UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA ENGENHARIA MECÂNICA MATEUS VAGNER GUEDES DE ALMEIDA RAFAEL ROLETO CARDOSO PROJETO DE UMA PONTEIRA DE CHAMINÉ COM SISTEMA ACOPLADO DE MEDIÇÃO DE VAZÃO E TEMPERATURA Trabalho final da disciplina de Medições Térmicas apresentado ao Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade do Rio Grande do Sul como parte dos requisitos para obtenção do conceito final da disciplina. Prof. Dr. Paulo Smith Schneider Porto Alegre 2013

2 RESUMO Este trabalho tem como objetivo desenvolver uma ponteira de chaminé com um sistema de medição de vazão e temperatura do ar que escoa em seu interior. O intuito final é aumentar a vazão do escoamento de ar que irá ser liberado para o ambiente exterior. A partir deste pré suposto a chaminé foi criada baseado no efeito Venturi para canalizar o ar exterior e este ajudar a levar os gases de escape para fora da tubulação. O sistema de medição de vazão foi desenvolvido utilizando um medidor do tipo turbina calibrado por meio de uma placa de orifício, já o sistema de medição de temperatura foi feito utilizando três NTCs. Após a construção da ponteira e dos sistemas de medição, eles foram testados no Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos (LETA) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Assim, após a realização dos testes no laboratório foi possível quantificar que a ponteira conseguiu aumentar a vazão de escoamento do ar na tubulação com e sem interferência de ventos externos na ordem de 1,64% e 0,79 % respectivamente. O sistema de medição de temperatura foi capaz de aferir gradientes de temperatura dentro da tubulação. Por fim, o sistema de medição de vazão se mostrou funcional para baixas velocidades de escoamento de ar, porém para altas velocidades não foi possível ter o mesmo comportamento. PALAVRAS-CHAVE: Chaminé, Ponteira, Efeito Venturi, Medição de temperatura, Medição de vazão.

3 ABSTRACT This work has the objective to develop a chimney tip with a system to measure flow and temperature that flow inside the tube. The main idea is increase the flow of air which will be released to the outside environment. Following this idea, the chimney was created based on the Venturi effect to canalize the outside air and this help take the exhaust air out of the pipe. The measurement system was developed using a turbine flow meter calibrated by orifice plate, the temperature measuring system was made using three NTCs. After the construction of the chimney and the measuring systems, they were tested at the Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos (LETA) in the Universidade Federal do Rio Grande do Sul. So, after the tests in the laboratory it was possible to quantify that the chimney can increase the flow of air in the pipe with and without interference of external wind on the order of 1,64% and 0.79% respectively. It can also be shown that the temperature measurement system has proved be suitable, it was capable of measuring temperature gradients inside the pipe. The flow meter system has proved functional for low air flow rates, but at high speeds it has not showed the same behavior. KEYWORDS: Chimney, Chimney tip, Venturi effect, Temperature Measurements, Flow Measurements.

4 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA O efeito Venturi Termistores Turbinas DESCRIÇÃO DO PROBLEMA PROPOSTO Projeto Sistema de medição... Erro! Indicador não definido Calibração do sistema de medição de vazão RESTULTADOS E ANÁLISES CONCLUSÃO... 9 REFERÊNCIAS ANEXOS ANEXO A Datasheet dos NTCs utilizados ANEXO B Tabela de incerteza do Multímetro POL

