EDUARDO ANDRÉ STÜRMER DAL CASTEL GUSTAVO ZENI LIU YESUKAI DE BARROS PROJETO DE PONTEIRA DE CHAMINÉ VISANDO O GANHO DE VAZÃO VOLUMÉTRICA

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1 1 EDUARDO ANDRÉ STÜRMER DAL CASTEL GUSTAO ZENI LIU YESUKAI DE BARROS PROJETO DE PONTEIRA DE CHAMINÉ ISANDO O GANHO DE AZÃO OLUMÉTRICA Prof. Paulo Smith Schneider Porto Alegre 013

2 Universidade Federal do Rio Grande do Sul Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Mecânica EDUARDO ANDRÉ STÜRMER DAL CASTEL GUSTAO ZENI LIU YESUKAI DE BARROS PROJETO DE PONTEIRA DE CHAMINÉ ISANDO O GANHO DE AZÃO OLUMÉTRICA Prof. Paulo Smith Schneider Porto Alegre 013

3 3 RESUMO Este trabalho tem como finalidade projetar, testar e analisar o desempenho de uma ponteira de chaminé proposta para melhorar o escoamento de ar na mesma. Os testes são realizados em uma bancada com vazão de ar pré-definida, e com um escoamento de ar lateral imposto em determinado momento do ensaio, visando simular a presença de vento em uma chaminé real. Através de instrumentos de medição, são obtidos valores de temperatura e vazão de ar na chaminé. A utilização da ponteira mostra-se eficiente, aumentando a velocidade média de ar de 10 m/s para 11m/s, e consequentemente melhorando a vazão volumétrica. A aplicação do vento lateral não apresenta diferenças significativas na de vazão principal. PALARAS-CHAE: Ponteira de chaminé, Instrumentos de medição, azão, Temperatura

4 4 ABSTRACT This work aims to design, test and analyze the performance of a proposed chimney chape to improvide the flow of air. The tests will be realized on a bench with a pre-defined air flow, and with a side air flow in a given moment of the test to simulating the presence of wind in a real chimney. With measuring instruments, values of temperature and air flow will be obtained. The use of the chape shows efficient, increasing the air velocity of 10 m/s to 11m/s, improving the volumetric flow rate. The application of the side air flow shows no significant differences in the main flow. KEYWORDS: Chimney chape, Flow, Temperature

5 5 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Tubo de Pitot...7 Figura - Detalhe do tubo em U...8 Figura 3 - Esquema da bancada...11 Figura 4 - Modelo da ponteira feito no software SolidWorks...1 Figura 5 Ponteira real...1 Figura 6 ista em corte...13 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Disposição dos pontos de medição (Dalmée)...9 Tabela - Propriedades do Ar à Pressão Atmosférica...10 Tabela 3 Termopar tipo K...14 Tabela 4 - elocidades calculadas...15

6 6 SUMÁRIO RESUMO 3 ABSTRACT 4 LISTA DE FIGURAS 5 LISTA DE TABELAS 6 1 INTRODUÇÃO 7 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 7.1 elocidade média 7. azão volumétrica 9.3 azão mássica 9.4 Termopar 10 3 EXPERIMENTO Bancada Experimental 10.3 Ponteira 11 4 RESULTADOS Cálculo da temperatura Cálculo da velocidade média Cálculo da vazão volumétrica Cálculo da vazão mássica 16 5 CONCLUSÃO 16 6 REFERÊNCIAS 16

7 7 1. INTRODUÇÃO O escoamento de ar em dutos é um importante tema a ser estudado, pois um aumento de vazão volumétrica causado exclusivamente pela mudança da geometria da saída do duto pode significar uma economia energética, dispensando a utilização de sistemas de exaustão. Este trabalho visa a melhoria do escoamento em uma chaminé simulada. Para tanto, deve-se criar uma ponteira que será instalada em um tubo que simula a saída de uma chaminé, por onde haverá um escoamento de ar aquecido forçado, havendo também um escoamento lateral que irá simular a atuação do vento em uma chaminé real. Serão efetuadas então as medições de vazão mássica e temperatura na ponteira da chaminé proposta.. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.1. elocidade média O tubo de Pitot é um instrumento utilizado para medir velocidades de fluidos. O tubo de Pitot em si mede a pressão de estagnação (ou total) e estática do escoamento. Figura 1 Tubo de Pitot (Fonte: Schneider, 003) A pressão dinâmica será a diferença entre estas duas pressões conforme a equação a seguir: Pdin = Pestag Pest Através da equação de Bernoulli (Fox et al, 008): p + ρ + gz = cte Analisando o tubo em U:

