UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE CONSTRUÇÃO E ANÁLISE DE UMA PONTEIRA DE CHAMINÉ por Felipe Zimpel Wayhs Henrique Chiaradia Rigon Matheus Moschetta Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Dezembro de 2013.

2 RESUMO Este trabalho apresenta a construção e estudo de um dispositivo de descarga de gases quentes, denominado de ponteira de chaminé. Esta é testada em uma bancada experimental previamente montada no Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos (LETA). Com o sistema ponteira e bancada completo, são feitas medições de temperatura do ar em escoamento através de um termômetro de resistência elétrica PT100 ligado a um multímetro e da vazão volumétrica através de um medidor de vazão por obstrução equipado com um manômetro inclinado. Tanto o sensor de temperatura quanto o medidor de pressão são calibrados tendo como referência os instrumentos da própria bancada experimental, onde são realizadas as medições de interesse para o estudo em questão. A referência para o medidor de vazão do modelo é a placa de orifício da bancada e a referência para o PT100 do dispositivo construído é o próprio PT100 da instrumentação laboratorial. Os testes são realizados tanto sem a presença de vento externo transversal quanto com a presença dele, simulando condições atmosféricas reais, situação que induz a instituição de direcionadores de fluxo nas paredes exteriores da parte estrutural da ponteira, visando o aproveitamento do escoamento de ar externo para aumento da vazão disponibilizada pela ponteira. A ponteira do tipo canhão sem chapéu se mostrou eficiente por apresentar pouca perda de carga ao longo da tubulação. Tal dispositivo funciona bem como um exaustor estático devido à utilização do escoamento transversal para aumento de vazão, sendo uma boa alternativa para aplicações residenciais e industriais. O desvio da vazão volumétrica com ponteira em relação ao valor sem a presença da mesma é de 100% sem vento transversal externo e 80% com vento transversal externo a 0 o e 90 o. Já os desvios das medições dos instrumentos instalados na ponteira em relação à medição com instrumentos da bancada são de - 61,3% para a vazão volumétrica, 0,6% em relação a temperatura e -58,6% em relação à vazão mássica. PALAVRAS-CHAVE: Ponteira de chaminé, Calibração, Vazão, Temperatura, Manômetro inclinado, PT100 ii

3 ABSTRACT This assignment presents the construction and study of a gases discharge device, called chimney s tip. This is linked to an experimental workbench previously assembled in the Laboratory for Thermal and Aerodynamic Studies (LETA). With the system tip and workbench assembled the measurement of the temperature of the air in flow is made by a resistance thermometer PT100 equipped with a multimeter and the measurement of the volumetric flow rate is made by an flow rate measurer by obstruction equipped with an inclined manometer. Both the temperature sensor and the pressure measurer are calibrated having as reference the workbench instruments, where the measurements of interest for this study are made. The reference for the flow rate measurer is the orifice plate of the workbench and the reference for the PT100 of the device built is the PT100 of the laboratorial instrumentation. The tests are made without and with external wind, simulating real atmospheric conditions, situation that induce the application of flux guiding devices on the outside walls of the structural part of the tip, looking for the usage of the external air flow to increase the flow rate available by the tip. The cannon type tip without cover is efficient once it has low head loss along the canalization. This device works well as a static exhaust system due to the usage of the transversal flow to increase the flow rate, being a good alternative to residential and industrial applications. The volumetric flow rate difference with tip related to the value without it is of 100% without external wind and 80% with external wind at 0 o and 90 o. The differences of measures with instruments installed on the tip related to the measures with instruments of the workbench are -61,3% to the volumetric flow rate, 0,6% to the temperature and -58,6% to the mass flow rate. KEYWORDS: Chimney tip, Calibration, Flow rate, Temperature, Inclined manometer, PT100 iii

4 SUMÁRIO RESUMO ABSTRACT LISTA DE SÍMBOLOS ii iii v 1. INTRODUÇÃO 1 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 1 3. FUNDAMENTAÇÃO Medição de Vazão Medição de Temperatura Incertezas de Medição 2 4. TECNICAS EXPERIMENTAIS Construção da Ponteira 3 5. VALIDACAO DO EXPERIMENTO Bancada de Ensaios Calibração Calibração do Medidor de Vazão Calibração do Sensor de Temperatura Incertezas de Medição Incerteza da Medição da Vazão Incerteza da Medição da Temperatura 8 6. RESULTADOS Curva de Operação do Medidor de Vazão Curva de Operação do Sensor de Temperatura Resultados dos Ensaios CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS APÊNDICE A Lista de Materiais 14 iv

