CONSTRUÇÃO DE UMA PONTEIRA VERTICAL PARA OTIMIZAR A DESCARGA DE GASES QUENTES

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA ENGENHARIA MECÂNICA BRUNO GREBIN GASPAROTTO RENAN DA ROSA VIANA SIMEÃO RIBEIRO DA LUZ CONSTRUÇÃO DE UMA PONTEIRA VERTICAL PARA OTIMIZAR A DESCARGA DE GASES QUENTES Porto Alegre 2013

2 BRUNO GREBIN GASPAROTTO RENAN DA ROSA VIANA SIMEÃO RIBEIRO DA LUZ CONSTRUÇÃO DE UMA PONTEIRA VERTICAL PARA OTIMIZAR A DESCARGA DE GASES QUENTES 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

3 RESUMO Porto Alegre 2013 O presente trabalho tem como objetivo a construção de um dispositivo (denominado de ponteira) instalado na descarga de uma tubulação vertical, simulando uma chaminé, com a finalidade de auxiliar a saída de uma corrente de ar aquecida que é lançada por meio de um ventilador, e realizar as medições de temperatura e vazão no fim do escoamento. A ponteira é sujeita a uma ventilação forçada, efetuada por outro ventilador externo, simulando situações climáticas, e com isso, interferindo no escoamento do ar sobre a chaminé. Idealizou-se uma ponteira de formato cônico, com o intuito de fazer com que o escoamento de ar externo auxilie na descarga de ar, escoando pela geometria do dispositivo, aumentando a vazão na ponteira. Para realizar as medidas de temperatura e vazão é utilizado respectivamente um dispositivo NTC e confeccionado um tubo de pitot. Os resultados obtidos mostram que devido ao escoamento externo possuir um valor muito pequeno em relação ao escoamento interno, o perfil cônico se mostrou ineficaz, pois gera muita perda de carga devido ao estrangulamento gerado. PALAVRAS-CHAVE: Chaminé, descarga, perda de carga, vazão, temperatura.

4 ABSTRACT This work aims to develop a device (called tip) installed in a vertical discharge pipe, simulating a fireplace, with the purpose of assisting the output of a stream of heated air that is thrown by a fan and make measurements of temperature and flow rate at the end of the flow. The tip is subjected to a forced ventilation performed by other external fan, simulating weather conditions, and thus, interfering with the flow of air over the fireplace. Conceived to be a cone-shaped tip, in order to make the flow of outside air assists in the discharge of air flowing by the device geometry, increasing the flow in the tip. To perform the measurements of temperature and flow is used respectively NTC device and accomplished a pitot tube. The results show that due to the external flow has a very small value compared to the inner flow, the tip was ineffective because it generates a lot of pressure loss due to the bottleneck created. KEY-WORDS: Chimney, discharge, head loss, flow rate, temperature.

5 1 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Pressão Termoresistores Tubo de Pitot TÉCNICAS EXPERIMENTAIS PROJETO RESULTADOS E ANÁLISES CONCLUSÃO... 9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS ANEXO A Datasheet dos NTCs utilizados ANEXO B Trecho da Norma NBR LISTA DE FIGURAS Figura 1 Pressões existentes em um Duto Simples... 3 Figura 2 Tubo de Pitot... 4 Figura 3 Esquema da bancada montada para o ensaio das ponteiras... 5 Figura 4 Perfil da chaminé construída... 6 Figura 5 Medidores de Vazão e pressão instalados... 6 Figura 6 Esboço do projeto de ponteira... 7 Figura 7 Calibração do tubo de Pitot... 7 Figura 8 Calibração do medidor de temperatura... 8 Tabela 1 Avaliação da perda de carga devido a utilização da ponteira...8

6 2 1. INTRODUÇÃO Em ambientes industriais, há uma grande necessidade de se remover certos gases, vapores ou fumaça o que levou a criação de chaminés. Segundo Beyer 2013, diferenças de temperatura interna e externa causam uma diferença de densidade, e consequentemente uma diferença de pressão, que podem causar ventilação natural, o ar quente sobe e sai por aberturas superiores. O dispositivo projetado tem como função a remoção dos gases gerados por um equipamento construído no Laboratório de Estudos Térmicos e Aerodinâmicos (LETA), que simula uma churrasqueira através de uma resistência elétrica e dois ventiladores, um interno e outro externo a tubulação. A disposição dos equipamentos será detalhada posteriormente (tópico 4). O dispositivo contém um estrangulamento no duto, para que possa ocorrer a recuperação da pressão estática perdida pelo atrito na tubulação. Foi construída uma geometria que utiliza o vento externo para gerar um impulso para que o escoamento interno seja exalado sem ocorrência de perda de carga. Esta ponteira foi projetada com base nos parâmetros propostos pela NBR Sistemas de Ventilação para cozinhas industriais, a qual apresenta o cálculo da vazão de ar da coifa de churrasqueira, e com condição externa de projeto, vento, nas condições de Porto Alegre. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Ponteiras confeccionadas para auxiliar a descarga de gases quentes com o auxilio de um escoamento externo do ar não são comuns. Não foi encontrado na bibliografia nenhum dispositivo que fosse avaliado em condições de escoamento forçado, como o realizado na bancada de ensaios. CHIARELLO, J.A. Ventilação Natural por Efeito Chaminé Explica como construir um modelo de chaminé, com o objetivo de realizar medições de velocidade na abertura de saída de uma chaminé, permitindo alcançar bons resultados do modelo em relação as condições reais. NBR 14518, Sistemas de ventilação para cozinhas industriais. Nos diz que se deve considerar para o dimensionamento de uma coifa para churrasqueira de combustível solido uma velocidade média do ar de 0,51 m/s. 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1. Pressão Segundo Beyer 2013, o consumo de pressão pelo atrito depende da rugosidade da parede do duto, do diâmetro da tubulação, densidade do fluido, da velocidade do escoamento, da viscosidade do fluido e do comprimento do duto. Estes termos estão colocados na equação de Darcy-Weisbach.

