EXTRAÇÃO DE GASES POR CHAMINÉ COM PONTEIRA CÔNICA COM ALETAS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE EXTRAÇÃO DE GASES POR CHAMINÉ COM PONTEIRA CÔNICA COM ALETAS Por Gabriel Leser Donato Mauricio Sordi Pereira Nils Jorge Marahrens Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br

2 ii GABRIEL LESER DONATO MAURICIO SORDI PEREIRA NILS JORGE MARAHRENS EXTRAÇÃO DE GASES COM USO DE PONTEIRA CÔNICA COM ALETAS E INSTRUMENTAÇÃO PARA MEDIÇÃO TÉRMICA E VAZÃO. Monografia apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para obtenção da aprovação na disciplina de Medições Térmicas. Orientadores: Prof. Paulo Smith Schneider Porto Alegre, Dezembro de 2013

3 iii AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar agradeço a... ao meu pai por ainda acreditar em mim... àstias do RU, por servirem com prazer nossa refeição... ao povo brasileiro que paga meus estudos... e a todas as pessoas que criaram fórmulas para dificultar a vida do engenheiro, mas que separam os engenheiros em categorias de conhecimento e com isso posso me diferenciar um pouco dos demais.

4 iv Resumo Este trabalho apresenta a construção de uma ponteira de chaminé em forma de corneta com um anteparo de madeira na saída, utilizando material artesanal como folhas de jornal, argamassa e rejunte. Tal projeto visa reduzir a perda de carga de um sistema de exaustão. A ponteira é usada em 2 situações: com vento externo, produzido por um ventilador, e com ar estagnado. Em ambos os casos, a redução da perda de carga é de aproximadamente 0,1mm de coluna d água. É apresentado, também, instrumentos para medidas de vazão, conhecido como tubo de Pitot (feito de tubo de cobre), acoplado a um tubo em U. A temperatura do ar é medida com um sensor PT100, em conjunto com um multímetro.

5 v Abstract This report shows the construction of a chimneys chape, produced with handmades materials like newspaper and grout. This project aims to reduct the pressure drop of an exhaustion sistem. The chape can be used in two diferent situations: with extern wind, produced by a fan, or withstagnantair. In both cases, the reduction of the pressure drop is about 0,1mm of wathercolum. It s also shown instruments to mesure the air output, known aspitot s tube linker in to a U tube. The temperature of the air is measured with a PT100 sensor working together with a meter.

6 vi Lista de Símbolos: Simb. Descrição Unidade - Área - Diâmetro interno do tubo - Aceleração da gravidade local / ² h - Altura - Mols de gás - Pressão - Vazão volumétrica / - Constante universal dos gases /(. ) - Resistência Ω - Número de Reynolds Adimensional - Temperatura - Volume - velocidade / - Coeficiente de perda de carga Adimensional - Diferença de temperatura - Rugosidade equivalente da parede do tubo - Fator de atrito de Darcy-Weisbach Adimensional - Comprimento do tubo h - Perda de carga - Massa específica / ³ h - Diferença de altuma - Coeficiente de temperatura 1/ C - Viscosidade dinâmica.

7 vii Sumário: Resumo... iv Abstract... v Lista de Símbolos:... vi Sumário:... vii 1. Introdução Revisão Bibliográfica Fundamentação Teórica Principio de Funcionamento Sistemas de medição de vazão Sistemas de medição temperatura Experimento Resultados Conclusões Bibliografia Anexos... 15

8 1 1. Introdução Em pleno século XXI, onde a eficiência energética é um dos tópicos mais discutidos, o desenvolvimento de construções e mecanismos simples, que operem de maneira sustentável vem ganhando espaço. Um estudo realizado pela Universidade do Texas, apresentado pela revista veja, mostra que o mercado energético esta sendo muito requisitado comparando o valor pago por ela vem crescendo, certas atitudes podem gerar economias significativas. Na indústria, por exemplo, onde são necessários sistemas potentes de exaustão de gases, é comum o uso de recursos elétricos para facilitar tal trabalho. A longo prazo, a energia gasta em exaustores gera custos significativos. Os mesmos podem ser diminuídos com o desenvolvimento de chaminés que utilizam a energia contida nas correntes de ar externas, facilitando a emissão dos gases para a atmosfera. Tal energia é limpa e gratuita. Utilizando princípios simples de mecânica dos fluidos, é possível desenvolver chaminés que, em situações corriqueiras (churrasqueiras, lareiras e etc) dispensam a utilização de exaustores elétricos. Este experimento teve como proposito a construção de uma ponteira de chaminé para facilitar a exaustão de gases com os métodos de convecção natural e forçada, além da confecção de instrumentos que realizassem medidas de temperatura e de vazão. Com objetivo de ampliar a eficiência energética do sistema.