5 LISTA DE SÍMBOLOS A t Área da garganta [m 2 ] C d Coeficiente adimensional de descarga E Fator de velocidade de aproximação g Aceleração da gravidade [m/s 2 ] H Altura do fluido manométrico [m] Vazão mássica real Vazão mássica ideal [kg/s] [kg/s] p 1 Pressão à montante [Pa] p 2 Pressão à jusante [Pa] R Resistência [Ω] T Temperatura [ C] α Coeficiente de temperatura [ C -1 ] β Relação entre diâmetros da tubulação [ ] ρ Massa específica [kg/m 3 ] ρ man Massa específica do fluido manométrico [kg/m 3 ] v

6 1. INTRODUÇÃO O trabalho de conclusão da disciplina de Medições Térmicas consistiu no projeto, construção e análise de uma ponteira de chaminé. Este aparato foi acoplado a uma bancada experimental previamente desenvolvida no Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos (LETA). Visando aplicar conhecimentos teóricos transmitidos ao longo do semestre acadêmico sobre medições de vazão e temperatura, a aplicação deste tema em laboratório permitiu que, através do dispositivo em questão, conceitos importantes no abrangente campo das medições fossem postos à prova. A instrumentação para tais medições também foi desenvolvida a fim de realizarem-se comparações com medições feitas por instrumentos do próprio laboratório. O incentivo para tal estudo está baseado na possibilidade de melhoria de um escoamento. Seja pela redução da perda de carga ao longo do percurso desenvolvido pelo fluido, pela não necessidade da utilização de exaustores em um equipamento amplamente difundido na indústria ou ainda pela redução do gasto de energia para tal aplicação, a ponteira de chaminé caracteriza-se como um artefato de ganho de desempenho das chaminés. Em função disso, o propósito do trabalho é a construção de uma ponteira e análise de conceitos relacionados a ela. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O problema de aumentar a vazão volumétrica de chaminés é muito importante para a eliminação de fumos de dentro de ambientes fechados, e já foi abordado por muitos autores durante os anos. Segundo HOWARD (2011), o conhecimento do problema de escoamento em uma chaminé não é trivial, e se faz necessário um estudo de um profissional para melhorar a eficácia da chaminé, já que o refluxo ou o escoamento insuficiente é gerado devido à um grande número de fatores, que variam muito na região onde está instalada a chaminé. A ponteira de chaminé construída neste trabalho é baseada em uma ponteira do tipo canhão sem chapéu, já que efeitos de chuva não serão considerados no modelo. Devido ao seu formato, ele age como um exaustor estático devido às zonas de turbulência que são criadas a partir do vento transversal (SANTOS, 2011). 3. FUNDAMENTAÇÃO 3.1. Medição de Vazão Existe uma ampla variedade de métodos para a realização de medição de vazão. Sua escolha está relacionada com sua aplicação, custo, precisão e exatidão desejada. Medidores por obstrução são os mais utilizados na área, destacando-se pela simplicidade e boa exatidão. Constituem cerca de 50% dos equipamentos existentes. Sua instalação em uma tubulação cria um diferencial de pressão estática entre a montante e a jusante. Este diferencial de pressão é proporcional ao quadrado da vazão. O equacionamento é realizado considerando um fluido ideal, num escoamento adiabático, incompressível e desprezando o atrito. A vazão é obtida a partir das equações da continuidade e de Bernoulli ao longo de uma linha de corrente. Sendo assim, a expressão para a vazão volumétrica pode ser dada pela Equação 1 abaixo. 1