7 3 onde ρ O termo f é o fator de atrito, e pode ser encontrado no diagrama de Moody. As pressões existentes em um duto conforme Beyer 2013 são a pressão estática, que atua em todos os sentidos de expansão do fluido, e a pressão cinética, que depende da velocidade, e tem sentido e direção causado pela ventilação. Essas pressões podem ser representadas de forma gráfica (figura 1). Figura 1. Pressões existentes em um Duto Simples 3.2. Termoresistores Os termistores são sensores fabricados com materiais semicondutores como óxido de magnésio ou cobalto; em aplicações que exigem alta precisão, o semicondutor utilizado pode ser o silício ou o germânio, dopados com algum outro material como o latão ou determinadas ligas de cobre. Por serem construídos de material semicondutor, possuem a grande vantagem de poderem ser fabricados em um tamanho físico muito pequeno. Para a realização da medição da temperatura foi utilizado um sistema de aquisição por diferença de resistência. Os termistores apresentam comportamento não linear, sua resistência diminui conforme a condição de temperatura é aumentada. O termistor empregado é um NTC 10 K, que no intervalo fundamental pode apresentar valores de 10 k-ohm a 25 C até 200 ohm a 100 C Tubo de Pitot O tubo de Pitot é um instrumento utilizado para a medição de velocidades de escoamentos, tanto internos quanto externos, para líquidos ou gases. O instrumento foi apresentado em 1732 por Henry Pitot A ideia deste instrumento era tão simples e natural que no momento que o concebi, corri imediatamente a um rio para fazer o primeiro experimento com um tubo de vidro (Benedict, 1984). A ideia do tubo de Pitot, será apresentada a seguir.

8 4 Figura 3 Tubo de Pitot Para se descobrir a velocidade do escoamento se utiliza a equação de Bernoulli, apresentada a seguir, onde e são as massas especificas do liquido do manômetro e massa especifica do fluido, e h altura lida no manômetro. Segundo Incropera et al, 2008, a velocidade varia ao longo da seção transversal em um escoamento interno, então é necessário se trabalhar com uma velocidade média, e a vazão mássica se dá pela multiplicação desta velocidade média pela massa especifica do fluido e pela área do tubo, conforme equação a seguir Perda de carga Segundo FOX et al, 2006, a perda de carga é definida em um sistema entre pontos hipotéticos 1 e 2 como a diferença total de energia mecânica por unidade de massa entre esses dois pontos. Essa energia consumida pode ser mensurada por meio da medição da pressão nos respectivos pontos. Em escoamentos incompressíveis e sem transferência de calor, a perda de carga de um sistema é causada principalmente pelo atrito entre o fluido e a tubulação. Essa situação também pode acontecer devido a perdas localizadas, ou devido a acidentes na canalização, como a presença de curvas, reduções e expansões de seção, válvulas e medidores de vazão.

9 5 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS A bancada experimental apresentada na figura a seguir foi usada para ensaiar as ponteiras propostas pelos grupos de trabalho. Ar ambiente, succionado pelo ventilador principal escoa até uma caixa com resistência elétrica, responsável pelo aquecimento do ar. A velocidade média do escoamento na descarga da chaminé será prescrita em torno de 5 m/s e sua temperatura na faixa de 30 a 40ºC, controlados pelo operador da bancada. A ponteira deverá ser instalada na extremidade da chaminé padrão, onde também há um segundo ventilador, que simula as condições de vento exterior perpendicular ao eixo da chaminé. Figura 3. Esquema da bancada montada para o ensaio das ponteiras 5. PROJETO De acordo com o que foi previamente apresentado, para um bom dimensionamento da ponteira deve-se corrigir uma provável perda de carga na tubulação devido ao atrito do ar com as paredes do duto e também a possibilidade da criação de uma cortina de vento proveniente da ventilação externa, que afetaria negativamente a saída do ar da chaminé. A norma NBR 14518, item indica que se deve considerar, para o dimensionamento de uma coifa para churrasqueira de combustível sólido, uma velocidade média do ar de 0,51m/s. O Atlas Eólico do Rio Grande do Sul mostra que a velocidade média do vento no estado é de 5,5 a 6,5m/s, porém devido a posição geográfica de Porto Alegre, conforme Ivo José Padaratz 1977, em vários períodos do ano essa velocidade alcança os 25m/s (90km/h). Outro ponto considerado foi a altura da ponteira, já que quanto maior for sua altura maior será a diferença de pressão entre a boca de saída e sua base, sendo assim necessário menor esforço para que o ar quente da churrasqueira vença a resistência oferecida pela pressão atmosférica.