9 2 2. Revisão Bibliográfica Sitio das Lareiras demostra possíveis erros de instalações de ponteiras, segundo fabricantes as ponteiras devem ser projetadas para que o fluxo de gases na chaminé seja pré-determinado, com isso se evita o retorno de fuligem e a retirada em excesso. Relação de chaminés impróprias ou mal instaladas: Figura 1 - Exaustor eólico, Sitio das Lareiras O uso de exaustores eólicos (Girândolas) é muito comum, entretanto além de ser esteticamente inviável, aumenta a tiragem, especialmente em dias de vendaval, provocando o aumento da fuligem nas condutas e da poluição ambiental, devido a combustão incompleta resultante. Com isso aumenta o risco de incêndio, e com o desgaste do eixo a ponteira se torna menos eficiente e barulhenta. Além disso, tem o problema de aumentar a perda de carga para convecção natural devido a mudança brusca da direção do escoamento. Figura 2- Chaminé com pequenas aberturase baixa, Sitio das lareiras

10 3 Essa ponteira por possuir uma abertura muito pequena, apresenta uma alta perda de carga prejudicando a extração de gases, mais que isso, por ser muito pequena as saídas esses modelos podem entupir devido as fuligens. Outro grande problema é a possibilidade de retorno dependendo da direção do vento externo. Figura 3- Ponteira com tela, Sitio das Lareiras As imagens da Figura 3 Mostra que a redução da abertura provoca o entupimento e a obstrução da saída dos gases. As melhores formas de ponteiras para melhorar o escoamento é evitar mudanças bruscas e em caso onde há ventos descendentes se recomenda o uso de ponteira em H. O Sitio das Lareiras recomenda as configurações a seguir: Figura 4 - Chaminés não sujeitas a correntes descendentes, Sitio das Lareiras

11 4 Figura 5 - Ponteira em "H" para ventos descendentes, Sitio das Lareiras Já a Soler & Palau apresentam dados técnicos da área das canalizações, onde demonstra graficamente a influencia da saída da conduta e a perda de carga ocasionada por ela. Figura 6 - Relação da saída de conduto e o coeficiente de perda de carga (Soler&Palau)

12 5 3. Fundamentação Teórica 3.1. Principio de Funcionamento A convecção natural de uma chaminé ocorre devido à diferença de massa especifica entre os gases que se deseja extrair e do ar ambiente exterior. Para que ocorra e essa diferença de densidade os gases devem estar a uma temperatura superior ao do ar exterior, isso se deve a lei dos gases, onde a densidade dos gases diminui com o aumento da temperatura, fazendo com que os gases descrevam um movimento ascendente em uma chaminé. = (1) Segundo Frota(1989) para determinar a vazão de gases por efeito chaminé pode ser aproximada por: =. h. (2) Onde essa área é da abertura de entrada ou de saída, tomada a menor delas e o h é a distancia vertical entre as aberturas, a diferença de temperatura é tomada entre a que entra e sai do sistema. O fator pode ser retirado graficamente, na figura abaixo: Figura 7: Curva de variação do coeficiente em função darelaçãoae / As (FROTA, 1989) Nota-se que o fator que influencia na perda de carga é a diferença entre aáreadaentrada e a área da saída.

13 6 Quando não é possível obteruma diferença de temperatura suficiente para a extração dos gases através da convecção natural, devem-se utilizar métodos para que a convecção seja forçada, ocasionada por uma diferença de pressão adicional. Um dos problemas encontrados para vazões em chaminés são as perdas de carga, que pode ser devido às tubulações, aos acessórios e as curvas.é importante verificar essas perdas para que os gastos energéticos sejam reduzidos. Pode-se utilizar a equação de Bernoulli, considerando as perdas de cargas, para determinar a diferença de pressão necessária para ocorrer o escoamento desejado. Para a extração dos gases por convecção forçada, se deve impor um escoamento transversal à ponteira a fim de gerar pressão negativa.o principio de funcionamento é representado na figura abaixo, quando acelera o escoamento externo ocorre à redução da pressão estática. Figura 8 - Principio de extração de gases por convecção forçada O equacionamento para um fluido real é dado por: = h (3) O parâmetro h se divide em perdas de carga ao longo da tubulação e em perdas localizadas, curvas, saída, acessórios, equipamentos internos. Para perdas ao longo da tubulação a variação de pressão é determinada através da equação de Darcy-Weisbach h = 2 (4) O fator é encontrado a partir da do gráfico de Moody, ver anexo, onde o valor da rugosidade, segundo a ficha técnica da Tigre, para pvc de esgoto é em torno de 0,010 m. Para a realização dos cálculos deve-se inicialmente verificar o numero de Reynolds a fim de definir o tipo de escoamento e suas características:

