ESTUDO DA ALTERAÇÃO DA VAZÃO MÁSSICA NO INTERIOR DE UM DUTO DE EXAUSTÃO UTILIZANDO PONTEIRA MELHORADA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE ESTUDO DA ALTERAÇÃO DA VAZÃO MÁSSICA NO INTERIOR DE UM DUTO DE EXAUSTÃO UTILIZANDO PONTEIRA MELHORADA por Luis Fernando Kanan Paulo Rodolfo Buffon Ortiz Pedro Gomes Spohr Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Dezembro de 2013.

2 i RESUMO Este trabalho consiste na análise experimental de um protótipo de ponteira de chaminé com o intuito de melhorar a vazão mássica de um sistema de exaustão. Esta ponteira é idealizada com uma geometria que direciona o escoamento externo ao sistema de descarga de ar, que vem perpendicular e é redirecionado como um escoamento paralelo à descarga de ar, favorecendo o aumento da vazão interna. São construídos medidores para a vazão e temperatura, sendo esses, calibrados a partir de dados fornecidos pelos ensaios na bancada de teste. Ao se analisar os resultados obtidos, pode-se ver que a adição da ponteira ao sistema de descarga de ar conduziu um aumento da vazão em cerca de 3,27%, e ainda avaliando os resultados do experimento com ventos laterais, houve um acréscimo da vazão de até 5,81%, decorrente da geometria do protótipo, em relação ao ensaio sem ventos. PALAVRAS-CHAVE: Ponteira; Chaminé; Duto de Exaustão; Escoamento Ponteira.

3 ii ABSTRACT This paper consists of an analysis on a chimney tip prototype, which was developed to improve the mass flow of an exhaust system. Its geometry drives the external flow of air that comes perpendicular to the system (wind) to a parallel direction of the chimney discharge, in order to increase the mass flow. Flow and temperature meters were constructed and calibrated from data provided by the tests. The addition of the tip has increased the air flow, while side winds generated an even greater increase due to the geometry of the prototype. KEYWORDS: Chimney Tip; Prototype; Exhaust System; Air Flow.

4 iii LISTA DE FIGURAS Figura 1 Modelo experimental da ponteira... 4 Figura 2 Tomada de pressão de estagnação do Tubo de Pitot Figura 3- Bancada para a realização do experimento Figura 4 Vista em corte e escoamento esperado... 7 Figura 5 Vista frontal do projeto da ponteira Figura 6 Vista superior do projeto da ponteira Figura 7 Vista isométrica do projeto da ponteira.... 8

5 iv LISTA DE TABELAS Tabela 1 Densidade do ar de acordo com a temperatura Tabela 2 Velocidades e Vazões, Com e Sem Ponteira Tabela 3 Velocidades e Vazões, Com Ponteira a 0 e 90 graus

6 v SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO 1 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 1 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Massa específica do ar Medições de Vazão e Velocidade Medição de Temperatura 2 4. TÉNICAS EXPERIMENTAIS Projeto da Ponteira de Exaustão 6 5. VALIDAÇÃO 9 6. RESULTADOS E ANÁLISES 9 7. CONCLUSÃO BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 11