10 6 Nas figuras 2.5, 2.6 e 2.7 será ilustrada a ponteira projetada assim como os medidores de vazão e temperatura. Figura 4. Perfil da chaminé construída Figura 5. Medidores de Vazão e pressão instalados

11 Altura 7 Figura 6. Esboço do projeto da ponteira (vista frontal) Em seguida serão apresentadas as curvas de calibração utilizadas para a calibração da vazão (Figura 2.8) e da temperatura (Figura 2.9). VAZÃO - TUBO DE PITOT 1,80E-02 1,60E-02 1,40E-02 1,20E-02 1,00E-02 8,00E-03 6,00E-03 4,00E-03 2,00E-03 0,00E Frequencia ventilador Figura 7. Calibração do tubo de Pitot Com o aumento da frequência através do inversor de frequência montado na bancada do laboratório a vazão deve aumentar, e isso pode ser verificado através das medições obtidas, que também foram utilizadas para calibração do sistema de medição.

12 RESSITËNCIA (KΩ) 8 MEDIDOR DE TEMPERATURA TEMPERATURA (ºC) Figura 8. Calibração do medidor de temperatura Pode-se observar a partir do gráfico acima que o medidor de temperatura comporta-se praticamente de forma linear. 6. RESULTADOS E ANÁLISES Conforme proposto no edital do trabalho as seguintes situações seriam testadas: 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. Na realização dos testes, foi utilizada uma frequência no ventilador da tubulação de 5Hz, gerando uma velocidade do ar de 3,6 m/s, após a realização dos cálculos se encontrou uma vazão volumétrica de 0, A 1B 1C Vazão s/ ponteira (m3/s) 0,0071 0,0071 0,0071 Vazão c/ ponteira (m3/s) 0, , ,00655 Razão 0, , , Perda (%) 10,3 4,5 7,74 Tabela 1. Avaliação da perda de carga devido à utilização da ponteira.

13 9 Para o caso 1A a vazão encontrada após a colocação da ponteira foi de 0,00631, gerando uma razão de 0,888732, a qual significa uma perda de vazão em torno de 10,3%. No caso 1B a vazão encontrada após a colocação da ponteira foi de 0,00678, gerando uma razão de 0,95493, a qual significa uma perda de vazão em torno de 4,5%. Com o vento exterior deslocado em 90º encontrou-se uma vazão de 0,00655, gerando uma razão de 0,922535, o qual significa uma perda de vazão em torno de 7,74 %. Para o caso 2A a temperatura medida foi de 35,85 C, uma vazão volumétrica de ar de 0,0071m³/s e uma vazão mássica de E-05 kg/s. Para o caso 2B a temperatura medida foi de 36 C, vazão de volumétrica de ar com vento exterior de m³/s e uma vazão mássica de kg/s. Para o caso 2C a temperatura medida foi de 36 C, a vazão volumétrica de ar com vento exterior deslocado de 90 foi de m³/s com uma vazão mássica de kg/s. 7. CONCLUSÃO Com a verificação do desempenho da chaminé na seção anterior, foi concluído que a ponteira mostrou-se ineficaz, devido ao pequeno valor da velocidade de escoamento externo em relação ao escoamento interno, fazendo com que o perfil do dispositivo não auxilie de forma satisfatória a ponto de compensar a redução de sua seção final, como é visto com a comparação da vazão volumétrica sem ponteira ( ), com a vazão volumétrica com a ponteira ( ). Já o sistema de medição de temperatura mostrou-se apto a realizar com precisão as medidas de temperatura do escoamento. Para experimentos futuros dois fatores podem ser considerados para a obtenção de melhores resultados: a) Aplicar uma menor velocidade de escoamento interno; b) Caso seja aplicado novamente um escoamento forçado de alta velocidade deve-se eliminar a conicidade da ponteira, a fim de reduzir a perda de carga por ela gerada.

14 10 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS PADARATZ, I. J., Velocidade Básica do Vento no Brasil. Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, SCHNEIDER, P. S., Medição de Velocidade e Vazão de Fluidos. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, SCHNEIDER, P. S., Termometria e Psicrometria. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, SEMA Secretaria do Meio Ambiente, ATLAS EÓLICO: RIO GRANDE DO SUL. Link: INCROPERA/DEWITT/BERGMAN/LAVINE, Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa,2008 BEYER, P. O., Climatização, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2013

15 11 ANEXOS ANEXO A Datasheet dos NTCs utilizados.

16 ANEXO B Trecho da Norma NBR