UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA EDIVAN PINHEIRO BORGES JUNIOR TÉCNICA DE VISUALIZAÇÃO POR FUMAÇA DE ESCOAMENTO EM TÚNEL DE VENTO Natal, 2012.
EDIVAN PINHEIRO BORGES JUNIOR TÉCNICA DE VISUALIZAÇÃO POR FUMAÇA DE ESCOAMENTO EM TÚNEL DE VENTO Trabalho de conclusão de curso submetido à UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE como parte dos requisitos para a obtenção do grau de ENGENHEIRO MECÂNICO. Prof. Rudson De Souza Lima, M.Sc. Orientador Natal, 2012.
EDIVAN PINHEIRO BORGES JUNIOR TÉCNICA DE VISUALIZAÇÃO POR FUMAÇA DE ESCOAMENTO EM TÚNEL DE VENTO Trabalho de conclusão de curso submetido à UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE como parte dos requisitos para a obtenção do grau de ENGENHEIRO MECÂNICO em de de 2012. Prof. Rudson de Souza Lima, M.Sc Orientador BANCA EXAMINADORA: Prof. Rudson de Souza Lima, M.Sc Banca Prof.ª Fernanda Alves Ribeiro, M.Sc Banca Prof. José Ubiragi De Lima Mendes, D.Sc Banca
Dedico este trabalho ao meu Pai, que sempre me indicou o melhor caminho a seguir e sempre tentou, à sua maneira, me moldar para lidar com os problemas da vida.
AGRADECIMENTOS A minha família, principalmente meu pai, pela participação na fase experimental, pela compreensão e apoio, sem os quais nada teria sido possível. Aos meus amigos, Eng. Caio Júlio, Luiz Felipe e Yuri Paiva, que me ajudaram com sugestões, críticas construtivas e na montagem dos experimentos. À minha namorada Nadja, pela compreensão da minha ausência em alguns momentos a que me dediquei a este trabalho e por ter me ajudado a me tornar uma pessoa mais paciente. Ao professor Rudson de Souza, pela atenção, paciência e orientação na elaboração deste trabalho. À Professora Fernanda Alves Ribeiro, pela paciência em me atender nas diversas vezes que precisei utilizar equipamentos do laboratório. Ao Professor Luiz Guilherme pelas grandes contribuições ao longo de toda minha carreira acadêmica. Ao professor Dr. José Ubiragi de Lima Mendes, pela confiança durante o desenvolvimento do trabalho no laboratório. E a todos aqueles que, de alguma forma contribuíram para a realização deste trabalho.
Dê-me uma alavanca longa o suficiente e um suporte forte o suficiente que eu poderei sozinho movimentar do mundo... -Arquimedes
RESUMO JUNIOR, Edivan P. Borges. Técnica de visualização por fumaça de escoamento em túnel de vento. Natal, 2012. Dissertação (TCC). UFRN, 2012. p. 57. Um das principais importâncias da utilização de túneis de vento é a visualização das linhas de correntes escoando sobre perfis aerodinâmicos utilizados em testes. Para fazer essas visualizações utilizam-se sistemas de pulverização de fumaça que tendem a acompanhar as linhas de correntes do túnel e escoam no perfil mostrando todo o caminho percorrido pelo ar nos componentes de teste. Sendo assim propõe-se um trabalho que visa uma técnica capaz de produzir linhas de fumaça visível, utilizando fluido à base de glicerina, a serem introduzidas em túnel de vento, possibilitando a observação do escoamento e o desprendimento da camada limite no modelo a ser estudado. glicerina. Palavras-chave: Camada-limite, túnel de vento, visualização, escoamento, fumaça,
ABSTRACT One of the main applications of Wind tunnels is the current lines visualization, flowing on aerodynamic profiles being tested. To make such visualizations, it is used systems of smoke distribution which tends to follow the current lines in the tunnel and flow through the profile, showing path traveled by the air in the test components. Thus, it is proposed a work which aims in develop a technique capable of generate lines of visible smoke, by using glycerin fluid based, to be introduced in the Wind tunnel, enabling the observation of flow and the detachment of the boundary-layer. Key-words: Boundary-layer, Wind tunnel, visualization, flow, smoke, glycerin.
LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Escoamento em aerofólio... 17 Figura 2 - Fórnulas químicas do glicerol... 19 Figura 3 Queda do preço da glicerina... 19 Figura 4 Aplicações da glicerina... 20 Figura 5 Condução em parede plana.... 24 Figura 6 Fenômeno de calefação... 26 Figura 7 Condensado no interior de tubos.... 27 Figura 8 Ciclo de Rankine... 28 Figura 9 Tipos de botas de condensado... 29 Figura 10 Critérios de instalação de pontos de purga.... 29 Figura 11 Túnel de vento... 30 Figura 12 Esquema de montagem do sistema.... 31 Figura 13 Pistola de pintura por sucção.... 32 Figura 14 Dispositivo de injeção de glicerina.... 33 Figura 15 Sistema de geração de fumaça.... 34 Figura 16 Compressor de ar utilizado... 34 Figura 17 Pressão de serviço dos tubos de CPVC.... 35 Figura 18 Purgador instalado na linha.... 36 Figura 19 Distribuidor de fumaça.... 37 Figura 20 Tampões nas saídas do distribuidor de fumaça... 38 Figura 21 Distribuidor instalado no túnel.... 38 Figura 22 Fumaça sendo entregue no túnel com soprador desligado... 39 Figura 23 Visualização de escoamento em perfil aerodinâmico... 40 Figura 24 Linhas de corrente bem definidas pela fumaça... 40 Figura 25 Posições utilizadas no perfil aerodinâmico... 41 Figura 26 Condensado no purgador... 41 Figura 27 Acumulador de baixa pressão.... 48 Figura 28 Acumulador utilizando uma cuscuzeira... 49 Figura 29 Modelo com serpentina plana... 49 Figura 30 Modelo do distribuidor com tubos de cobre... 50 Figura 31 Revestimento isolante no distribuidor... 50
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 12 1.1 Apresentação do projeto... 12 1.2 Objetivos... 12 1.2.1 Objetivo Geral... 12 1.2.2 Objetivos específicos... 13 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 14 2.1 Histórico... 14 2.2 Tipos de escoamento... 16 2.2.1 Escoamento interno... 16 2.3 Tipos de visualização... 17 2.4 Fumaça artificial... 18 2.4.1 Fluidos de fumaça... 18 2.5 Glicerina... 18 2.5.1 Mercado e aplicações... 20 2.5.2 Combustão da glicerina... 21 2.5.3 Acroleína... 21 2.6 Calor... 21 2.6.1 Efeito Joule... 22 2.7 Fenômenos de transferência de calor... 23 2.7.1 Condução... 23 2.7.2 Convecção... 24 2.7.3 Radiação... 25 2.8 Fenômenos de mudança de fase... 25 2.8.1 Vaporização... 25 2.8.2 Condensação... 26 2.9 Geração e distribuição de vapor... 27
2.9.1 Purgadores de vapor... 28 3 MATERIAIS E MÉTODOS... 30 3.1 Túnel de vento... 30 3.2 Projeto do evaporador de glicerina... 31 3.2.1 Sistema de geração de fumaça... 32 3.2.2 Sistema de distribuição... 35 3.2.3 Sistema de linearização de fumaça... 36 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES... 39 5 CONCLUSÕES... 42 6 SUGESTÕES... 44 REFERÊNCIAS... 45 Apêndice A Primeiras tentativas... 48 Apêndice B Manual de operação do gerador de fumaça... 51 Anexo 1 - Ficha de informação da glicerina... 52 Anexo 2 - Dados eletromecânicos do motor... 55 Anexo 3 Plaqueta de identificação do motor... 56 Anexo 4 Instalação física do motor... 57
12 1 INTRODUÇÃO 1.1 Apresentação do projeto Nas ultimas décadas, o desenvolvimento de novos projetos no setor automobilístico, aeroespacial e civil vêm seguindo uma tendência mundial que visa a sustentabilidade, eficiência e baixo custo. Segundo Ford (2008), o fator geométrico irá influenciar em questões como consumo de combustível, emissão de poluentes, resistência aerodinâmica e o desprendimento da camada-limite. É com o intuito de quantificar os efeitos que tal geometria pode causar no produto final que entra o estudo da aerodinâmica e seus fenômenos de escoamento envolvidos. A UFRN vem se destacando pelo constante crescimento estrutural, sustentando projetos de pesquisa em tecnologia, mais especificamente no Laboratório de Mecânica dos Fluidos LABMECFLU. Dentre os diversos experimentos montados, Ford (2008) projetou e construiu um túnel de vento com o objetivo de analisar o comportamento aerodinâmico que incide sobre miniaturas de dois veículos diferentes, porém o túnel carece de sistema de visualização de escoamento. A falta de tal sistema impossibilita análises mais aprofundadas do escoamento, limitando os tipos de experimentos realizados, ao mesmo tempo em que requer instrumentos alternativos de medição, geralmente com alto custo envolvido. Baseado no contexto acima, esta dissertação busca apresentar um método eficiente e simplificado de visualização de escoamento, considerando os fenômenos envolvidos, através da geração de vapor de glicerina, (aqui chamado vulgarmente de fumaça), proveniente da evaporação de glicerina, abordando os aspectos de segurança, (toxicidade da fumaça, procedimentos de operação adequados, etc.) e econômicos (viabilidade versus custo do fluido de fumaça no mercado) de forma a tornar praticável o projeto. 1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivo Geral Desenvolver uma técnica de visualização de escoamento através da produção de fumaça proveniente da evaporação de glicerina, a ser aplicada no túnel de vento do LABMECFLU- UFRN para fins didáticos.
