoamentos incompressíveis de fluidos newtonianos puros, ou na presença de nanopartículas suspensas no fluido (nanofluido).
7. Medidor de microvazão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de o transdutor diferencial de pressão (5) ser preferencialmente constituído por um sensor de membranas piezoresistivas.
8. Medidor de microvazão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de os sensores de temperatura (6) serem dos tipos termopar, pt100, pt1000 ou termistores em contato direto ou não com o fluido de trabalho, sendo preferencialmente termopares que trabalhem na faixa de temperatura do fluido de trabalho.
9. Método para calibrar um medidor de microvazão baseado na queda pressão caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: ajuste dos coeficientes C e B para uma determinada temperatura do fluido de trabalho através da equação:

   

   variando a vazão na faixa desejada, em que é registrado o ∆ e a vazão é medida por um método paralelo e tal ajuste é feito através de um método de regressão linear ou de otimização matemática; repetir o procedimento de ajuste dos coeficientes C e B n vezes para toda a faixa de temperaturas de trabalho; após a realização de todos os ensaios de calibração e dispondo dos valores de C e B, calcular os coeficientes a1, a2, b1 e b2 através das equações:

   

   

   em que o ajuste é feito através de método de regressão linear ou de otimização matemática; e estimar a viscosidade do fluido a partir da temperatura média entre a entrada e saída do fluido no medidor a uma vazão constante, em que µx°C a viscosidade do fluido em uma determinada temperatura de trabalho.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de o método paralelo compreender medidores do tipo Coriolis ou medindo a massa do fluido que passa pelo medidor em um intervalo de tempo com o auxílio de uma balança de precisão e um cronômetro.
11. Método, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de os métodos de regressão linear ou de otimização matemática compreendem a regressão linear, mínimos quadrados ou máxima verossimilhança, sendo preferencialmente o método dos mínimos quadrados.
12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo fato de n ser pelo menos 5.
13. Método, de acordo com a reivindicação 9 ou 12, caracterizado pelo fato de no caso de o escoamento envolver nanofluidos, a viscosidade do fluido (µ) deve corrigida por meio da equação

    

    em que µnano é a viscosidade do nanofluido; µ a viscosidade do fluido base; ε – concentração volumétrica do nanofluido.
14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 13, caracterizado pelo fato de a incerteza do método ser calculada por meio da comparação entre os dados experimentais obtidos durante a calibração do medidor e o valor estimado para a vazão através do método por meio de análise estatística do erro na estimativa da vazão.

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