14 7 = (5) Onde a viscosidade do ar é em torno de 17,4 10 Pa.s e a densidade é em torno de 1,12 kg/m³. Considerando o funcionamento básico do sistema de empuxo dos gases da chaminé, procedesse ao projeto de uma ponteira que eleve a diferença de pressão entre a entrada e a saída da chaminé com o intuito de garantir uma boa vazão. Para isso devem-se considerar as perdas de cargas na descarga e na tubulação Sistemas de medição de vazão A realização da medição de vazão é um processo que se deve analisar profundamente, pois a grande maioria dos equipamentos para esse fim geram perdas de carga muito elevada por causarem perturbações no escoamento. Com o intuito de reduzir essas perdas de cargas usualmente se usar equipamentos que possuam uma menor resolução, como é o caso do tubo de Venturi e do Pitot. Para efeito de calculo utiliza-se da equação da conservação de energia, Bernoulli, para determinar a velocidade do escoamento e consequentemente a sua vazão. No caso do Pitot a velocidade do escoamento é em função da diferença entre a pressão estática e a pressão de estagnação, simplificando a equação de Bernoulli, usando como fluido de medição a água e aproximando sua densidade em 1000kg/m³ observa-se a seguinte equação resultante, onde delta h é em mm. = 2 h / (6) Com isso a vazão é: = (7) 3.3. Sistemas de medição temperatura A medição de temperatura é conveniente a escolha de equipamento adequada para a faixa de temperatura de trabalho. O PT100 é o mais indicado para a faixa do experimento, esse equipamento possui uma vantagem em que sua curva de utilização é linear entre 0 C e 100 C, ele é constituído de um sensor de platinaque apresenta resistência Ro = 100 To = 0 ºC. Sua equação característica é a seguinte: = ( ) (8) E sua curva característica é expressa como:

15 Figura 9 Variação da resistência com a temperatura(pt100),ojelectronics 8

16 9 4. Experimento A ponteira de uma chaminé visa aumentar a taxa de retirada de gases, por convecção natural, a retirada é devida exclusivamente à diferença de temperatura. Para a convecção forçada, a retirada de gases é devida a diferença de temperatura e mais uma energia adicional. Considerando a massa especifica constante, se determina a pressão fornecida com o aumento da temperatura, com isso: = = (9) A facilitada da retirado de gases é fornecida pela redução da perda de carga no sistema, e esse procedimento visa aumentar o rendimento de uma chaminé. No experimento é utilizada para representar um escoamento natural uma velocidade baixa, aproximadamente 2,0 m/s. O perfil da ponteira, apresentado na Figura 10, abertura de angulo em torno de 60 e com um anteparo na forma de um disco na parte superior do cone, a perda de carga é reduzida significantemente, em torno de 0,1 mmh20. Essa mesma configuração foi utilizada para representar o caso de uma convecção forçada, porem com um vento transversal à ponteira, esse procedimento reduziu a perda de carga em aproximadamente 0,25 mmh20. A ponteira foi regulada através de três parafusos com a finalidade de manter a área de abertura da saída superior a de entrada. Com a utilização do anteparo observa-se uma melhora significativa no escoamento, esse melhora se deve a formação de um Venturi e ao mesmo tempo garantindo o não descolamento do perfil de velocidade e gerando uma saída suave dos gases. Figura 10 - Ponteira experimental

17 Perda de carga do experimento Um pequeno trecho de tubulação utilizado no experimento de aproximadamente 200mm produz uma perda de carga insignificante, considerando uma velocidade de funcionamento entre 2,0 m/s e 10,0 m/s, e com a viscosidade do ar é em torno de 17,4 10 Pa.s e a densidade é em torno de 1,12 kg/m³se obtem: velocidade Reynolds [m/s] 2 1,29E ,93E ,57E ,22E ,86E ,51E ,15E ,79E ,44E+04 Tabela 1-Numero de Reynold em função da velocidade Verifica-se que escoamento é turbulento, comisso, a partir do diagrama de moody, o varia entre 0,031 e 0,02. Assim oh da tubulação adicionada é aproximadamente entre 12,6 10 e 0,20 Pa,e pode ser desconsiderada por ser muito pequena Medição de vazão Para determinação da vazão utiliza-se o tubo de pitot de preferencialmente em mais de um ponto a fim de adquirir a média da velocidade pontual. Conforme Figura 11 observa-se a configuração usual para obtenção de uma média automaticamente, a posição (1) representa a tomada da média de pressão de estagnação, a posição (2) representa a tomada de pressão estática. Figura 11 - Medidor de velocidade, Tubo de Pitot