13 1.2.2 Objetivos específicos - Definir um método de visualização de escoamento que seja capaz de destacar as linhas de corrente e o desprendimento da camada-limite em perfis aerodinâmicos; - Projetar e construir um dispositivo que aplique o método escolhido; - Analisar o deslocamento da camada-limite em perfis aerodinâmicos.
14 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Este capítulo aborda toda a revisão bibliográfica sobre o tema estudado, de forma a qual se buscou destacar os principais conceitos e definições envolvidos, abordando sobre o estudo da aerodinâmica como um dos principais fatores pela otimização de projetos. Na presente fundamentação teórica, procurou-se, também, definir o ambiente no qual está inserida a pesquisa e os diversos elementos influenciadores para que a mesma alcançasse êxito. A primeira seção busca contextualizar o desenvolvimento dos estudos aerodinâmicos nas ultimas décadas, como foram feitos e quais os conceitos físicos considerados. Na segunda seção ressalta-se a complexidade no estudo da aerodinâmica e são abordados os problemas envolvidos na visualização do escoamento e qual a influência que tais problemas causam. Na terceira e quarta seções são apresentados os tipos de escoamento e os tipos de visualização mais empregados. Na quinta e sexta seções, são feitos estudos sobre fumaça como fluido de visualização e na última seção são apresentados conceitos básicos de transferência de calor envolvidos no projeto. 2.1 Histórico A engenharia vem aperfeiçoando-se ao longo do tempo. Atualmente o método numérico, aliado à computação gráfica são algumas das ferramentas mais poderosas em solução de projetos, principalmente quando a solução analítica de um determinado problema é difícil de ser obtida. Apesar de todo este avanço, é de fundamental importância testar os modelos teóricos experimentalmente, em protótipos miniaturizados, com o intuito de garantir que os resultados numéricos se aproximem da realidade, reduzindo custos no desenvolvimento do projeto. Os métodos experimentais também compõem uma ferramenta na análise de problemas físicos. Na mecânica dos fluidos, uma análise mais aprofundada do escoamento é fundamental para ter-se uma ideia do comportamento dinâmico do fluido. A aerodinâmica é um importante ramo da mecânica dos fluidos, sendo que ela estuda o comportamento de corpos ao deslocarem-se dentro de um fluido, seja o ar ou a água. O desenvolvimento de aviões, automóveis, projéteis, geradores eólicos, pontes e edifícios baseiam-se nos princípios da aerodinâmica. Como intuito de obter um melhor desempenho, avaliar a estabilidade e a integridade do corpo parte-se para métodos experimentais. A utilização de túneis de vento é frequentemente aplicada no estudo de perfis aerodinâmicos. Antes da 1ª Guerra Mundial, o desenvolvimento de novos projetos automobilísticos e
15 sua aerodinâmica teve apenas uma base empírica, e a única finalidade era a da redução da resistência oferecida pelo ar, permitindo maiores velocidades com as pequenas potências disponíveis na época. Mais tarde, após a verificação da influência da velocidade relativa do ar sobre a estabilidade do veículo e, consequentemente, sobre a segurança dos ocupantes, iniciaram-se estudos mais científicos. Essas pesquisas começaram em 1920 com Rumpler e Jarray; consistiam na análise matemática do escoamento do ar, determinação de novos desenhos para veículos, e o ensaio de modelos reduzidos em túnel aerodinâmico. Inicialmente foram utilizados os túneis disponíveis da aviação, mas depois foram construídos túneis especiais para o ensaio de vários tipos de veículos terrestres: automóveis, ônibus, caminhões, motocicletas, etc. (CÖURAS FORD, 2008) Para H. McMahon (2002) e Fox (2001), a visualização de escoamentos sobre perfis aerodinâmicos é de grande importância para o entendimento do fenômeno, obsevando a ocorrência de vórtices e desprendimento da camada-limite. Conforme Fox (2001), ao concentrarmos a atenção em um local fixo do espaço e identificar, pelo emprego de fumaça, todas as partículas fluidas que passam por aquele ponto, pode-se após um curto período ter uma certa quantidade de partículas fluidas identificáveis no escoamento; as linhas de corrente. São aquelas linhas desenhadas no campo de escoamento de forma que num dado instante, são tangentes à direção do escoamento em cada ponto do campo. Como as linhas de corrente são tangentes ao vetor em cada ponto do campo, não pode haver escoamento através delas. Então, num escoamento permanente, trajetórias e linhas de emissão e de corrente são linhas idênticas no campo de escoamento (FOX, 2001). Apesar de que a maioria dos problemas práticos serem de natureza de escoamento externo (ex.: automóveis, aviões, navios, etc.), a aerodinâmica é uma ciência complexa devido às linhas de corrente do escoamento do ar não ser visível em condições normais. Para efeitos de estudo, pode-se modelar o problema como escoamento interno, tomando como volume de controle a área interna dos túneis de vento, mas ainda resta a necessidade de visualização das linhas de corrente para que possam ser observados seus efeitos. Se o escoamento pudesse se tornar visível através de alguma técnica de visualização de escoamento, então seria possível observar o fenômeno do escoamento, não-viscoso (ex.: vórtices no escoamento, escoamento distante de superfícies, etc.) e viscosos (ex.: escoamento e desprendimento da camada-limite). (H. MCMAHON, 2002, p.1, tradução nossa).