7 Onde o termo pode ser unificado em um único valor de constante de calibração, K, que pode ser determinado experimentalmente. Dessa forma, a equação para a vazão volumétrica pode ser escrita pela Equação 2. A medida da diferença de pressão pode ser facilmente obtida através da leitura da variação de altura de um fluido manométrico em um manômetro. A diferença de pressão relaciona-se com a diferença de altura de acordo com a Equação 3 a seguir Medição de Temperatura Assim como os medidores de vazão, a medição de temperatura pode ser realizada por diferentes métodos. Os instrumentos de medição obedecem a diferentes princípios físicos, e são selecionados segundo a faixa de temperatura, custo, exatidão e precisão desejados. Termômetros de resistência elétrica são elementos que apresentam variação da sua resistência em função da variação da temperatura do meio ao qual são submetidos. Seu comportamento é indicado pelo coeficiente de temperatura linear de resistência dado pela Equação 4. Onde α é o coeficiente de temperatura obtido por calibração, e T 0 e R 0 são a temperatura e a resistência de referência do sensor Incertezas de Medição Procedimentos de medição sempre apresentam valores aproximados do valor verdadeiro da grandeza medida. Isso ocorre devido à presença de erros aleatórios (associados à natural variabilidade dos processos físicos), imprecisão de aparelhos e até mesmo por falta de perícia do operador. Por isso, o conhecimento da precisão do valor lido em relação ao valor verdadeiro é extremamente importante para a validação de um experimento. Pode-se determinar a incerteza de medição de uma grandeza a partir do conhecimento de outras grandezas determinadas experimentalmente e suas incertezas. Para isso, utiliza-se a Equação 5 abaixo. Onde, é a incerteza associada à quantidade y e é a incerteza associada à quantidade. 2

8 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Foi construído um modelo de ponteira de chaminé com objetivo de maximizar a vazão volumétrica de ar e minimizar a interferência de ventos transversais, simulando condições atmosféricas reais. Além disso, foram acoplados dispositivos para medição de vazão e temperatura Construção da Ponteira A base da ponteira constitui-se de um tubo de PVC de 100 mm de diâmetro para fazer o acoplamento na bancada do laboratório. Um tubo de 75 mm foi conectado na base através de uma redução excêntrica, que foi vedada com silicone. Tal redução foi utilizada para provocar um diferencial de pressão estática, medido através de um manômetro, a fim de aferir a vazão volumétrica de ar. Tendo em vista a presença de vento transversal externo, foram acoplados três direcionadores de escoamento no tubo de 75 mm, visando aproveitar o mesmo para aumentar a vazão. Tais dispositivos podem ser visto na Figura 1: Figura 1: Vista em detalhe dos direcionadores de escoamento. A fixação do tubo para bloqueio de ventos transversais foi feita utilizando 4 arames igualmente espaçados nos diâmetros dos tubos de 75 e 150mm, conforme pode ser visto na Figura 2: Figura 2: Vista superior mostrando detalhe da fixação do tubo para bloqueio de ventos transversais. 3

9 Para realizar a medição de temperatura, foi instalado longitudinalmente um termômetro de resistência elétrica PT100 na parede da tubulação para minimizar a interferência do sensor no escoamento. O sensor possui uma limitação máxima de utilização de até 100 C devido a sua isolação em PVC. Uma visão geral da ponteira de chaminé pode ser observada na Figura 3: Figura 3: Ponteira montada na bancada do LETA. 5. VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO A validação e a calibração do modelo foram realizadas em uma bancada de ensaios instalada no LETA Bancada de Ensaios A bancada de ensaios, mostrada esquematicamente na Figura 4, utiliza um ventilador que succiona ar ambiente aquecido através de uma caixa com resistências elétricas para simular o funcionamento de uma chaminé. Figura 4: Esquema da bancada de ensaios (Fonte: SCHNEIDER, 2013). 4

10 A medição de vazão volumétrica do ar que circula na bancada de ensaios é realizada através de um medidor de obstrução do tipo Placa de Orifício, conforme mostrado na Figura Calibração Figura 5: Placa de Orifício na bancada de ensaios Calibração do Medidor de Vazão A calibração do medidor por obstrução do modelo construído foi realizada por comparação, tendo como referência a placa de orifício da própria bancada. A vazão foi variada a partir da modificação da frequência de rotação do ventilador, de 15 Hz até 55 Hz, utilizando incrementos de 5 Hz. Para cada frequência, esperou-se a estabilização do fluido manométrico e foi lida a variação de altura para obter o diferencial de pressão na placa de orifício e a partir desse, a vazão volumétrica. Esta vazão volumétrica foi utilizada para construir a curva de calibração do medidor de vazão do modelo. Os dados coletados podem ser vistos na Tabela 1: Tabela 1: Dados para a construção da curva de calibração. Placa de Orifício Ponteira Frequência [Hz] Δh [mmca] Δp [Pa] Vazão [m3/s] Δh [mmca]

