Bancada de Estudos de Vaso de Pressão

Transcrição

1 Ministério da Educação Universidade Federal do Rio Grande do Sul Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Mecânica Bancada de Estudos de Vaso de Pressão Relatório de Trabalho de Conclusão apresentado na disciplina de Medições Térmicas ENG Guilherme Kuhn Falcão Porto Alegre, junho de 2007

2 Resumo do Trabalho Este trabalho consiste na criação de um vaso de pressão instrumentado que seja capaz de fornecer ao usuário uma tomada de vapor quente, a alta pressão, para estudos de pequenas turbinas a vapor e outros aparelhos que utilizem o mesmo. Como foco deste trabalho, teve-se uma análise de pressões manométricas encontradas a fim de se obter a temperatura interna da caldeira por meio de tabelas, sem o uso de termopares. Com este vaso de pressão, ou caldeira, pode-se gerar uma linha de estudos aprofundados a respeito de rendimentos térmicos, tanto de condensadores e panelas de pressão, como de queimadores e diferentes gases.

3 1. Introdução Este trabalho teve como início a demanda que havia na engenharia mecânica à respeito de geração de vapor. Não havia um gerador de vapor que pudesse ser usado nas diversas pesquisas planejadas. Com a construção deste gerador de vapor, que foi concebido nos moldes de uma caldeira convencional, pôde-se dar mais um passo para o início de vários projetos já planejados pelos professores. Fazendo uma análise desta situação, tem-se como óbvio que esta caldeira deva, como objetivo maior, suprir as mais variadas necessidades possíveis. Além da alta funcionalidade e dos mecanismos de segurança inerentes de uma panela de pressão residencial convencional apropriada, teve-se como objetivo criar um experimento de fácil utilização e com poucas fontes de erros. A nível de coleta de dados adicionais, foi construído um condensador capaz de capturar os dados da vazão mássica de vapor da caldeira.

4 2. Descrição da Bancada Consiste em uma panela de pressão caseira convencional usada para o preparo de alimentos. O uso de uma panela como esta foi proposital, porque ela já vem de fábrica com vários itens de segurança. Estes itens são três: Pressão máxima já calculada e testada pelo fabricante, válvula de borracha já dimensionada e uma saída de vapor superior de finalidade específica (aliviar a pressão interna e manter a pressão constante dentro da panela). Teve-se início da construção da caldeira. Foi então concebida uma bancada grande e rígida, que foi outro trabalho já feito e testado. Esta bancada já possuía queimador instalado. Veja a figura 1. Fig. 1 Bancada Suporte A nível de preço se adotou o critério de economizar ao máximo em partes que não teriam problemas de rendimento ou funcionalidade para se poder gastar mais nas partes mais importantes, como por exemplo nos registros e tubulações de cobre. O problema da vedação das entradas que seriam perfuradas na panela se resolveu de forma bem simples. A panela comprada era feita em alumínio. Foi simples fazer a furação e foi possível atarraxar os elementos de fixação de cobre forçando e gerando uma rosca no próprio alumínio da panela, que era um material mole. Além da rosca feita à força, foi posta cola e fita veda rosca. Pelo lado de dentro foi atarraxada uma peça de fixação. Por fim foi posto DUREPÓX para finalizar o trabalho. A vedação ficou perfeita em todas as entradas, sendo que o DUREPÓX serviu muito bem para não haver rotação e afrouxamento dos elementos de fixação. Para construir o condensador, se usou 5 metros de cobre que foram enrolados sobre a superfície em um cano de 100mm para tomar forma. Após este procedimento, se obteve uma serpentina de cobre em forma de mola. O cano de 100mm foi retirado e se montou um condensador dentro de um cano de 150mm. Veja a figura 2.