8 8 A equação de Bernoulli resulta: Figura Detalhe do tubo em U 1 p1 + ρ + gz 1 = p + ρ + gz Onde no ponto 1, existe apenas a pressão estática, e no ponto, há a atuação da pressão de estagnação. Lembrando que pdin = Pestag Pest ar pdin = ρ ar = ρ água g z Então a velocidade do ar será dada por ar água g = ρ ρ ar z O tubo de Pitot mede a velocidade em um determinado ponto do escoamento. Segundo Delmée (1983), a adequação da velocidade média pode ser obtida através da medição da velocidade em diferentes raios em um mesmo plano através da equação m n = 1 w i i Onde i são os diferentes valores de velocidade para cada ponto medido e w i são os pesos, encontrados na tabela a seguir (tabela 1). Também deve-se escolher algum dos métodos apresentados.

9 9 Tabela 1 Disposição dos pontos de medição por amostragem de acordo com 4 métodos de medição (x coordenada adimensional para tubos de seção retangular, r coordenada adimensional para tubos de seção circular, w fator de peso) [Fonte: DELMÉE, 1983]... azão volumétrica Com a velocidade média, é possível calcular a vazão volumétrica pelo produto da velocidade média com a área da seção transversal:. = m A.3. azão mássica A vazão mássica pode ser obtida através do produto da vazão volumétrica pela massa específica. m = ρ. Onde ρ é a massa específica do ar, que depende de sua temperatura.

10 10 Tabela Propriedades do Ar à Pressão Atmosférica (Fox et al, 008)..4. Termopar Os termopares são um tipo de instrumento utilizado para medir temperatura. Seu funcionamento consiste em dois condudores com propriedades distintas, que são unidos em uma das extremidades. Quando esta união é aquecida, uma tensão é gerada na outra extremidade, podendo então se obter o valor da temperatura da união através de tabelas que relacionam temperatura e tensão elétrica. 3. EXPERIMENTO 3.1. Bancada experimental A ponteira proposta foi fixada na extremidade da bancada experimental proposta para este trabalho. A bancada consiste em um tubo por onde escoará ar forçado em seu interior devido a um ventilador principal. O ar então foi aquecido através de um banco de resistores, sendo então direcionado para um duto vertical de 100 mm de diâmetro, no qual a ponteira foi acoplada. Houve também um escoamento externo transversal à ponteira causado por um segundo ventilador, simulando assim a ação do vento em um caso real. O esquema da bancada está representado na figura abaixo:

11 11 Figura 3 Esquema da bancada (Fonte: UFRGS, Edital de Trabalho de medições térmicas Paralelamente aos valores de vazão e temperatura medidos pelo professor, cada grupo deve efetuar suas próprias medições para fim de compará-las ao final do experimento. 3.. Ponteira A geometria da ponteira proposta originalmente foi modelada no Software SolidWorks, e está apresentada a seguir:

12 1 Figura 4 Modelo da ponteira feito no software SolidWorks Após a confecção da ponteira, obteve-se o seguinte protótipo: Figura 5 Ponteira real

13 13 Figura 6 ista em corte da ponteira Na ponteira proposta, optou-se por criar uma geometria axissimétrica, visto que haverá um escoamento de ar lateral, podendo o mesmo ter qualquer direção. Com a simetria proposta, a direção deste escoamento lateral não influenciará na vazão volumétrica. Tentou-se melhorar o escoamento de ar do tubo através de um bocal divergente (seção da superfície em vermelho na figura 6), o que ajudaria a evitar o descolamento da camada limite na saída de ar e consequentemente evitaria uma perda de carga. Esta perda de carga por sua vez poderia causar a redução da vazão volumétrica. Também foi utilizada uma superfície (seção da superfície em verde na figura 6) com o intuito de redirecionar o ar lateral, ocasionando um aumento da velocidade do ar na saída do tubo devido à iteração entre o ar lateral e o ar proveniente da chaminé (tubo).