16 2.2 Tipos de escoamento Segundo Fox (2001), os tipos de escoamento existentes são: externo, interno, compressível, incompressível, laminar, turbulento, natural e forçado. Ocorrem em regime: viscoso, não-viscoso, permanente e não-permanente. O escoamento forçado, viscoso, interno de comportamento compressível, e regime turbulento é objeto de estudo, devido à sua aplicação na modelagem analítica do túnel de vento. 2.2.1 Escoamento interno Os escoamentos completamente limitados por superfícies sólidas são denominados internos. Assim, os escoamentos internos incluem escoamentos em tubos, dutos, bocais difusores, contrações súbitas e expansões, válvulas e acessórios. Os escoamentos internos podem ser laminares ou turbulentos. Para escoamentos internos, o regime de escoamento (laminar ou turbulento) é primariamente uma função do número de Reynolds (FOX, 2001). Conforme a equação 1: (1) Onde: Velocidade média (m/s); Diâmetro interno (m); Viscosidade cinemática (m²/s); Para escoamentos internos com número de Reynolds até aproximadamente 2300 considera-se o escoamento como laminar. A transição para regime turbulento ocorre na faixa de 2300 até 10000. A Figura 1 representa alguns dos fenômenos ocorridos sobre um corpo em um escoamento externo com alto Número de Reynolds. No ponto de estagnação o escoamento em corrente livre divide-se circundando o corpo. Devido à condição de não deslizamento a velocidade do fluido junto à superfície é a mesma do corpo. Ocorre formação de camada limite na superfície superior e na superfície inferior do corpo.
17 Figura 1 - Escoamento em aerofólio Detalhes de escoamento viscoso em torno de um aerofólio (FOX, 2001). 2.3 Tipos de visualização Segundo H. McMahon (2002, tradução nossa) a visualização do escoamento do ar é classificada em visualização superficial (on-the-surface) e visualização livre (off-the-surface). É comum a utilização de tinta fluorescente, óleo ou barbantes de lã que são aplicadas na superfície do modelo. A inspeção visual desses métodos, em função do tempo, irá fornecer informações valiosas sobre o estado da camada-limite (laminar ou turbulento), região de transição e desprendimento da camada limite. A visualização livre (off-the-surface) envolve o uso de partículas de fumaça, gotejamento de óleo ou bolhas de sabão para delinear as linhas de corrente. A visualização média deve seguir fielmente o padrão do escoamento ou não irá transmitir a informação correta. As partículas de fumaça e gotas de óleo são muito pequenas e leves o suficiente para seguir a direção do escoamento. As bolhas de sabão são pequenas e preenchidas com hélio para torná-las flutuantes e quimicamente neutras. Cada um destes métodos requer iluminação apropriada e algum dispositivo de captura de imagem, como por exemplo uma câmera fotográfica ou de vídeo. (H. MCMAHON, 2002) No trabalho de Rufato (2007) a geração de fumaça foi feita a partir da evaporação de um líquido composto por álcoois polifuncionais, obtendo-se resultados satisfatórios na visualização de escoamentos. Diante dos métodos de visualização apresentados, o que foi de escolha no trabalho é do tipo livre (off-the-surface) por geração de fumaça, que independente do protótipo aerodinâmico que esteja sendo estudado, já que a visualização é destinada ao escoamento dentro do túnel de vento e os efeitos que o protótipo causa no escoamento é que são de interesse de estudo.
18 2.4 Fumaça artificial Ao se falar em fumaça, geralmente se lembra de fogo. Porém, este tipo de fumaça proveniente da queima de quaisquer que seja a natureza do material sendo queimado traz alguns problemas toxicológicos e ambientais, como a emissão de gases do efeito estufa. Fazse necessária a busca por geração da fumaça o mais neutra possível, de forma que não agrida o meio ambiente nem aqueles que estejam operando o túnel de vento. Segundo matéria publicada na revista Superinteressante (1997), na fumaça artificial não ocorre combustão e geralmente são usados três tipos de produtos: O mais comum é o gelo seco, que nada mais é que gás carbônico congelado a -72ºC. Quando em temperatura ambiente, ou em contato com água quente, o gelo seco passa para fase gasosa, formando uma fumaça branca e densa. Não é prejudicial para o organismo, mas pode provocar um mini efeito estufa em lugar fechado. Outro método, muito usado em peças teatrais e iluminação em festas é a vaporização de uma mistura de água e glicerina. O único inconveniente é que a fumaça da glicerina, quando depositada em algum lugar, fica grudenta. O terceiro tipo é pela a vaporização de cloreto de amônia, que ao entrar em contato com o ar, forma partículas que ficam em suspensão. De acordo com Karyne Lins (2007, p. 102) essas partículas são altamente tóxicas, causam irritação nos olhos e no sistema respiratório. 2.4.1 Fluidos de fumaça São encontradas no mercado, máquinas de fumaça para os mais variados propósitos. Há de se considerar o tipo de fluido que a máquina trabalha. Segundo Karyne Lins (2007), a máquina de fumaça a base de óleo produz uma fumaça de espessura semelhante à do gelo seco, porém, bem mais leve. Os fluídos a base de água produzem fumaça menos espessa e se dissipa rapidamente. 2.5 Glicerina Segundo Aymer Maturana (2011, p. 42-47) a glicerina é conhecida por diferentes nomes, dependendo do estado de pureza ou refinamento em que ela se encontra. Desta forma, o termo glicerol aplica-se só à substância pura, mas o termo glicerina é usado para nomear as misturas contendo diferentes quantidades ou grau de pureza com relação ao glicerol.