7 1 1. INTRODUÇÃO Cada vez mais o desenvolvimento de dutos de exaustão eficientes e sustentáveis é valorizado devido à preocupação com o consumo energético utilizado tanto no sistema de exaustão quanto nos processos da própria indústria. Estes dutos são essenciais para qualquer tipo de instalação com geração de calor e/ou fumos e sua eficiência é extremamente importante tanto na indústria como nas residências, a exemplo de churrasqueiras e lareiras. Tendo em vista que a exaustão pode ser livre ou forçada, dependendo da aplicação, a perda de carga nos dutos e a resistência na saída do bocal da chaminé ocasionada pelo escoamento externo podem atrapalhar o funcionamento da exaustão e aumentar o consumo energético do motor de exaustão ou até impedir a saída do fluido no caso de uma convecção livre. O objetivo deste trabalho é construir um modelo de ponteira para bocal de chaminés tanto industriais como residenciais, gerando a menor perda de carga possível e utilizando o escoamento externo de ar para contribuir com a vazão no duto. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O mercado apresenta uma gama diversa de diferentes ponteiras para chaminés, contudo quando pesquisado sobre o assunto, não foi encontrada bibliográfica disponível sobre o tipo de ponteira apresentado a seguir. Assim, foram citados trabalhos diversos sobre as questões abordadas nesse trabalho. Segundo Saïd et al., a escoamento de exaustão de uma chaminé é melhorado com a adição de um escoamento cruzado, sendo satisfeita a razão de velocidade de exaustão sobre a velocidade do ar atmosferico, maior que 1,5. Adrian Galea et al., 2011 tratou um esquema de redimensionamento de chaminés, aumentando o seu comprimento e sua area de passagem da saida da chaminé, que resultou em um incremento de vazão, mesmo tendo um aumento da perda de carga. 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Utilizando-se dos princípios de mecânica dos fluidos e transferência de calor e massa, conceitos ainda em desenvolvimento na história da ciência, a vazão mássica passou a ser um fator importante de estudo na indústria e desenvolvimento tecnológico. Com o passar do tempo a sua fundamentação teórica e seus estudos experimentais permitiram a utilização pratica de tais conceitos Massa específica do ar O ar é uma mistura de gases, que tem propriedades que variam conforme a composição do ambiente, mas foi adotado o modelo de ar atmosférico padrão. A Tabela 1 mostra a massa especifica do ar de acordo com a variação da temperatura: Temperatura do Ar (ºC) Densidade do Ar (kg/m³) Tabela 1 Densidade do ar de acordo com a temperatura.

8 Medições de Vazão e Velocidade A partir da equação Bernoulli (Equação 1), pode-se obter a fórmula para a velocidade do escoamento no tubo de Pitot (Equação 2) e a fórmula para a velocidade do escoamento na placa de orifício (Equação 3): = (1) = 2 h (2) = 2 h (3) onde e são a velocidade do escoamento (m/s) no tubo de Pitot e na placa de orifício, respectivamente, é a densidade do fluido no manômetro e é a densidade do ar (kg/m^3), é a aceleração da gravidade (m/s^2), h é o valor medido no manômetro em metros e é o coeficiente de escoamento (adimensional) para a placa de orifício. As vazões volumétricas podem ser obtidas multiplicando as velocidades de escoamento pela área de passagem, e as vazões mássicas foram obtidas a partir da vazão volumétrica, multiplicando-se pela massa especifica. As vazões mássicas pode ser obtidas utilizando as equações 4 e 5. = (4) = (5) onde e são, respectivamente, a vazão mássica do escoamento (kg/s) medida por um tubo de Pitot e por uma placa de orifício e a área da seção transversal do duto (m^2) Medição de Temperatura Neste trabalho um sensor de temperatura tipo NTC foi empregado. Para seu uso correto uma curva de utilização ou uma equação de ajuste de curva são necessárias. Curvas de utilização e calibração foram interpoladas através de ajustes de curva exponencial não linear a partir de pontos experimentais. A calibração do sensor resistivo de temperatura tipo NTC foi feita fazendo uma relação entre diferentes temperaturas medidas utilizando um sensor pré-calibrado tipo PT-100 (fornecido pelo laboratório) com os valores de resistência medidos com o NTC. Os dados de temperatura e resistência foram colocados no software OriginPro 8 e as curvas de calibração e utilização, assim como a equação de ajuste da última, foram obtidas, como pode ser visto no gráfico 1 e na equação 6.

9 3 Gráfico 1 Curva de calibração (a) e curva de utilização (b) para sensor de temperatura NTC = (6) onde T é a temperatura (ºC) e R a resistência medida no multímetro (Ω). 4. TÉNICAS EXPERIMENTAIS A partir dos conhecimentos adquiridos principalmente nas disciplinas de Medições Térmicas e Climatização, além de pesquisas realizadas pelo grupo, foi concebido um modelo de ponteira de chaminé, construído a partir de moldes de isopor. Estes moldes foram confeccionados a partir de blocos de isopor que foram conformados utilizando um equipamento de corte com o princípio de um fio aquecido através da corrente elétrica gerada a partir de uma fonte de computador que foi desenvolvido pelo próprio grupo. O material utilizado para a estrutura da ponteira, que pode ser vista na Figura 1, foi papier-mâché, revestida internamente com massa corrida, lixada para dar melhor acabamento, assim como reduzir o atrito. Pelo lado externo foram utilizadas folhas de jornal inteiras embebidas em cola branca tipo tenaz para dar maior resistência.