5 1 1. INTRODUÇÃO Segundo James Burke a necessidade de remover certos gases, vapores ou fumaça de algum ambiente levou a criação de chaminés. Sendo possível ser verificado um sistema similar quer era utilizado no império Romano, porém mais simples, era uma tubulação para remover a fumaça de dentro das padarias, contudo as verdadeiras chaminés surgiram no norte da Europa no século 12. A datação da mais antiga chaminé vem de um Castelo Inglês, Conisbrough em Yorkshire de 1185 DC. Porém segundo uma análise histórica de Walter Shaw Sparrow as chaminés não se tornaram comuns em casas até os séculos 16 e 17 e a sua aplicação ficou mais comum nas indústrias no final do século 18. Esse dispositivo tem a função de remover esses gases de um determinando local por meio de uma tubulação, além de evitar que elementos externos, água da chuva e ou o próprio gás, invadam este espaço. Para isto ser possível estas chaminés possuem um elemento no final da tubulação denominado de ponteira. Esta ponteira pode ter diversas formas e determinadas funções, como facilitar o escoamento dos gases para sua liberação no meio ambiente ou um elemento estético para uma residência. Sendo assim, o objetivo principal é obter uma ponteira que facilite o escoamento dos gases para o exterior e consiga aproveitar os efeitos climáticos como o vento para aumentar a vazão dos elementos a serem liberados no meio externo. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Segundo a definição de Khan, 2008 chaminés de escape são um meio eficaz de facilitar a ventilação. Todas têm o objetivo de dissipar o ar de escape para a atmosfera; objetivos secundários incluem a proteção contra objetos que caem, chuva, insetos, entre outros, dentro do prédio. A pressão negativa adicional criada por chaminés que rotacionam pode também estar presentes em algumas chaminés fixas, as ponteiras fixas não são muito eficientes e esse efeito é mínimo. Este efeito de sucção depende de três fatores principais: as condições de vento, tipo de cobertura (coeficiente de descarga) e também a taxa de fluxo predominante. Chaminés de escape normalmente vêm nos arranjos vistos nas Figuras 2.1 e 2.2. A primeira foi construída para impedir que objetos caiam na tubulação do prédio. A segunda é comumente usada para proteger contra pássaros, pragas, insetos, mas sua capacidade de prevenção contra objetos que caem é limitada. Figura Chaminé estática com proteção a objetos que podem cair do céu.

6 2 Figura Chaminé estática com grade. O projeto desenvolvido nesse trabalho teve inspiração principalmente baseado no efeito venturi e também na criação de um inventor chamado Alfred Hall, que em 1880 patenteou uma de suas criações. Sua principal característica consiste em agregar quatro, seis, ou qualquer outro número par de tubos ou orifícios para auxiliar o duto principal a emitir os gases quentes para o exterior. A Figura 2.3 mostra em detalhes a criação de Alfred Hall. Figura Detalhe do projeto de Alfred Hall. 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1. O efeito Venturi A chaminé desenvolvida tem como objetivo de causar uma sucção na seção de saída da tubulação, isso leva-nos a fazer o uso do efeito Venturi para tal função. Considerando o fluxo de ar, que escoa transversalmente na chaminé, como sem atrito, em escoamento permanente e uma linha de corrente no escoamento, pode-se se aplicar a equação de Bernoulli.

7 3 + ² + = (1) Onde, P é a pressão estática, ρ a densidade do fluido que escoa, V a velocidade, g a força da gravidade e z a altura do fluxo. Dessa equação, podemos ver que aquilo que tende a levar um decréscimo de pressão estática ao longo da linha de corrente neste escoamento sem atrito: uma redução de área em algum ponto do tubo. A redução de seção causa um aumento da velocidade do escoamento tendo em vista que a vazão mássica deve ser conservada. Nesse caso ao reduzir a seção de passagem do fluxo a pressão dinâmica aumentara devido ao aumento da velocidade. Para um duto horizontal onde a altura Z não muda, o aumento da pressão dinâmica é compensado por uma diminuição na pressão estática P na tubulação. Nesse caso a redução de seção da ponteira construída é situada juntamente com a saída de ar quente da tubulação Termistores O medidor de temperatura foi construído baseado nos medidores de temperaturas por resistência. Esses componentes que apresentam variação da sua resistência elétrica em função da variação da temperatura. Os termistores apresentam um comportamento não linear, sua resistência é diminuída conforme a temperatura em que ele está submetido é aumentada. O material empregado é um semicondutor, que no intervalo fundamental pode apresentar valores de 10 k-ohm a 25 C até 200 ohm a 100 C. A diminuição da resistência com a temperatura vale a esse tipo de sensor o nome de NTC (coeficiente de temperatura negativa) Turbinas Para efetuar a medição da vazão fez-se uso de uma turbina adaptada. O medidor foi construído a partir de um cooler usado na refrigeração de componentes eletrônicos. Nesse caso o cooler será usado em um modo reverso onde ao invés de ser alimentado com uma tensão para gerar um fluxo é a passagem do fluido que causa a movimentação de suas pás gerando assim uma tensão proporcional. 4. DESCRIÇÃO DO PROBLEMA PROPOSTO O experimento consistiu na montagem de uma ponteira e um sistema de medição de vazão e temperatura. Este equipamento foi acoplado em uma bancada de testes para a simulação do escoamento de gases verificando o efeito de uma corrente de ar externa forçada ou o efeito climático e sem essa corrente de ar externa forçada. A bancada pode ser visualizada na Figura 2.4. Como pode ser visto na figura a bancada fornecida pelo Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos (LETA) há um ventilador principal que fornece a pressão ao escoamento, que passou por um sistema de aquecimento, para simular os gases quentes de uma chaminé e posteriormente por um sistema de aquisição de dados. Estes dados adquiridos, vazão e temperatura, foram utilizadas para comparar com o sistema de medição construído pelo grupo. Após o sistema de aquisição de dados há uma conexão onde a ponteira e o sistema de medição foi fixado. Ao lado existe um ventilador auxiliar para a simulação dos efeitos climáticos.