19 O glicerol tem as fórmulas químicas apresentadas na Figura 2 e suas principais propriedades físico-químicas são listadas no Anexo 1. Cerca de 72% da produção mundial de glicerina deriva da produção do biodiesel, desde 2007. A produção mundial de biodiesel tem incrementado significativamente a quantidade de glicerina no mercado nos últimos anos e gerou uma grande oferta e pouca procura, acarretando em uma queda nos preços da glicerina, conforme Figura 3. Este fato foi marcante para a escolha da glicerina como base para fluido de fumaça no projeto, auxiliando na redução de custos, tendo em vista um consumo mensal constante no LABMECFLU. Figura 2 - Fórnulas químicas do glicerol a-empírica, b-molecular, c-estrutural (MATURANA, 2011, p.43). Figura 3 Queda do preço da glicerina Preço mundial da glicerina bruta (GB) e glicerina refinada (GR) em perspectiva com a produção global de biodiesel (MATURANA, 2011, p.48)
20 A substância pura é um poli-álcool incolor, viscoso, higroscópico, de sabor adocicado, biocompatível, polar, altamente reagente (reage com ácidos orgânicos e inorgânicos formando éteres, ésteres, aldeídos e muitos outros derivados), solúvel 100% em água e álcool, pouco solúvel em éter, acetato de etilo, dioxano e insolúvel em hidrocarbonetos. O glicerol desde 1959 é reconhecido como atóxico, permitido como aditivo em alimentos, usado em medicamentos e nomeado como uma substancia GRAS (geralmente reconhecida como segura) pela Administração Federal de Medicamentos e Alimentos dos Estados Unidos FDA (MATURANA, 2011, p.44). 2.5.1 Mercado e aplicações Conforme a Associação de Sabões e Detergentes dos Estados Unidos (SDA), existem aproximadamente 1500 aplicações para a glicerina. 64% da demanda total mundial esta distribuída entre o setor de produtos alimentícios, de higiene pessoal e para a higiene oral (SDA, 2000). Este fato é mais bem analisado na Figura 4, onde se registra a distribuição das aplicações finais da glicerina conforme sua participação no mercado mundial (MATURANA, 2011, p.46). Figura 4 Aplicações da glicerina Distribuição das aplicações do glicerol por Indústria (MATURANA, 2011, p. 46).
21 2.5.2 Combustão da glicerina No trabalho de Aymer Maturana (2011, p.64) sobre combustão do glicerol, observa-se que este pode gerar acroleína quando é aquecido acima de 280ºC, mas a situação pode ser agravada se não for possível uma boa atomização ou a combustão é incompleta. Em sua pesquisa bibliográfica, Aymer encontrou uma importante dificuldade, associada principalmente com a existência de uma diferença significativa entre os tipos de glicerina e sistemas de combustão pesquisados. Esta circunstância dificilmente poderá ser evitada, considerando que entre os diferentes processos empregados para produção de biodiesel que, embora em alguns casos, possam ser sutis, de fato determinam definitivamente as características físico-químicas da glicerina. 2.5.3 Acroleína A acroleína na temperatura ambiente é um líquido inflamável entre incolor e amarelado, com um odor desagradável e asfixiante. É extremamente irritante para as mucosas. Foi utilizada como arma química durante a primeira guerra mundial. Aymer Maturana (2011, p.65) conclui de um modo geral que não existem dados disponíveis para avaliar os efeitos toxicológicos nos seres humanos por exposição crônica à acroleína e a exposição aguda tem mostrado que a acroleína pode causar irritação nasal e ocular grave. Este fator é confirmado por Kayne Lins (2007, p.96-102) onde diversos entrevistados relataram cheiro meio ardido que irrita a garganta e os olhos em shows e apresentações teatrais, o que destaca a ocorrência de acroleína, mesmo que em baixa concentração, na fumaça gerada por evaporação de glicerina. Para que a ocorrência de acroleína na combustão da glicerina apareça em grandes quantidades, se faz necessário o uso de catalisadores zeolíticos ácidos. (M. PESTANA; MOTA, 2009). Uma solução para evitar os efeitos negativos da acroleína é promover exaustão adequada da fumaça após a seção de testes do túnel de vento, descartando-a do ambiente o mais rápido possível. 2.6 Calor De acordo com Incropera (2008) e Borgnakke (2009), calor é definido como sendo a forma de transferência de energia através da fronteira de um sistema, numa dada temperatura, a outro sistema (ou o ambiente), que apresenta uma temperatura inferior, em virtude da diferença entre as temperaturas dos dois sistemas.