11 Δh [mm] A curva de calibração do medidor de vazão é mostrada na Figura 6: Vazão [m3/s] Figura 6: Curva de Calibração do medidor de vazão Calibração do Sensor de Temperatura Semelhante ao procedimento de calibração do medidor de vazão, a calibração do sensor de temperatura também foi realizada por comparação, tendo como referência o sensor de temperatura PT100 da própria bancada. Diferentes valores de temperatura foram aplicados no escoamento e lidos no sensor de referência. Esses valores foram então comparados com as variações na resistência PT100 da ponteira para a obtenção da curva de calibração. Os dados coletados podem ser vistos na Tabela 2: Tabela 2: Dados para a construção da curva de calibração. T referencia [ C] Resistência [Ω] α O coeficiente de temperatura foi obtido a partir da Equação 4 para cada ponto, com a finalidade de determinar o coeficiente de temperatura médio para a criação da curva de calibração e operação. A curva de calibração do sensor de temperatura é mostrada na Figura 7: 6

12 Incerteza de medição [m3/s] Resistência [Ω] Temperatura [ C] 5.3. Incertezas de Medição Figura 7: Curva de Calibração do sensor de temperatura. Foram calculadas duas incertezas de medição para a instrumentação feita no modelo: Incertezas da Medição da Vazão Para calcular a incerteza que está embutida na medição da vazão, foi necessário medir a resolução do manômetro utilizado para a medição da diferença de pressão no estrangulamento. A partir dessa medição, foi utilizada a equação do ajuste de curva usado na curva de utilização para determinar a incerteza de medição da vazão, que fica explicitada nas Equações 6 e 7 abaixo: Usando a equação para determinar a propagação de erros e tendo em vista que a resolução é de 0.5 mmca e a incerteza é de 0.25 mmca, podemos construir um gráfico que determina as incertezas para cada valor medido, como mostrado na Figura 8: Vazão [m3/s] Figura 8: Incerteza de medição da vazão. 7

13 Incerteza de medição [ C] Incertezas na Medição de Temperatura Para calcular a incerteza embutida na medição de temperatura, precisamos determinar primeiramente a incerteza do multímetro utilizado para medir a resistência do termômetro PT100. Segundo o manual do multímetro usado, a incerteza é de ±(0.3%+8), ou seja, 0.3% da medida feita mais oito algarismos significativos na escala utilizada (0.08Ω). Utilizando as curvas de calibração e de operação levantadas em ensaios no laboratório, obtemos que a equação linearizada da curva de operação é a seguinte, dada pelas Equações 8 e 9: Utilizando a segunda equação e a curva de incerteza, podemos construir um gráfico para determinar a incerteza na medição da temperatura, como demonstrado na Figura 9 abaixo: Temperatura [ C] Figura 9: Incerteza de medição da temperatura. 6. RESULTADOS 6.1. Curva de Operação do Medidor de Vazão A partir dos dados coletados e da construção das curvas de calibração dos medidores de vazão e temperatura, foi possível definir o comportamento dos mesmos para a sua aplicação em operação. O comportamento dos medidores é dado pela respectiva curva de operação, construída a partir das curvas de calibração. A curva de operação do medidor de vazão pode ser vista na Figura 10 mostrada a seguir. 8

14 Temperatura [ C] Vazão [m3/s] y = x Δh [mm] Figura 10: Curva de operação do medidor de vazão. A curva de operação para determinação da vazão volumétrica em função da altura manométrica pode ser descrita pela função exponencial dada na Equação 10 a seguir. Onde Δh é a altura manométrica lida no manômetro Curva de Operação do Sensor de Temperatura Para o sensor de temperatura, a curva de operação é mostrada na Figura 11 abaixo Resistência [Ω] Figura 11: Curva de Operação do sensor de temperatura. A curva de operação para a determinação da temperatura em função da resistência do PT100 é obtida através da Equação 4, onde o coeficiente de temperatura calibrado para o sensor α tem valor de , T 0 =0 C e R 0 =100Ω. Portanto, a curva de operação pode ser aproximada para a Equação 11 abaixo. 9