8 4 Figura Esquema da bancada montada para ensaiar as ponteiras 4.1. Projeto A seguir é possível visualizar o diagrama do projeto realizado, separado em duas partes, a ponteira (1) propriamente dita e o sistema de medição (2) com o medidor de vazão (3) e de temperatura (4). Este sistema no diagrama abaixo foi conectado no diagrama da Figura 4.1 no local descrito com Ponteira fabricada pelo grupo mais sensores de medição. Figura Diagrama esquemático do projeto. A ponteira criada (1) possui quatro entradas de ar com uma área de aproximadamente 0,090 m². O ar transversal que entrará por essa área será forçado a passar por uma área menor

9 5 de aproximadamente 0,0105 m², essa área é disposta muito próxima da saída do ar quente. Esta redução na seção causa a aceleração do escoamento e tende a diminuir a pressão estática nesse ponto. Na Figura 4.3 é possível verificar a ponteira desenvolvida. Figura Ponteira construída. O sistema de medição de vazão (3). Este dispositivo é baseado no modelo de medição de vazão por turbina, na qual o escoamento fez o rotor rotacionar a diferentes velocidades para diferentes vazões do escoamento de ar. Acoplado a este há um gerador de tensão na qual forneceu determinados valores de tensão para determinados valores de rotação do rotor. Porém, para este sistema funcionar foi necessário a sua calibração. Esta calibração foi feita no LETA, usando um sistema do tipo placa de orifício. O sistema de medição de temperatura (4) é composto por três NTCs dispostos a 120 graus de distância um do outro e com diferentes distâncias radiais. Estes diferentes comprimentos de raios serviram para a obtenção de diferentes temperaturas, pois o escoamento de ar teve sua trajetória modificada após sair do aquecedor. Assim havendo pontos mais quentes e outros mais frios. Na seção de anexos está o datasheet do NTC utilizado. Informações sobre a incerteza de medição, uma tabela com a temperatura e seu correspondente valor de resistência elétrica entre outras informações em anexo. As Figuras 4.4 e 4.5 mostram os sistemas de medição de vazão e temperatura respectivamente. Figura Turbina para medição de vazão.

10 6 Figura NTCs instalados para medição de temperatura Calibração do sistema de medição de vazão Resistência NTC (kω) Na tabela a seguir estão os parâmetros utilizados para a calibração do medidor de vazão. Temperatura Média do NTC ( C) Tabela Parâmetros para calibração do medidor de vazão. Frequência do ventilador (Hz) H no manômetro (mm) p na placa de orifício (Pa) Vazão (m³/s) Tensão na turbina (V) 5,42 5,50 5,80 42, ,503 0,015 2,218 5,29 5,35 5,80 42, ,861 0,018 2,282 5,33 5,45 5,75 42, ,005 0,021 2,361 5,28 5,30 5,56 42, ,363 0,024 2,445 5,27 5,30 5,50 42, ,721 0,026 2,559 5,24 5,38 5,62 42, ,866 0,028 2,72 5,21 5,25 5,45 42, ,010 0,030 3,063 5,30 5,38 5,62 42, ,940 0,033 3,642 Para a calibração do sistema de medição foi necessário variar a frequência do ventilador principal da bancada de testes, a variação foi de 20 a 34 Hz, para a obtenção de diferentes vazões do escoamento. Também para cada frequência utilizada na calibração foi medida a temperatura do escoamento pelos NTCs, destas foi feito uma média global para o calculo da massa especifica do escoamento de ar. Porém, para calcular a vazão do sistema calibrado foi utilizada a seguinte equação: = (2) Foram lidas em um manômetro as alturas manométricas geradas pela diferença de pressão na placa de orifício conforme a frequência do ventilador principal era alterada. Também foram considerados os seguintes parâmetros para o calculo da densidade do ar (ρ ar ) e da vazão: aceleração da gravidade g = 9,81 m/s², a temperatura do laboratório T = 22,5 C e a pressão atmosférica no laboratório P = Pa.