22 Calor sensível é definido como sendo a quantidade de calor que um corpo recebe que provoca apenas variação na sua temperatura, sem que aconteça mudança de fase. De acordo com a equação 2, o calor específico (c) informa a quantidade de calor que um grama de substância deve receber para variar de um grau de temperatura. (2) Onde: Quantidade de calor (cal); Massa da substância (g); Calor específico (cal/g.ºc); Calor latente (ºC); Calor latente, diferentemente do anterior, é quando fornecemos energia térmica à um corpo sem que este varie sua temperatura, mas ocorre mudança de fase (equação 3). É a grandeza física que informa a quantidade de calor que uma unidade de massa de uma substância deve perder ou receber para que ela mude de estado físico. (3) Onde: Quantidade de calor (cal); Calor latente (cal/g); Massa da substância (g); 2.6.1 Efeito Joule Quando uma corrente elétrica passa por um resistor, este converte energia elétrica em energia térmica. O resistor dissipa a energia em forma de calor. Assim a potência total do sistema diminui e o aquecimento de um resistor por passagem de uma corrente é chamado de efeito Joule (INFOESCOLA, 2012). A equação 4 dá a potência elétrica dissipada em um resistor:
23 (4) Onde: Potência dissipada (Watts); Voltagem (V); Resistência (Ohm); 2.7 Fenômenos de transferência de calor Segundo Incropera et al. (2008, p. 2) calor [...] é energia térmica em trânsito devido a uma diferença de temperatura no espaço. A forma como o calor é propagado é classificada em três tipos: Condução, convecção e radiação. 2.7.1 Condução O fenômeno de condução se refere ao transporte de energia (calor) em um meio devido a um gradiente de temperatura e o mecanismo físico é a atividade atômica ou molecular aleatória, ou seja, a transferência de calor das partículas mais energéticas para as menos energéticas. A transferência de calor por condução é governada pela lei de Fourier, e nos dá condições adequadas para se calcular a quantidade de energia sendo transferida por unidade de tempo. Para a parede plana unidimensional, mostrada na Figura 5 com uma distribuição de temperaturas T(x), a taxa de calor é representada conforme equação 5: (5) Onde: Fluxo térmico (W/m²); Condutividade térmica do material (W/m.K); Gradiente de temperatura (ºC/m);
24 Figura 5 Condução em parede plana. Transferência de calor unidimensional por condução ou difusão de energia (INCROPERA et al, 2008, p. 3). 2.7.2 Convecção Neste modo, o calor é transferido por dois mecanismos distintos. Além da transferência de energia por difusão (movimento molecular aleatório), a energia também é transferida por movimentação macroscópica do fluido, considerando um agregado de moléculas se movimentando em conjunto onde tal movimento, na presença de um gradiente de temperatura, contribui para a transferência de calor (INCROPERA et al., 2008, p. 4). Alguns exemplos de transferência de calor por convecção incluem: escoamento forçado, escoamento natural e correntes convectivas na água em ebulição. De forma geral, a equação 6 rege a taxa de transferência de calor por convecção e é conhecida como lei do resfriamento de Newton. (6) Onde: Fluxo de calor por convecção (W/m²); Coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m².K); Temperatura da superfície (ºC); Temperatura do fluido (ºC);
25 2.7.3 Radiação Incropera et al. (2008, p. 6) define a radiação como sendo [...] a energia emitida pela matéria que se encontra a uma temperatura não-nula. Neste modo de transferência de calor não há presença de meio físico para que ocorra, diferente da condução e convecção. Qualquer que seja o material emissor de radiação, está associado a ele um poder emissivo(e), definido como a taxa na qual a energia é liberada por unidade de área (W/m²), e a emissividade da superfície ( ) que fornece uma medida da eficiência na qual uma superfície emite energia em relação ao corpo negro. Há porém um limite do poder emissivo que é definido pela lei de Stefan-Boltzmann, como mostra na equação 7: (7) Onde: Poder emissivo da superfície (W/m²); Emissividade da superfície ; Constante de Stefan-Boltzmann[ ]; Temperatura absoluta da superfície (ºK); 2.8 Fenômenos de mudança de fase As fases que podem ser encontradas na natureza são o sólido, líquido, gás e plasma. Uma substância qualquer pode existir sob várias fases. Fase é definida como uma quantidade de matéria totalmente homogênea (BORGNAKKE; SONNTAG, 2009, p. 13). Para este trabalho é de interesse considerar os mecanismos de vaporização (líquido gás) e condensação (gás líquido) da glicerina e as ferramentas matemáticas disponíveis. 2.8.1 Vaporização Uma definição simples pela Infoescola (2012) é que vaporização é o nome dado à mudança de fase do estado líquido para o estado gasoso. Apresenta três maneiras para ocorrer: ebulição, calefação e evaporação. Ebulição seria a forma mais natural de um liquido passar para o estado gasoso. Mantendo a pressão constante, a ebulição ocorre a uma determinada temperatura, com agitação das partículas do liquido e com formação de bolhas.
