UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA Construção de uma ponteira de chaminé de alta performace submetida a ventos laterais ANDRÉ STEFENON FELIPE SMANIOTTO MATEUS FIGUEIREDO Porto Alegre, dezembro de 2013

2 Resumo O trabalho apresenta a concepção e construção de um dispositivo, denominado ponteira, a ser instalado na saída de um duto a fim de facilitar o escoamento de ar aquecido com a maior vazão possível sob três condições diferentes. Decide-se então criar uma ponteira que permite necessariamente um escoamento com pouca perda de carga, pois é o fator mais influente na vazão. Para ajudar, foi incorporado um bocal no qual capta o vento externo direcionando e acelerando o mesmo para dentro da ponteira, criando uma região de baixa pressão que facilita a saída do ar aquecido. Ainda é construído e instalado um sistema constituído de um pino apoiado em quarto pontos e um leme permitindo que o dispositivo gire no eixo do duto para direcionar a ponteira paralelamente com a direção do vento externo otimizando a vazão nas condições em que este está presente. Para as medições, são instalados e calibrados: um bocal para medição de vazão através da tomada de pressão estática e três NTCs que fornecen medidas de temperatura através da variação da resistência elétrica. Por fim, conclui-se que os efeitos do vento externo estão superestimados no projeto e conforme esperava-se, para essas condições a vazão é influenciada quase que apenas pela perda de carga do sistema. Nota-se também que o bocal não é o melhor medidor de vazão, pois a redução de seção causa uma grande perda de carga e a medição de temperatura por NTC é precisa, porém a calibração dos dispositivos necessita de extrema atenção e de um equipamento calibrado para ser a referência. Palavras-chave: perda de carga, diferença de pressão, vento externo, vazão. 2

3 Abstract This work is about the invention and building of a device, called cap, to be installed at the exit of a duct in order to help it flow with the highest rate as possible under three different conditions. It is decided, then, to create a cap that allows necessarily a low pressure loss, because it is the major factor to the flow rate. To help it, a pipe is incorporated to it, which captures the external wind, guiding and accelerating it into the cap, creating a low pressure area that makes the fluid output easier. Still it is built and installed a system consisting of a pin supported by four points and a rudder allowing the device to spin around the duct axis in order to direct the cap parallel to the external wind, optimizing the flow rate on the conditions that it is present. For the measurements, it is installed and calibrated: a nozzle that measures the static pressure and three NTC s that measure the temperature by the variation of electrical resistance. At last, it is concluded that the effects caused by the external wind are overestimated in the project and according to what it was expected, under these conditions the flow rate is influenced almost totally and only by the pressure loss. Also we notice that the nozzle is not the best flowmeter, because the reduction section causes a large pressure loss and temperature measurement by NTC is accurate, but the calibration of these devices requires extreme care and calibrated equipment to be reference. Key words: cap, flow, measurement, flow rate, pressure loss. 3

4 Lista de Figuras Figura 1: Exemplos de ponteiras de chaminé...9 Figura 2: Conceito da ponteira da chaminé...12 Figura 3: Chaminé montada com todas as partes...12 Figura 4: Localização das tomadas de pressão estática...13 Figura 5: Mecanismo de rotação da ponteira...13 Figura 6: Detalhe do leme e do bocal para direcionamento e captação do vento lateral...14 Figura 7: Instalação dos sensores de temperatura do tipo NTC...14 Figura 8: Curva resistência elétrica X temperatura de sensores tipo NTC...15 Figura 9: Variação da vazão com e sem ponteira

5 Lista de Tabelas Tabela 1: Medidas de em função da frequência do ventilador...16 Tabela 2: Dados utilizados para cálculo do k do bocal...16 Tabela 3: Variação do devido à instalação da ponteira...17 Tabela 4: Variação da vazão devido à instalação da ponteira no sistema...17 Tabela 5: Variação do devido o vento externo lateral...18 Tabela 6: Variação da vazão o vento externo