11 7 Após a obtenção de todos estes dados foi possível associar a vazão do escoamento para cada frequência do ventilador. Estas vazões também foram associadas às tensões medidas em um multímetro conforme era variada frequência do ventilador principal. Assim obtendo a curva de calibração. A Figura 4.6 mostra a curva de calibração obtida. Porém na prática faz-se uso de uma curva de utilização do aparelho desenvolvido. Esta se torna útil, pois é possível ler a medida de tensão da turbina por meio de um multímetro e encontrar a vazão por o tal valor. A curva de utilização obtida é mostrada na Figura 4.7. Tensão (V) Curva de Calibração 3,80 3,60 3,40 3,20 3,00 2,80 2,60 2,40 2,20 2,00 0,01 0,02 0,02 0,03 0,03 0,04 0,04 Vazão (m³/s) Figura Curva de calibração. 0,04 0,03 Vazão (m³/s) 0,03 0,02 0,02 0,01 2,20 2,40 2,60 2,80 3,00 3,20 3,40 3,60 3,80 Tensão (V) Figura Curva de utilização do medidor de vazão juntamente com seus erros associados. Para a vazão foi considerado a incerteza de medição da temperatura e da medição da altura manométrica. Para a temperatura de acordo com o manual do NTC é de 1% do valor medido e a para a altura manométrica considerou-se uma incerteza absoluta de 0,5 mm. Já para a medida de tensão a incerteza associada foi relativa ao multímetro, na qual foi de ± 0.05% + 5d, ou seja, 0,05% do valor lido mais cinco vezes o valor do ultimo digito significativo que para multímetro utilizado é de 0,001 V. Com isso pôde-se gerar uma tabela

12 8 com os valores de vazão e tensão medidos assim como seus respectivos erros associados. A Tabela 4.2 mostra os valores obtidos. Tabela Valores utilizados para calibração do medidor e seus erros associados. Vazão (m³/s) Erro propagado da Vazão (m³/s) Tensão (V) Erro no multímetro (V) 0, , ,2180 0,0061 0, , ,2820 0,0061 0, , ,3610 0,0062 0, , ,4450 0,0062 0, , ,5590 0,0063 0, , ,7200 0,0064 0, , ,0630 0,0065 0, , ,6420 0, RESTULTADOS E ANÁLISES Após o desenvolvimento do projeto, montagem da ponteira, sistemas de medição de vazão e temperatura e calibração do sistema, é necessário verificar a funcionalidade da chaminé. Conforme foi proposto no edital do trabalho o sistema deveria ser testado nas seguintes situações: 1A) Razão entre a vazão de ar com a ponteira e a vazão de ar sem ponteira, na ausência de vento no exterior da chaminé; 1B) Razão entre a vazão de ar com a ponteira e a vazão de ar sem ponteira, com vento no exterior da chaminé imposto na direção transversal da ponteira; 1C) Razão entre a vazão de ar com a ponteira e a vazão de ar sem ponteira, com vento no exterior da chaminé imposto na direção transversal da ponteira, deslocado de 90 em relação a medição do item anterior; 2A) Temperatura e vazão volumétrica do ar com a ponteira sem vento transversal, juntamente com o cálculo da vazão mássica; 2B) Temperatura e vazão volumétrica do ar com a ponteira com vento transversal, juntamente com o cálculo da vazão mássica; 2C) Temperatura e vazão volumétrica do ar com a ponteira com vento transversal, deslocado de 90 em relação a medição do item anterior, juntamente com o cálculo da vazão mássica. Os resultados demonstrados nas tabelas a seguir foram realizados para uma frequência de 30 Hz. Tabela Tabela de desempenho da ponteira desenvolvida. Caso Vazão Volumétrica (m³/s) Razão da vazão de ar Ganho (%) Sem Ponteira 0, ,0000 0,00 1A 0, ,0079 0,79 1B 0, ,0164 1,64 1C 0, ,0100 1,00 Como pode ser verificado no resultados acima houve um aumento na vazão volumétrica, dados obtidos com o sistema de medição desenvolvido no trabalho, o que

