quinta-feira, 24 de agosto de 2017

Projeto estrutural de sistemas de pesagem em tanques e silos

1. Observações iniciais

Algumas regras essenciais devem ser seguidas ao instalar células de carga em tanques. Por exemplo, os tanques são freqüentemente sujeitos a condições climáticas ou efeitos relacionados à produção. Quando os novos tanques verticais são erguidos para fora (silos, funil de carvão, etc.), os regulamentos de construção aplicáveis ​​devem ser observados para as estruturas relevantes. Observe que dispositivos de pesagem instalados posteriormente também podem ser considerados como "mudanças significativas" em termos de regulamentos de construção. O conselho de um engenheiro estrutural é recomendado nestes casos.

 Em um layout de tanque, o engenheiro do projeto deve ser informado sobre quaisquer regras especiais específicas da empresa. Os tanques devem ser freqüentemente protegidos para que eles não sejam danificados, mesmo em áreas cobertas por um telhado, se o conteúdo for perigoso e os caminhões estiverem em operação em torno da área de armazenamento.

Figura 1: Arranjo dos pontos de rolamento A, B e C para um tanque horizontal
Figura 1: Arranjo dos pontos de rolamento A, B e C para um tanque horizontal

2. Distribuição de carga

Uma ótima combinação das células de carga para determinar o peso dos tanques é alcançado quando o tanque repousa em três pontos de rolamento e uma célula de carga está posicionada em cada suporte. Este estado é referido como estaticamente determinado. A carga global também deve ser distribuída o mais uniformemente possível sobre as três células de carga. No caso de tanques cilíndricos verticais ou suspensos, a melhor maneira de atender a este requisito é se as três células de carga estiverem dispostas a distâncias iguais do eixo vertical do tanque e forem deslocadas uma a outra em 120 ° no mesmo plano. A Figura 1 define a disposição dos pontos de rolamento para tanques horizontais.

Se nem todos os suportes em um sistema estiverem equipados com células de carga, recomenda-se uma distribuição desigual da carga de suporte. Os suportes com células de carga devem ter cargas maiores do que os suportes sem células de carga. Seguir esta orientação pode melhorar a precisão geral do dispositivo de pesagem. Ao projetar o sistema e selecionar as células de carga, é preferível que todas as células de carga estejam sujeitas a cargas da mesma magnitude.

Se um tanque é suportado em quatro ou mais pontos, o rolamento do tanque é estaticamente redundante . As células de carga devem ser instaladas em todos os pontos de rolamento nesses casos. Uma distribuição uniforme da carga nos transdutores individuais só pode ser alcançada durante a montagem. As cargas do transdutor devem ser medidas individualmente para este fim. Então, se houver diferenças inadmissíveis, a altura das células de carga relevantes deve ser alterada (com compensações, etc.). As células de carga com cargas muito baixas geralmente são posicionadas diagonalmente uma da outra.

3. Centro de Gravidade de um Tanque

Idealmente, o centro de gravidade de um tanque cheio não deve ser maior do que os pontos de rolamento do tanque - um recurso que muitas vezes não é implementado.

Por razões de estabilidade, é vantajoso que o centro de gravidade seja inferior aos pontos de rolamento. A posição do centro de gravidade como função do nível de enchimento tem um efeito considerável no número de células de carga que são utilizadas. Se o enchimento estiver disposto simetricamente às células de carga, pode ser possível configurar um dispositivo de pesagem com uma célula de carga, uma vez que a posição do centro de gravidade se move ao longo de uma linha vertical. Se o centro de gravidade também se move para o lado à medida que a massa de enchimento muda, todos os suportes devem estar equipados com células de carga.


Figura 2: Distribuição do centro de gravidade de um
tanque com base de descarga
inclinada dependendo da massa de enchimento
A Figura 2 ilustra a necessidade de usar células de carga em todos os pontos de rolamento se a posição do centro de gravidade mudar.