6 Lista de Símbolos T R Temperatura [Cº] Resistência elétrica [Ω] Pressão a montante [Pa] Pressão a jusante [Pa] Velocidade a montante [m/s] Velocidade a jusante [m/s] g Gravidade [m/s 2 ] Diferença de altura entre tomadas de pressão [m] Vazão volumétrica [m 3 /s] Vazão mássica [kg/s] Área da seção sem redução [m 2 ] Área da vena contracta [m 2 ] Área da redução da seção [m 2 ] Diferença de altura manométrica [mmca] 6

7 Sumário Resumo... 2 Abstract... 3 Lista de Figuras... 4 Lista de Tabelas... 5 Lista de Símbolos... 6 Sumário Introdução Revisão Bibliográfica Ponteiras de Chaminés Fundamentação Teórica Medidos de vazão Medidor de temperatura Técnicas Experimentais Conceito Construção do conceito Calibração experimental Calibração dos sensores NTC Calibração do medidor de vazão Resultados e discussão Perda de carga introduzida pela ponteira Influência do vento no Conclusões Bibliografia Anexo

8 1. Introdução Por definição, uma chaminé é um duto que faz comunicação entre dois meios, com o propósito de capturar e transferir para um meio externo, as propriedades indesejáveis pertencentes a um meio interno, como os fumos e vapores de água de um forno, lareira, churrasqueira, fogão ou similar. O conceito de chaminé é tão antigo que se torna difícil indicar quando e como foi criado. Um dos problemas mais recorrentes é o retorno dos gases do duto da chaminé para dentro do ambiente devido ao mau planejamento dos dutos ou da extremidade da mesma. Para isso são projetados alguns artefatos a fim de melhorar o desempenho da chaminé, como é o caso da aqui chamada ponteira, que nada mais é que um componente da terminação do duto que visa proteger a mesma de água da chuva ou ventos laterais. O presente trabalho visa descrever o projeto feito pelos alunos de uma ponteira que seja capaz de reduzir ao máximo o efeito perturbador dos ventos externos e que seja o mais eficiente possível na retirada dos gases internos. O projeto conta com medidor de vazão através de diferença de pressão estática e sensores tipo NTC para medição da temperatura do gás de exaustão. 8

9 2. Revisão Bibliográfica 2.1. Ponteiras de Chaminés É chamado de ponteira de chaminé o artefato que é acoplado na extremidade do duto por onde escoa os gases de exaustão. Elas são projetadas para evitar a entrada de água da chuva e reduzir ao máximo o efeito negativo dos ventos externos laterais que possam interferir na vazão da chaminé. Há diversos tipos de ponteiras comerciais projetadas para condições ambientais específicas. A Figura 1 alguns tipos de ponteiras utilizadas principalmente em residências. Figura 1: Exemplos de ponteiras de chaminé. Além de influenciar no efeito que os ventos externos têm sobre a vazão da chaminé, os tipos de ponteira podem criar mais ou menos perda de carga. Deve-se fazer um estudo completo para identificar quais são as necessidades do projeto, influências do ambiente externo, etc. 3. Fundamentação Teórica 3.1. Medidos de vazão Para construção do conceito de uma chaminé eficiente faz-se necessário o conhecimento das perdas de cargas existentes no projeto assim como a influência do vento externo e da temperatura na sucção dos gases. Abaixo é apresentado o equacionamento que estabelece uma relação entre a diferença de pressão lida na ponteira da chaminé causada pela redução da seção e a 9

10 vazão de ar que passa pelo duto. Partimos das equações da continuidade e de Bernoulli que são aplicáveis para um fluido ideal, com escoamento incompressível, adiabático e sem atrito. (1) A expressão (1) nos mostra a vazão volumétrica em em função do e nos pontos em que está sendo coletada a pressão estática. O coeficiente de pressão pode ser obtido a partir de tabelas em função do numero de Reynolds e do diâmetro interno dos tubos, ou através de calibração experimental. A vazão mássica é dada por (2) (3) A diferença de pressão é obtida pelas tomada de pressão estática medidas a montante e a jusante da redução de seção e pode ser calculada através da equação abaixo: (4) Onde o é a diferença de altura lida no manômetro do tipo tubo em U. Porem, o no nosso caso é 0,22 m tornando muito pequena a energia potencial podendo ser desconsiderada no cálculo da vazão. A vazão volumetria e mássica foi calculada como segue abaixo: ou (5) ou (6) 3.2. Medidor de temperatura A medição de temperatura por NTC, negative temperature coefficient, necessita calibração para uma verdadeira leitura de temperatura. A calibração é dada por 10