13 9 demonstra que o formato da chaminé para canalizar o vento externo funcionou apropriadamente, bem como em qualquer direção do vento, pois a ponteira era simétrica, assim sempre obtendo um aumento na vazão volumétrica. Na comparação com e sem ponteira houve um aumento na vazão volumétrica, assim sendo possível verificar que a ponteira não causou um aumento de perda de carga, mas sim um aumento na pressão estática do escoamento e assim obtendo uma maior velocidade no escoamento e por fim um aumento na vazão volumétrica. Tabela Tabela com os valores medidos pelo sistema de medição desenvolvido. Caso Temperatura ( C) Vazão Volumétrica (m³/s) Vazão Mássica (kg/s) 2A (42,295 ± 3,154) (0,02770 ± 0,00028) (0,03092 ± 0,00034) 2B (41,785 ± 3,149) (0,02795 ± 0,00028) (0,03119 ± 0,00034) 2C (41,840 ± 3,150) (0,02776 ± 0,00028) (0,03098 ± 0,00034) Na tabela acima é possível verificar as medições de temperatura e vazão volumétrica realizadas com os sistemas desenvolvidos neste trabalho. Na comparação entre as temperaturas é possível verificar uma redução na média das temperaturas com o aumento da vazão causadas pelo vento externo, isso sendo possível devido o aumento da velocidade dos gases, assim ficando menos tempo na zona das resistências térmica e também há a incerteza de medição devido a qualidade de fabricação do NTC obtendo um valor máximo de incerteza de 7,43%. No caso da vazão volumétrica é possível verificar o aumento da mesma, bem como foi visto na Tabela 5.1. Também é possível verificar a existência da incerteza causada pela incerteza associada a leitura da altura manométrica no manômetro, a incerteza da temperatura e do instrumento para a realização da leitura de tensão o multímetro obtendo um valor máximo de incerteza de 1.01%. Para a vazão mássica a incerteza calculada é devido a temperatura causada pela incerteza do NTC e a incerteza da vazão volumétrica que está associada as incertezas listadas anteriormente obtendo um valor máximo de 1.01%. 6. CONCLUSÃO Depois de verificado o desempenho da chaminé na seção de resultados, conforme os requisitos do edital do trabalho, podemos aferir as seguintes situações: Como foi verificado na seção de resultados, ao se utilizar a ponteira há um ganho na vazão volumétrica do escoamento de 0,79 % em comparação ao caso sem ponteira. Também para os casos com vento exterior houve um ganho ainda maior chegando obter um aumento de 1,64% da vazão volumétrica, seja na direção principal ou na translação de 90, pois a ponteira era simétrica. O sistema de medição de temperatura demonstrou-se funcional podendo captar diferenças de temperatura dentro do escoamento, sendo possível verificar uma diferença de temperatura de até 2,5 C dentro da tubulação causados pela curva que há na saída do aquecedor. Porém, há uma incerteza de até 7,43% que está associada a incerteza do instrumento utilizado o NTC. O sistema de medição de vazão, após ser calibrado em função da placa de orifício demonstrou um comportamento estável para baixas velocidades obtendo uma incerteza de até 1,01% do valor encontrado da vazão volumétrica, porém quando utilizado em altas velocidades do escoamento houve dificuldade para a obtenção do valor de tensão, pois os

14 10 valores oscilavam muito. Provavelmente se fosse utilizado um sistema na qual a vazão volumétrica fosse comparada com a rotação da turbina não haveria esse oscilação como houve na leitura de tensão, assim poderia ser aplicável para altas e baixa vazões. Entretanto, o sistema em baixos regimes de vazão, em torno de 0,02 m 3 /s, apresentou uma baixa incerteza de até 1,01% o que o torna funcional. REFERÊNCIAS JAMES BURKE, Connections (Little, Brown and Co.) 1978/1995, ISBN , p. 159 PAULO S. SCHNEIDER, Medição de Velocidade e Vazão de Fluidos. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, PAULO S. SCHNEIDER, Termometria e Psicrometria. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, NAGHMAN KHAN*, YUEHONG SU, SAFFA B. RIFFAT, A review on wind driven ventilation techniques, Energy and Buildings 40 (2008) ROBERT W. FOX, ALAN T. MCDONALD & PHILIP J. PRITCHARD, Introdução à Mecânica dos Fluidos, 7ª ed., LTC Editora. WALTER SHAW SPARROW, The English house: how to judge its periods and styles. London: Eveleigh Nash, THE LANCET, Volume 116, Issue 2977, 18 September 1880, Page 462

15 11 ANEXOS ANEXO A Datasheet dos NTCs utilizados.

16 ANEXO B Tabela de incerteza do Multímetro POL