4. Conexões de suprimentos em tanques

Os tanques freqüentemente requerem conexões de alimentação, por exemplo, para fornecer e descarregar conteúdo e para o fornecimento elétrico, hidráulico ou pneumático de unidades adicionais montadas no tanque.

Figura 3: Conexão de tubulação horizontal longa
Essas conexões de suprimento podem levar à força de shunts, que se manifestam como erros que afetam a precisão de medição do dispositivo de pesagem. As conexões de fornecimento devem ser flexíveis na direção vertical. As Figuras 3 a 7 mostram alguns exemplos de projetos adequados para conexões de fornecimento. Em qualquer caso, esses aspectos devem sempre ser levados em consideração por razões financeiras na fase de projeto e planejamento. Se forem utilizados tubos rígidos sem uma ligação flexível, o tanque deve, de preferência, ser conectado com a seção de tubo horizontal mais longa possível. A seção de tubo também deve ter compensação de expansão na direção longitudinal (Figura 3).

Figura 4: acoplamento de tubo elástico

A seção horizontal do tubo tem um efeito de mola na direção vertical, que se torna mais produtivo à medida que o comprimento aumenta. A força mecânica exercida pelo tubo na forma de uma pseudo carga (tração ou compressão) nas células de carga torna-se correspondentemente pequena e não é mais relevante para a precisão da medição.
Vários acoplamentos flexíveis também podem ser usados ​​em vez de um layout com um tubo longo (Figura 4). São obtidos bons resultados em termos de prevenção de shunts de força com conexões de mangueira feitas de materiais elásticos facilmente maleáveis. Neste caso, a compatibilidade dos materiais elásticos com os materiais de enchimento e / ou de limpeza deve ser verificada (por exemplo, na indústria alimentar ou na tecnologia farmacêutica). Outra possibilidade de reduzir os shunts de força indesejáveis ​​causados ​​por tubos de conexão está usando um layout com um cotovelo (Figura 5).

Figura 5: cotovelo da tubulação
 Nos casos em que é necessário um fornecimento de tubo vertical (ou seja, na direção da força gravitacional a ser medida) ou as conexões da mangueira não podem ser usadas, as conexões de tubos com compensadores (como fole metálico) provaram ser efetivas (Figura 6). As tolerâncias de instalação rigorosas devem ser observadas ao instalar esses compensadores. Se um segundo conjunto de fole metálico é usado e conectado com o primeiro por uma seção de tubo, é possível compensar maiores tolerâncias. Foles de metal não são permitidos em algumas áreas de limpeza intensiva da indústria de alimentos.

Figura 6: compensador mecânico




O ramo de conexão mostrado na Figura 7 representa a melhor solução em termos de redução de shunts de força. Um ramo de conexão aberto evita o contato entre o tubo e o tanque. Este formulário não pode ser usado em sistemas fechados, como em tanques de pressão.

Deve sempre notar-se que o material nas linhas de conexão está incluído como parte do peso. O nível de enchimento das linhas de abastecimento e descarga diretamente ligadas ao tanque deve ser reprodutível quando o peso é medido. Isso significa que as linhas devem estar sempre vazias ou sempre cheias quando as medições são tomadas.

Figura 7: Abra o parafuso de enchimento






5. Tanques Pressurizados

Em instalações fechadas, a pressão no sistema pode afetar os resultados de pesagem. Especialmente na indústria química, são necessárias altas pressões positivas para alguns processos. Por outro lado, fabricas de extração para pesagem de material em pó, geram pressões negativas de 100 a 300 mbar. Se a tubagem estiver conectada ao tanque verticalmente, como mostrado nas Figuras 5 e 6, é exercida uma força que afeta diretamente os resultados da medição. O efeito é equivalente ao produto da força multiplicado pela área da seção transversal da tubulação. Se as condições de pressão durante o processo de pesagem forem constantes, essa quantidade pode ser levada em consideração (calculada) na medição. Um layout de tubulação horizontal é mais adequado e preferível a uma conexão de tubo vertical em todos os casos. Nesse caso, as forças que surgem são absorvidas pelos suportes de instalação.