26 Calefação é uma passagem extremamente rápida do estado líquido para o estado gasoso. São duas as leis consideradas que regem o processo que resulta na calefação: Não há o contato entre o líquido e a superfície aquecida. Tal ausência de contato é explicada pela rápida e intensa vaporização das gotas do líquido do lado mais próximo da chapa aquecida. Forma-se o que é definido como um colchão de vapor, que impede o contato das gotículas com a superfície aquecida, como mostra a Figura 6; Na segunda lei, a temperatura do líquido que sofre a calefação é inferior à sua temperatura de ebulição (ALHANATI; NETTO, 2012). O aquecimento do líquido em calefação é muito pequeno, uma vez que os líquidos de um modo geral e a água em particular são diatérmicos, isto é, o calor irradiado passa por eles sem ser absorvido. (INFOESCOLA, 2012). Este mecanismo particular de vaporização será foco do estudo no modelo do projeto proposto no capítulo 3. Figura 6 Fenômeno de calefação. Esquema do mecanismo de calefação ocorrendo sob uma gota de líquido (ALHANATI, 2012). Evaporação, ao contrario da ebulição, ocorre a qualquer temperatura, sob a pressão constante. Porém esta temperatura é inferior à temperatura de ebulição. Fatores que influenciam na velocidade de evaporação: Quanto maior a pressão atmosférica, menor será a velocidade; quanto mais o liquido for volátil, maior será a velocidade; quanto maior a área de contato com o ar, maior a velocidade; quanto maior for a temperatura do liquido, maior a velocidade (INFOESCOLA, 2012). 2.8.2 Condensação A condensação ocorre quando a temperatura de um vapor é reduzida a valores inferiores ao de sua temperatura de saturação. O processo resulta usualmente do contato entre o vapor e uma superfície fria. A energia latente do vapor é liberada, calor é transferido para a superfície e o condensado é formado. Geralmente, nos equipamentos industriais há a presença de condensadores utilizados em sistemas de refrigeração e condicionamento de ar. A condensação de vapor ocorre no interior de tubos horizontais ou verticais. As condições no interior dos tubos são complicadas e
dependem fortemente da velocidade do escoamento do vapor no interior do tubo. Se a velocidade for pequena, a condensação ocorre conforme Figura 7. 27 Figura 7 Condensado no interior de tubos. (a) (b) Condensado em filme no interior de um tubo horizontal. (a) Seção transversal do escoamento do condensado para baixas velocidades do vapor. (b) Seção longitudinal do escoamento do condensado para altas velocidades do vapor (INCROPERA, 2008). 2.9 Geração e distribuição de vapor A geração de vapor baseia-se na mudança de fase de um líquido ( geralmente água) para fase gasosa, geralmente usado na aplicações de processos industriais. A modelagem de um sistema de geração e distribuição de vapor pode ser exemplificada pela (Figura 8) onde apresenta um ciclo termodinâmico simples. O vapor é escolhido como um bom meio de transporte de energia principalmente por sua capacidade de armazenar e transportar uma quantidade de calor maior do que se fosse utilizado fluido líquido, ambos à mesma temperatura. A quantidade de calor que pode ser transferida do vapor para uma substância a ser aquecida depende, entre outras coisas, da diferença de temperatura entre ambos e da superfície através da qual o calor tem de ser transferido. Consequentemente (mantidas as demais condições) podemos aferir que quanto maior for a temperatura do vapor e, portanto sua pressão, maior será a taxa de transferência de calor do vapor para a substância a ser aquecida. Analogamente quanto maior for a superfície de transferência maior será a quantidade de calor transferido por unidade de tempo (SILVA, 2006).