5 Fig. 2 Condensador em vista de cima Por fim veja a foto do vaso de pressão na figura 3. Fig. 3 Vaso de pressão

6 3. Ensaios A finalidade deste teste é didática, sendo somente obter temperaturas internas do vaso de pressão à partir das pressões internas lidas no manômetro, no pleno funcionamento da caldeira. Os dados experimentais serão somente as pressões. Outros dados serão retirados da Tabela A.6 (Propriedades Termofísicas da Água Saturada) do livro: Fundamentos de Transferências de Calor e Massa, 5ª edição, Frank P. Incropera e David P. DeWitt, editora LTC. O ensaio descrito aqui será apenas o ensaio do vaso de pressão sem gelo no interior do condensador, com água normal e sem ser trocada do condensador e por pouco tempo (para que a variação de temperatura no condensador não seja grande). Com este estudo se obteve três dados diferentes: pressão interna do vaso, temperatura da água condensada e quantidade de água condensada. No caso deste teste, notar-se-á que só precisamos de um destes tipos de dados. Serão mostrados dados adicionais a fim de demonstrar a capacidade e os limites da panela, porém, para os cálculos, só se utilizará das pressões a da tabela. O grande trunfo deste ensaio é o fato de que se pode ter facilmente o fluxo de massa do condensador. Tirando-se de tabelas o valor da massa específica do vapor saturado à temperatura e pressão da panela pode-se dividir o fluxo de massa e se obter, como na equação o fluxo volumétrico. Isto só pode ser feito porque a massa transformada em vapor e após retransformada em água líquida se manteve a mesma durante o processo. Tem se então o fluxo de vapor que a panela gera. Isto só pode ser feito com a panela estável. Caso você ceda muito calor, a válvula irá subir e pôr excesso de vapor para fora. Caso isto ocorra você pode pôr um peso maior no copo superior ou diminuir o gás. Caso ponha mais peso, você fará com que a pressão aumente. Tome cuidado! Um outro fator muito importante que se deve levar em consideração é que não pode haver fuga de vapor pela saída da panela de pressão, pois todo o processo se baseia no fato de haver conservação de massa. Não se pode ter perda de vapor no processo! Todos dados obtidos: --- Temperatura inicial da água (dentro do condensador e dentro da panela) = 15 C ou 288K --- Pressão manométrica máxima dentro da panela com todas as válvulas fechadas e antes que a válvula de escape pusesse vapor para fora do vaso = 0,4 Kgf/cm² + 1atm = Pa --- Pressão manométrica atingida dentro da panela em teste com o condensador ligado = 0 Kgf/cm² + 1atm = Pa --- Produção de vapor gerada pela panela = 50 mililitros em 1 minuto e 19 segundos = 0,63 ml/s

7 --- Temperatura da água condensada após 15 minutos de uso = 19 C --- Pressão manométrica máxima e estável da panela com todas as válvulas fechadas e perdendo vapor pelo escape = 0,8 kgf/cm² + 1atm = Pa --- Após 30 minutos de uso, a água do condensador teve em sua porção superior uma temperatura de 90 C e manteve altos gradientes de temperatura, tendo uma porção fria na parte inferior da coluna líquida. Resultados: De acordo com o foco do estudo em questão, analisou-se as pressões obtidas. Com a ajuda da Tabela A.6 se obteve os resultados: --- Com o condensador ligado a pressão interna da panela cai para a atmosférica e a temperatura da água dentro da panela fica sendo de 373,15K, que é o mesmo que 100 C (ebulição da água em 1atm); --- Com a pressão interna de Pa (1,40551 Bar) pôde se chegar ao resultado de 383K ou 110 C. Logo se pode constatar que a panela de pressão começa a perder massa com a temperatura interna de 110 C. --- Com a pressão interna máxima de Pa (1,79778 Bar) pôde se chegar ao resultado de 390K ou 117 C. Pode se constatar que a temperatura interna máxima que a panela poderá atingir é de 117 C. ---Como observação, pôde ser evidenciado o bom funcionamento do condensador que conseguiu retirar muito bem o calor imposto no gerador de vapor.

8 4. Conclusão Este foi um projeto bem completo e que teve como objetivo suprir a necessidade de uma caldeira que a Escola de Engenharia da UFRGS possuía. Foi um trabalho difícil sob vários aspectos. Tiveram-se problemas de segurança, problemas construtivos, peças difíceis de conseguir, dificuldades financeiras e tempo de construção alto. Através dos dados, podemos notar que esta caldeira é uma boa ferramenta didática, pois ela sugere ao aluno várias formas diferentes de aprendizado. È uma boa forma de aprender sobre pressão manométrica, sistema de segurança de caldeira, tipos diferentes de testes, etc. Concluo que o trabalho atingiu seu objetivo, pois gera uma tomada de pressão que pode ser usada em outros estudos futuros. Os resultados são razoavelmente bons e podem ser dados como uma fonte considerável de dados para cálculos futuros. Os equipamentos construídos cumprem bem com o seu papel.

9 5. Referências Bibliográficas Fundamentos de Transferências de Calor e Massa, 5ª edição, Frank P. Incropera e David P. DeWitt, editora LTC