6. Exemplos de desenhos para organizar e instalar células de carga

Os desenhos típicos do tanque são representados de forma estilizada a título de exemplo. Os detalhes do design e as referências a problemas são apresentados em maior detalhe nas seções relevantes.

6.1 Tanques verticais

A instalação com dois suportes fixos e uma célula de carga é possível para pesar líquidos e produtos a granel em tanques com enchimento central. Para fornecer o nível adequado de precisão, o tanque deve ter um layout simétrico. O peso do produto deve ser espalhado uniformemente através do tanque ou tremonha para receber os resultados adequados e manter a precisão necessária. Em todos os outros casos, especialmente se for necessário um maior grau de precisão, é necessária uma instalação com, preferencialmente, três ou, em algumas circunstâncias, mais células de carga.

Figura 9: Tanque vertical com dois rolamentos fixos e
uma célula de carga com compensação


6.1.1 Instalação rígida de uma célula de carga

Este design simples com uma célula de carga instalada rigidamente não é recomendado. O design sozinho resulta em efeitos problemáticos na célula de carga. Devido a deformações à medida que o nível de enchimento muda, bem como vibrações e mudanças de temperatura, os efeitos nas células de carga geralmente não podem ser descartados. No entanto, alguns casos deste design podem ser encontrados.

Figura 13: Funil retangular em quatro células de carga

6.1.2 Tanque vertical com dois rolamentos fixos e uma célula de carga com compensação

Esta medição de nível de enchimento usa uma célula de carga disposta em um berço com dois rolamentos fixos, que também servem para restringir o movimento horizontal do tanque. Este design econômico
mantém a célula de carga livre de efeitos inaceitáveis.
Figura 10: silo redondo alto

6.1.3 Silo redondo alto em três ou quatro células de carga

Os níveis exatos são geralmente medidos em três células de carga. Embora os arranjos com quatro células de carga às vezes sejam encontrados em projetos de forma retangular simétrica, esse arranjo geralmente não é favorecido por sua redundância estática e preço mais elevado. Por outro lado, eles são mais fáceis de instalar na estrutura. Os rolamentos de elastômeros autocentrados não requerem hastes de retenção. Geralmente, eles são combinados com paradas fixas. São necessários guias de barra de retenção adicionais na área superior para tanques muito altos. No exemplo da Figura 10, eles são projetados como barras de retenção com estresse inicial e bloqueio soltos. Paradas fixas continuamente entrarão em contato com o tanque neste ponto sempre que se deslocasse inevitavelmente para fora de sua posição ideal e a fricção de contato levaria a forçar shunts.


6.1.4 Silo redondo em três módulos de pesagem

Três módulos de pesagem com hastes de retenção integradas que contatam tangencialmente a circunferência mantêm o tanque horizontalmente estável, sem necessidade de medidas adicionais. O dispositivo anti-desligamento, também localizado no módulo de pesagem, evita que o tanque se incline. Isso elimina vários detalhes estruturais na construção externa. Módulos de pesagem típicos para cargas inferiores, médias e maiores também são ilustrados aqui a título de exemplo. Esses elementos padronizados simplificam o design e economizam consideravelmente as despesas de construção. Por outro lado, o design requer cuidados consideráveis ​​e sobrecarga para garantir que as superfícies de contato sejam paralelas, as alturas estão alinhadas, etc.
Figura 11: Silo redondo em módulos de pesagem