14 14 4. RESULTADOS: 4.1. Cálculo da temperatura O termopar utilizado no experimento para medir a temperatura de saída do escoamento foi do tipo K, onde o limite de erro segundo o fabricante é de ±,ºC ou ± 0,75% (maior deles), e sua tabela de utilização está mostrada a seguir Tabela 3 Termopar tipo K (Thermomax) A tensão medida no experimento foi de 0,81 m, e pela tabela 3 obtem-se um valor de temperatura de aproximadamente 0,0ºC. Como a temperatura ambiente do laboratório estava em 1,7 ºC no momento da medição, a temperatura de ar medida na saída da ponteira foi de 41,7ºC, com um erro de ±,ºC. 4.. Cálculo da velocidade média Para obter a velocidade média de ar na chaminé, foi utilizado o tubo de Pitot. Aplicouse o procedimento proposto por Dalmée, utilizando o método de Cotas de Newton (tabela 1) em três pontos distintos de medição. O valor da velocidade em cada um dos três pontos será dado pela equação água g ar = ρ ρ ar z

15 15 Onde z está em milímetros de coluna d água, e será obtido pelo tubo em U fornecido 3 pelo laboratório. Considerou-se ρ = 1000 kg m, e de acordo com a tabela, para água kg T=41,7ºC, a massa específica vale aproximadamente ρ ar =1,1 3. m O edital previa para saída do tubo um escoamento de ar de 10 m/s. A frequência do ventilador principal foi regulada para que o tubo de pitot registrasse esta velocidade de escoamento. Segundo Dalmeé (1983), o valor da velocidade média será dado por m n = 1 w i i Onde i são os valores de velocidade calculados para cada um dos três pontos e w i são os pesos, mostrados na tabela a seguir. Tabela 4 elocidades calculadas em cada um dos raios r (adimensionais) e pesos w de acordo com o método de Newton z sem vento lateral Cotas de Newton z com vento lateral r w [mmca] sem vento lateral [m/s] [mmca] 0 0,1667 6,0 10,5 5,5 9,816 0,7071 0,6667 7,0 11,074 7,0 11, ,1667 7,5 11,46 7,5 11,46 Então, o valor das velocidades médias será m= 11,003 m/s (sem vento lateral) = 10,930 m/s (com vento lateral) m com vento lateral [m/s] 4.3. Cálculo da vazão volumétrica Com o valor da velocidade média no tubo, é possível calcular a vazão volumétrica pela equação. = m A Onde πd π 0.1 A = = = 0,007854m 4 4 Então

16 m = 11,003 0, = 0,0864 (sem vento lateral) s 3 m = 10,930 0, = 0,0858 (com vento lateral) s 4.4. Cálculo da vazão mássica Para se obter a vazão mássica, deve-se multiplicar a massa específica do ar pela vazão volumétrica. Então.. kg m = ρ ar = 0, 0968 (sem vento lateral) s.. kg m = ρ ar = 0, 0961 (com vento lateral) s 5. CONCLUSÃO Na ponteira proposta notou-se um incremento da velocidade média de ar quando comparado com o escoamento sem ponteira, aumentando de 10m/s para 11m/s. Observou-se que a atuação do vento lateral não foi suficiente para alterar significativamente os valores das velocidades médias e das vazões volumétricas. Com valores maiores para a velocidade do vento lateral, pode-se chegar a resultados mais significativos em relação à geometria proposta para a ponteira em questão. O tubo de Pitot, juntamente com o método de Delmée, mostrou ser um procedimento simples e eficaz para medição da velocidade média do escoamento do tubo. A utilização do termopar tipo K mostrou-se adequada, visto que a temperatura obtida com este instrumento (41,7ºC) foi compatível com aquela imposta pela bancada, levando em consideração o erro associado. REFERÊNCIAS DELMÉE, G.J.,1983, Manual de Medição de azão, Editora Edgard Blücher Ltda, São Paulo. FOX, R. W., PRITCHARD, P. J., McDONALD, A.T., Indrodução à mecânica dos fluidos. 7 ed SCHNEIDER, P. S., Edital de trabalho final da disciplina medições térmicas UFRGS, edição SCHNEIDER, P. S., Medição de velocidade e vazão de fluidos, 003.