18 11 O Pitot, instalado em série com a placa de orifício, é calibrado gerando a curva característica representada na figura Velocidade [m/s] ,2 3 3,9 5 6,1 7,4 8,8 delta h [mm] Figura 12 Variação da pressão em relação a velocidade, Calibração do Pitot Observa-se que o funcionamento do pitot construído segue a sua equação característica Medida de temperatura O medidor de temperatura, PT100, é um dos equipamentos que possui uma excelente precisão e é amplamente utilizado pelo fato de sua curva característica se aproximar de uma reta. No caso de equipamento em específico é calibrado a partir do ponto tríplice da água, e para obter a temperatura basta a isolar na equação depois de determinar o alfa, através de uma calibração. O PT100 utilizado no experimento apresenta um alfa de 3,95*10-3, medidor esse que possui uma calibração através do banho termostático e conformado com um banho de água em ebulição, assim tem-se: = ,95 10 (10)

19 Resultados Os testes realizados em laboratórios demonstraram que para as condições requeridas de projeto, sem vento lateral, com vento lateral em 0 e com vento lateral em 90, a ponteira aumenta o fluxo de gases.essa informação pode ser verificada através da redução da pressão estática (redução da perda de carga) medida na tubulação posterior a inserção da ponteira. Esse aumento é representado por uma diferença de pressão ( ) comparando à pressão anterior a inserção da ponteira com a posterior a inserção da ponteira, sendo negativa essa diferença representa um aumento de eficiência, vide Tabela 2: Sem vento lateral Com vento lateral 0 90 (diferença de pressão estática) - 0,1 mmh2o - 0,25mmH2O - 0,25 mmh2o Tabela 2 - Condições de funcionamento e diferença de pressão estática

20 13 5. Conclusões O desenvolvimento da ponteira de chaminé cumpriu o objetivo proposto, garantindo uma melhora no escoamento, reduzindo em torno de 0,1mmH2O a perda de carga para o caso de convecção natural (sem vento externo) e em 0,25 mmh2o para a convecção forçada (com vento externo), facilitando dessa forma a extração de gases. Garantindo uma vazão maior, utilizando a mesma quantidade de energia de exaustão utilizada para uma chaminé sem ponteira. As medições de vazão são obtidas com base nas equações de Bernoulli, e definidas analiticamente. Tal procedimento é tomado devido à ineficiência de outros sistemas de medição disponíveis (tubo de Venturi e placa de orifício), em relação a gerar um aumento na perda de carga superior ao desejado. O Pitot se mostrou eficiente nesse quesito, não atrapalhou o escoamento e sua medição foi calibração através de comparação com a placa de orifício. A vazão foi definida, então,pela multiplicação da velocidade (a qual é obtida através da figura 12) pela sessão do tubo. As medições de temperaturas, obtidas através do sensor PT100 são obtidas através da relação entre sua resistência e a temperatura, a qual é representada na equação 10, o instrumento foi calibrado através de água em ebulição e comparado com o banho termostático, esse procedimento garantiu a veracidade do alfa na equação de utilização do equipamento.

21 14 6. Bibliografia Sitio das Lareiras: Internet: Universidade do Texas, Revista Veja Internet: Frota, A. B. Ventilação de edifícios industriais: modelo paramétrico para dimensionamento de sistemas de ventilação natural por efeito chaminé Tese(Doutorado em Arquitetura) Faculdade de Arquitetura e Urbanismo, Universidade de São Paulo, São Paulo, Camargo, L. A.; "Análise de escoamento em condutos forçados. Uso das equações de Darcy-Weisbach e de Colebrook-White", maio/2001. Sousa, J. et al; "An explicit solution of the Colebrook-White equation through simulated annealing", Water industry systems:modelling, optimization and applications, vol. 2, Baldock, England, Research Studies Press, Ojelectronics Internet: Soler&Palau: Internet:

22 15 7. Anexos Figura 13 - Fator de perda de carga em função do numero de Reynolds, Diagrama de Moody