6.1.5 Tanques rebaixados em Módulos de Pesagem

Os tanques rebaixados, que são usados ​​bastante freqüentemente em aplicações práticas, possuem uma carcaça externa que se estende até a base e serve para garantir a estabilidade geral do arranjo. A instalação em células de carga não é uma questão simples. A Figura 12 mostra uma variante de projeto para pesar estes tanques com células de carga. Esta sugestão também é relativamente fácil de implementar em sistemas existentes. Braços são montados ou soldados na parede interior do tanque. A carga é inserida rigidamente na célula de carga. Os módulos de pesagem de células de carga também devem ser usados ​​neste caso, porque eles contêm um dispositivo anti-liftoff, etc. (não mostrado na Figura 12 para aumentar a clareza). Aumentar a estrutura, mesmo que leve, é suficiente para direcionar toda a força de peso para as células de carga. O sistema deve ser selado com freqüência.
Figura 12: Arranjo de módulos de pesagem para um tanque com flange

6.1.6 Funil retangular em uma estação de enchimento em quatro células de carga

Ambientes hostis ou efeitos mecânicos incomuns podem afetar a qualidade de suas medidas. Por exemplo, vibrações severas devido a dispositivos agitadores ou misturadores, a influência de um produto volumoso ou pesado sendo adicionado ao recipiente, ou a descarga do conteúdo em quantidades controladas. Além disso, a temperatura pode fazer com que a estrutura se expanda e se ajuste à medida que a temperatura muda ao longo do processo de produção. Todas essas influências mecânicas em tempo real torcerão as células de carga em múltiplas direções, o que resultará em medições não confiáveis ​​ou pouco precisa. Nessas situações, recomenda-se ter pontos de suporte adicionais e modificar a célula de carga, o que garante que você não perca a integridade da medição, mas sim adiciona estabilidade à sua estrutura.

Muitas vezes é recomendado colocar uma haste de retenção ou uma barra de balanço incorporada na estrutura ou como um ponto de suporte adicional ligado à estrutura.

As células de carga com rolamentos de elastômero ou instaladas em uma posição vertical como aquelas no exemplo de células de carga de pendulo (ver seção 6.3) também podem se beneficiar com esses dispositivos de suporte. Um engenheiro de aplicações pode oferecer assistência e recomendações sobre o local onde esses pontos de suporte são estrategicamente colocados.

6.2 Tanques suspensos

Os problemas de centralização geralmente podem ser eliminados ou simplificados em tanques suspensos com tirantes simples, flexíveis e redondos. Além de fornecer proteção contra a inclinação, o que é necessário, são necessárias hastes de retenção para evitar oscilar e girar.
Figura 14: Tanque suspenso em três células de carga

6.2.1 Suspensão em duas ou três células de carga

O design simples em geral requer várias hastes de retenção tangencialmente dispostas. Em casos com estresse reduzido, suas funções podem ser assumidas por uma saída de tubo lateral inferior.

Figura 15: Tanque suspenso em uma célula de carga

6.2.2 Suspensão central em uma célula de carga

Uma restrição especial é essencial neste arranjo para evitar oscilar e girar.

6.3 Tanques horizontais para líquidos

Os tanques horizontais para líquidos geralmente cumprem a condição de que o centro de gravidade do conteúdo se mova aproximadamente ao longo de uma linha vertical à medida que a massa de enchimento muda. Um arranjo com uma célula de carga sob um suporte de tanque e dois rolamentos fixos sob o outro suporte de tanque é, portanto, suficiente para medidas de nível relativamente simples. O tanque ideal repousa com metade do seu peso em uma célula de carga pendular central e em dois rolamentos fixos. Não é necessário qualquer restrição adicional em circunstâncias normais. No caso de tanques muito longos, no entanto, para proteção adicional contra a inclinação devido a impactos laterais no tanque, paragens fixas podem ser fornecidas para limitar os movimentos laterais nas duas extremidades do suporte do tanque que está apoiado na célula de carga.

Em aplicações práticas, no entanto, a simetria de distribuição dos conteúdos é muitas vezes atrapalhada por uma ligeira inclinação deliberada da linha de base para um lado e a saída que está localizada lá. Um arranjo central de três células de carga é a solução ideal para uma pesagem mais exata, com paradas fixas como a melhor maneira de implementar restrições horizontais.

Figura 16: Tanque horizontal para líquidos com célula de carga C16 (diagrama)