10 4 Figura 1 Modelo experimental da ponteira. O sistema de medição também foi desenvolvido pelo grupo. Um tubo do Pitot montado a partir de uma antena de rádio cortada em dois segmentos a um ângulo de 45 graus e colados a 90 graus utilizando a cola poxipol (Figura 2), ao passo que foram feitos dois furos no duto de exaustão para as tomadas de pressão estática e de estagnação. Um sensor resistivo NTC para a tomada de temperatura também foi utilizado.

11 5 Figura 2 Tomada de pressão de estagnação do Tubo de Pitot. O ensaio foi realizado na bancada experimental do LETA. Nesta bancada, ar é impulsionado por um ventilador e escoa até a seção de aquecimento, onde sua temperatura é elevada por um banco resistivo. Após deixar o banco resistivo, o ar aquecido passa por uma tubulação, que tem como finalidade o acoplamento da ponteira e também das medições de temperatura e vazão de referência. Para a realização do experimento também foi utilizado um ventilador com a função de simular o vento externo que atua em chaminés, sendo a vazão desse ventilador desconhecida e não vital para o desenvolvimento do trabalho.

12 6 A bancada experimental do LETA se apresentou como esquematizado na Figura 3 abaixo. Figura 3- Bancada para a realização do experimento Projeto da Ponteira de Exaustão O projeto realizado foi a construção da ponteira de exaustão, a ideia partiu do princípio de utilizar o escoamento externo favorecendo o aumento da vazão do escoamento interno no duto de exaustão, como visto na figura 4. Durante o projeto foram enfrentadas dificuldades até chegar no modelo final (mostrado nas Figuras 4, 5, 6 e 7), modificando ângulos de entrada, bem como os raios de curvatura do bocal. Além disso, a construção passou por diversas etapas de fabricação, como a confecção dos moldes de isopor, que envolveu o desenvolvimento caseiro de um equipamento de corte a partir de canos de PVC, rolhas de espumante, fios de cobre e uma fonte de tensão; a mistura do papier-mâché teve como principais componentes papel higiênico e cola de azulejo; a aplicação do revestimento feito com massa corrida na superfície de contato com o escoamento com o objetivo de reduzir o atrito e dar maior estabilidade estrutural. O protótipo foi construído ao longo de 3 semanas, levando em consideração dias para secagem das camadas de papier-mâché e da massa corrida, assim como alguns dias para achar soluções para novos problemas enfrentados ao longo da construção, como por exemplo a adesão do papier-mâché no molde de isopor, que foi solucionado utilizando filmes de plástico para facilitar a remoção dos moldes.

13 7 Figura 4 Vista em corte e escoamento esperado. Figura 5 Vista frontal do projeto da ponteira.

14 8 Figura 6 Vista superior do projeto da ponteira. Figura 7 Vista isométrica do projeto da ponteira.

15 9 5. VALIDAÇÃO No laboratório de medições térmicas foram feitos alguns testes na bancada experimental com e sem a ponteira projetada e também variando as propriedades do escoamento de ar, tais como a temperatura, a velocidade do ventilador de entrada e a velocidade do ventilador lateral. Um aspecto observado nos testes realizados no laboratório foi da temperatura do banco resistivo oscilar em torno do valor estipulado, pois utiliza sistema liga-desliga além da velocidade do escoamento interno ser regulada a partir da frequência de operação do ventilador. Para validar nosso medidor de vazão, foi feito um teste comparando a vazão volumétrica medida utilizando nosso tubo de Pitot e uma placa de orifício previamente instalada no sistema (fornecida pelo LETA). A placa de orifício estava calibrada com um coeficiente K de 0.7, a densidade do ar foi tida como 1.124[kg/m^3] (40ºC) e a densidade do fluido manométrico foi tida como a da água (1000[kg/m^3]). Os valores em mmca medidos, as áreas de passagem e as vazões obtidas através das equações (4) e (5) estão apresentados na Tabela 2. Pitot Placa de Orifício h [mmca] Área de passagem [m^2] 7.85E E-03 Vazão [m^3/s] 5.49E E-2 Tabela 2 Validação tubo de Pitot. Para a calibração do medidor de temperatura NTC, comparando-o com um PT-100 pré calibrado, utilizou-se cinco pontos, como visto na Tabela 3. PT-100 [ºC] NTC [Ohms] Tabela 3 Calibração NTC. 6. RESULTADOS E ANÁLISES Com o termino da confecção do protótipo foi possível a realização dos experimentos, sendo o primeiro a medição da vazão sem a presença da ponteira, em seguida um novo teste agora com o dispositivo, e mais dois ensaios com a adição de vento lateral, a 0 e 90 graus. Após a realização dos ensaios de calibração e testes finais foram construídos dois cenários de análise, o primeiro a relação entre a chaminé livre e com a ponteira, o segundo a relação entre as situações de vento.