11 comparação a partir de outro medidor de temperatura. Com valores de temperatura variando lê-se a temperatura e compara-se com a resistência gerada pelo NTC determinado as constantes A e B da equação (18). O comportamento não-linear do NTC é representado pela equação abaixo: ( ) (18) onde A e B são constantes. O protótipo desfruta de 3 sensores tipo NTC calibrados que indicaram a temperatura através de uma média aritmética entre as 3 medições. 4. Técnicas Experimentais 4.1. Conceito A construção da ponteira foi desenvolvida a partir do conceito de ponteiras já existentes no mercado. Modificações como o coletor do vento externo em forma de cone adicionaram velocidade ao vento transversal em ordem de aumentar o nível de sucção da chaminé assim compensando pequenas perdas de carga da ponteira. O sistema de medição de vazão volumétrica foi baseado em um medidor do tipo bocal com redução de seção de 100mm para 75mm dada através de um acoplamento concêntrico. Afim de maior aproveitamento do vento externo que variou de posição, 0º e 90º, um dispositivo de rotação da ponteira direcionado por pressão do vento sob um leme foi construído e acoplado no sistema. O esboço do conceito é apresentado abaixo na Figura 2: 11

12 Figura 2: Conceito da ponteira da chaminé. A principal ideia foi coletar e acelerar o vento lateral a fim de criar uma pressão em I menor que em II, assim compensando a perda de carga gerada pelo bocal Construção do conceito Através do protótipo foi possível e analisar o encaixe das partes, como segue na Figura 3 abaixo: Figura 3: Chaminé montada com todas as partes. 12

13 A tomada de pressão estática deu-se instantes antes da redução de secção e imediatamente depois da mesma como a Figura 4 abaixo mostra. Figura 4: Localização das tomadas de pressão estática. O dispositivo de rotação e direcionamento da ponteira foi desenvolvido com tubo de 6mm de alumínio e o coletor de vento externo e leme de papel cartão, como mostrado na Figura 5 e Figura 6 abaixo: Figura 5: Mecanismo de rotação da ponteira. 13

14 Figura 6: Detalhe do leme e do bocal para direcionamento e captação do vento lateral. Todas as conexões, como mangueiras para tomada de pressão, foram fixadas com Durepox. A medição de temperatura foi feita a partir de 3 sensores NTC dispostos no tubo de 70mm após a redução de seção defasados 120º entre si, como mostrado na Figura 7 abaixo: Figura 7: Instalação dos sensores de temperatura do tipo NTC. 14

15 5. Calibração experimental 5.1. Calibração dos sensores NTC Os sensores NTC foram calibrados por comparação com um termômetro de mercúrio submerso em água quente. Gradualmente a temperatura da água foi sendo modificada e o valor da temperatura lido no termômetro foi registrado e comparado com a resistência elétrica gerada pelo sensor NTC. Como a temperatura de medição girará entre 20Cº e 50Cº, limitamos a curva de calibração nesse intervalo. A Figura 8 apresenta a curva resistência elétrica versus temperatura lida em sensores do tipo NTC. Figura 8: Curva resistência elétrica X temperatura de sensores tipo NTC. A função gerada através da curva de tendência exponencial é dada por: (19) (20) 15

16 5.2. Calibração do medidor de vazão A calibração do medidor de vazão foi executada por comparação com um medidor do tipo placa de orifício instalado na bancada de ensaio LETA-UFRGS. O procedimento consistiu em ajustar a frequência do ventilador entre 15 Hz e 40 Hz. Após o ajuste da frequência e o prévio conhecimento da equação da vazão para a placa de orifício pode-se comparar o lido na bancada e o na ponteira; uma vez igualando a vazão da bancada com a equação (16) é possível encontrar o coeficiente de descarga, do bocal. A Tabela 1 abaixo nos mostra o, lido no medidos tipo placa com orifício, bancada, e no bocal da chaminé nas diferentes frequências. Tabela 1: Medidas de em função da frequência do ventilador. A Tabela 2 contempla todos os valores utilizados para o cálculo do k do bocal. Tabela 2: Dados utilizados para cálculo do k do bocal. Assumindo o k como uma média aritmética entre os valores encontrados, tem-se que a constante do bocal k=1,21. 16