15 A vazão mássica pode ser facilmente obtida a partir dos valores obtidos pelos medidores através da Equação 12: Onde ρ é a massa específica do fluido na temperatura medida Resultados dos Ensaios Para determinar a eficiência em relação à vazão volumétrica da ponteira de chaminé construída, foram comparados valores de medições realizadas utilizando os instrumentos fornecidos pela bancada de ensaios, com e sem a presença da ponteira. Esta comparação mostrou uma grande alteração na vazão com a colocação da ponteira, porém se mostrou efetivo na presença de vento transversal externo. Essa comparação pode ser vista na Tabela 3 abaixo. Tabela 3: Desvio da vazão volumétrica com ponteira em relação ao valor sem a presença da mesma. Desvio Sem vento transversal externo 100% Com vento transversal externo 0 80% Com vento transversal externo 90 80% A precisão dos medidores foi obtida através de comparação dos valores obtidos pelos medidores instalados na ponteira com os valores obtidos através da medição realizada com os instrumentos fornecidos pela bancada de ensaios. Essa comparação apresentou um grande erro na medição de vazão e uma ótima precisão na medição de temperatura. Os desvios podem ser visto na Tabela 4 a seguir. Tabela 4: Desvio das medições dos instrumentos instalados na ponteira em relação à medição com instrumentos da bancada de ensaios. Desvio Vazão volumétrica -61,3% Temperatura 0,6% Vazão mássica -58,6% 10

16 7. CONCLUSÕES O ganho de desempenho em chaminés está estreitamente relacionado com as ponteiras que são utilizadas nos mesmos. A ponteira do tipo canhão sem chapéu pôde ser estudada e observou-se que devido à sua baixa perda de carga, caracteriza-se como uma alternativa eficiente no âmbito de descarga de gases quentes. Além disso, o dispositivo construído mostrou-se funcional como exaustor estático devido à presença e utilização de escoamentos transversais ao modelo com a finalidade de aumento da vazão disponibilizada pela ponteira. Tal funcionalidade é relevante tratando-se da possibilidade de não utilização de exaustores como artefatos complementares, reduzindo custos de fabricação e complexidade de construção. O desvio da vazão volumétrica com ponteira em relação ao valor sem a presença da mesma é de 100% sem vento transversal externo e 80% com vento transversal externo a 0 o e 90 o. Para melhorar tal diferença, os direcionadores de fluxo podem ser acoplados simetricamente ao longo de toda circunferência da ponteira. Já os desvios das medições dos instrumentos instalados na ponteira em relação à medição com instrumentos da bancada são de -61,3% para a vazão volumétrica, 0,6% em relação a temperatura e -58,6% em relação à vazão mássica, caracterizando uma medição de temperatura com alta exatidão, o que não ocorre para a vazão volumétrica e mássica, indicando a necessidade de uma melhor calibração para a medição de vazão. A ponteira construída não tem proteção contra chuva, visto que os testes foram realizados em ambiente fechado. Para aplicações externas, recomenda-se que uma cobertura seja acoplada ao dispositivo, funcionando como proteção contra agentes externos. Além disso, no caso de utilizações não laboratoriais, como em residências e indústrias, é importante que o dimensionamento da ponteira seja estudado mais profundamente, bem como a utilização de materiais mais eficientes e resistentes. 11

17 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS HOWARD, Dale. Chimney Airflow Problems Disponível em: < Acesso em: 08 dez SANTOS, Augusto Miguel dos,. Churrasqueiras Residenciais Monografia - Centro de Ciências Tecnológicas, Universidade Regional de Blumenau, Blumenau. SCHNEIDER, P. S., Edital de Trabalho Final d Disciplina Medições Térmicas. 2013/2. Disponível em: < SCHNEIDER, P. S., Medição de Velocidade e Vazão de Fluidos. 2011/2. Disponível em < 12

18 9. ANEXOS Capacidade de leitura na faixa indicada Perda de carga Incertezas Criatividade Conformidade com as normas de redação do concurso

19 APÊNDICE A Lista de Materiais Tubos de policloreto de vinila (PVC) em diâmetros de 75, 100 e 150 mm; Redução excêntrica de 100 para 75 mm; Silicone para vedação; Arame metálico; Fita isolante; Abas de poliereftalato de etileno (PET). Para a confecção do sistema de instrumentação foram utilizados os seguintes materiais: Mangueira de 1/8 ; Cola quente; Termo resistência PT100 3 fios, haste inox diâm. 6 x 50mm x 1000mm PVC 100 C. 14