16 10 Sem Ponteira e Sem Vento Com Ponteira e Sem Vento Velocidade média [m/s] Vazão volumétrica [m^3/s] Vazão mássica [kg/s] Vazão volumétrica [m^3/h] Vazão mássica [kg/h] Tabela 4 Velocidades e vazões, com e sem ponteira. Foi notável o aumento gerado pela colocação da ponteira ao fim do sistema de descarga, tendo em vista o aumento, embora muito pequeno, da vazão mássica, esta que por sua vez teve um acréscimo de cerca de 3,27%, pouco do ponto de vista de um ensaio, mas numa aplicação industrial pode render alguma economia significativa. Com Ponteira Com Vento 0º Com Ponteira Com Vento 90º Velocidade média [m/s] Vazão volumétrica [m³/s] Vazão mássica [kg/s] Vazão volumetrica [m³/h] Vazão mássica [kg/h] Tabela 5 Velocidades e vazões com ponteira e vento a 0 e 90 graus. Mais uma vez é percebível o aumento da vazão, desta vez por causa do escoamento externo, que por sua vez pouco sofre influência da direção, visto que a geometria tende a ser simétrica, embora não a atingindo com perfeição. Ao se comparar o resultado colhido nesse segundo cenário em relação ao cenário anterior, foi obtido aproximadamente 2,46% de incremento à vazão mássica, e ainda 5,81% numa relação direta com o sistema sem ponteira. É valido mencionar que estes dados apresentados carregam uma incerteza de medição não avaliada e que certamente influencia o resultado, porém sem comprometer o comportamento obtido. Uma vez que a leitura dos manômetros foi feita sempre pela mesma pessoa, numa posição fixa para evitar a paralaxe, e que mesmo as tomadas de pressão possam não serem obtidas exatamente nos pontos exatos, os erros se repetiriam a cada ensaio, sendo irrelevantes numa comparação interna dos resultados. 7. CONCLUSÃO A principal conclusão foi que a ponteira projetada apresentou um leve incremento na velocidade do escoamento no interior do duto com o vento externo sendo aplicado e não houve perda de carga significativa com adição da ponteira ao tubo de exaustão, pois não fornecia nenhuma obstrução ao escoamento, como por exemplo a estricção do duto.

17 11 O tubo de Pitot construído não obteve resolução adequada para a medição da variação da velocidade do escoamento, sendo assim confiamos apenas em aproximações visuais otimistas na leitura da coluna de água apresentada no manômetro fornecido pelo laboratório LETA. O sensor de temperatura mostrou resolução adequada para a verificação da variação da resistência em função da temperatura, sendo possível assim fazer a calibração de acordo com o equipamento de aquisição de temperaturas do LETA. A conclusão que o grupo chegou foi que a ponteira construída apresentou melhoras com a influência do escoamento externo perpendicular, mostrando que a geometria se mostrou eficiente. 8. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA SCHNEIDER, P. S., Apostila de Medições Térmicas. UFRGS, Porto Alegre; BEYER, P. O., Climatização, Ventilação, Aquecimento, Refrigeração e Ar Condicionado. Editora DEMEC, UFRGS, Porto Alegre, 2013;