17 6. Resultados e discussão de ensaio. Abaixo seguem os resultados de para diferentes condições 6.1. Perda de carga introduzida pela ponteira Os dados abaixo apresentados, Tabela 3, mostram a influência da ponteira na perda de carga do sistema. Os valores foram obtidos com medições realizadas na placa de orifício da bancada. Tabela 3: Variação do devido à instalação da ponteira. A Tabela 4 mostra a variação da vazão medida na placa de orifício devido a instalação da ponteira. Tabela 4: Variação da vazão devido à instalação da ponteira no sistema. A Figura 9 representa graficamente a variação da vazão com e sem a ponteira para diferentes frequências do ventilador. 17

18 Figura 9: Variação da vazão com e sem ponteira. Acima é possível ver que a ponteira oferece uma perda de carga constante para qualquer frequência. Já, a bancada sem ponteira apresentou uma perda de carga maior quando temos a frequência do ventilador acima de 35 Hz Influência do vento no A Tabela 5 mostra a influência do vento a partir de medições efetuadas no bocal. Tabela 5: Variação do devido o vento externo lateral. lateral. A Tabela 6 apresenta a variação da vazão volumétrica devida o vento externo 18

19 Tabela 6: Variação da vazão o vento externo. Como mostrado acima, o vento externo não influenciou na perda de carga do escoamento principal, não aumentou nem reduziu a perda de carga da ponteira da chaminé. 19

20 7. Conclusões Após a construção do conceito e a realização de uma série de experimentos pode-se afirmar que a coleta do vento externo lateral, para o perfil de chaminé desenvolvido, teve influência imperceptível nos instrumentos de medições utilizados para leitura da vazão volumétrica. Acredita-se que a razão entre a velocidade do vento interno a tubulação e do vento externo lateral manteve-se muito alta impossibilitando que o vento externo influenciasse no escoamento. Apesar disso, para escoamentos com maior velocidade a ponteira mostrou-se eficiente com uma melhora de 3% na vazão. Medições com frequências acima de 43Hz foram impossibilitadas pois entravamos no fundo de escala do manômetro utilizado. Para testes futuros, uma mudança na geometria pode ser estudada assim como efetuar a medição de vazão através de Tubo de Pitot; dessa maneira acreditamos que reduziremos a perda de carga para baixas velocidades pois não teremos a redução de seção na tubulação apresentada nessa ponteira. 20

21 8. Bibliografia FARÍAS, O., 2008, Theoretical and experimental study of the natural draft in chimneys of buildings for domestic gas appliances, Mechanical Engineering Department, University of Concepción, Casilla 160-C, Concepción, Chile; FOX, R.W e MCDONALD, A.T., 1995, Introdução à Mecânica de Fluidos, Editora Guanabara Koogan S.A, Rio de Janeiro; SMITH SCHNEIDER, P., 2007, Medições de Pressão em Fluidos, Apostila da disciplina de Medições Térmicas, Engenharia Mecânica, UFRGS, Porto Alegre ( SMITH SCHNEIDER, P., 2007, Medições de Vazão em Fluidos, Apostila da disciplina de Medições Térmicas, Engenharia Mecânica, UFRGS, Porto Alegre ( Sites de pesquisa genérico. 21

22 Anexo Materiais utilizados na construção da ponteira da chaminé: Cano PVC 100mm; Cano PVC 75mm; Luva de redução concêntrica PVC 100x75mm; Luva de acoplamento 75x75mm; Conexão em Y, 75mm; Tubo de alumínio, 6mm; Papel cartão; Durepox; Mangueira transparente de silicone; NTC; 22