28 Figura 8 Ciclo de Rankine O ciclo básico de Rankine é um dos diversos ciclos termodinâmicos utilizados na geração de vapor (BORGNAKKE, 2009). Tão logo o vapor sai da caldeira, ele começa imediatamente a perder calor, ou seja, nas linhas de vapor sempre haverá água líquida (condensado) resultante da condensação parcial do vapor ou arrastada pelo vapor que sai da caldeira. O objetivo é tomar providências no sentido de que as perdas se calor sejam minimizadas até que o vapor atinja o local onde se deseja utilizá-lo. Essencialmente o cuidado é evitar as perdas através de vazamentos, válvulas e conexões defeituosas (RIBEIRO, 2006). 2.9.1 Purgadores de vapor Os purgadores são dispositivos automáticos que separam e eliminam o condensado das linhas de vapor e dos aparelhos de aquecimento. Existem dois tipos de descarga nos purgadores: A descarga livre, direto na atmosfera; e a descarga fechada, despejando em uma linha de condensado (RIBEIRO, 2006). A instalação dos purgadores devem respeitar certos critérios para que se obtenha seu perfeito funcionamento. O condensado deve, sempre que possível, correr por gravidade para o purgador. Quando não existir escoamento por gravidade, deve ser colocada uma válvula de retenção. As tubulações de entrada e saída dos purgadores devem ter o menor comprimento possível. Quando houver descarga para a atmosfera, o purgador deve ser colocado de modo que o jato quente de condensado não atinja pessoas ou equipamentos. Os purgadores devem ser montados em locais que permitam acesso e manutenção. Deve-se instalar pontos de purga em todos os pontos de baixa elevação e pontos de aumento de elevação (Figura 9); Nos
29 trechos de tubulação em nível, a cada 100-150m; Imediatamente antes de todas as válvulas de bloqueio, válvulas de retenção, válvulas de controle e válvulas redutoras de pressão; Próximo à entrada de qualquer máquina a vapor. A Figura 10 resume os critérios citados (RIBEIRO, 2006, p. 4). Figura 9 Tipos de botas de condensado Casos típicos de instalação de purgadores nas linhas de vapor (RIBEIRO, 2006). Figura 10 Critérios de instalação de pontos de purga. Diversos pontos de purga instalados na linha de vapor (RIBEIRO, 2006).
30 3 MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 Túnel de vento O túnel (Figura 11) utilizado no trabalho foi projetado pelo engenheiro mecânico Elmo Thiago Lins em sua tese de mestrado e possui as características conforme Tabela 1. A seção de ensaio possui dimensões de 0,50m X 0,50m. A propulsão do ar é obtida usando um motor de indução monofásico de 5HP, para mais detalhes, (ver dados eletromecânicos no Anexo 2), plaqueta de identificação no Anexo 3 e detalhe da instalação física do motor no Anexo 4. O difusor possui razão de contração de 2:1, ou seja, com seção maior de 1m X 1m, e seção menor 0,50m X 0,50m (FORD, 2008). Tabela 1 - Especificações do Túnel Aerodinâmico Comprimento 4,5m Altura máxima 1m Largura máxima 1m Tipo de túnel Soprador Potência máxima do motor 5 HP (3,7 kw) Área da seção de ensaio 0,25 m² Velocidade máxima da seção de ensaio 9,7 m/s Dados originais do projeto do túnel de vento do laboratório (FORD, 2008). Figura 11 Túnel de vento (a) (b) (c) (d) (e) (f) Túnel aerodinâmico utilizado no projeto: (a) Sistema de acionamento. (b) Coifa anti-vibrações. (c) Difusor. (d) Contração. (e) Caixa de estabilização. (f) Seção de testes (FORD, 2008).
31 3.2 Projeto do evaporador de glicerina Durante o período inicial de pesquisas, foi buscado priorizar a experimentação da prática de ideias, na esperança de se conseguir fazer com que o sistema funcionasse, porém sem nenhum dimensionamento matemático efetivo. Apenas na base teórica e no instinto foram tentados diversos modelos, porém houveram algumas dificuldades de execução de projeto que, devido à decisões imaturas, foi um fator consumidor de tempo e desgastante. Para mais informações sobre os modelos praticados, ver Apêndice A. Com base na objetividade e clareza de ideias, é apresentado na Figura 12, o modelo proposto pelo Prof. Orientador Rudson de Souza, levando em conta os sistemas que o integram, aqui definidos como: - Sistema de geração de fumaça: Onde consiste em uma câmara de calefação pressurizada, com injeção de glicerina atomizada, onde o objetivo da pressurização é de atingir velocidades da fumaça próximas da velocidade do escoamento no túnel aerodinâmico na tentativa de diminuir a turbulência da fumaça dentro do túnel, evitando que ela se disperse, como proposto por Machado (2007, p. 10). - Sistema de distribuição: Visa minimizar as perdas térmicas e evitar a condensação da fumaça, buscando aumentar a qualidade da fumaça gerada na seção de testes do túnel. - Sistema de linearização da fumaça: Composto por uma cabeça de distribuição de uma entrada e várias saídas, com o intuito de produzir uma cortina de fumaça, com linhas paralelas de fumaça, possibilitando a visualização final do escoamento. Figura 12 Esquema de montagem do sistema. (b) (c) (d) (g) (a) (e) (f) (a) Compressor de ar. (b) Mangueiras flexíveis. (c) Válvula agulha. (d) Reservatório de glicerina. (e) Câmara de calefação. (f) Fogão elétrico. (g) Cabeça de distribuição (FONTE: o próprio autor).
32 3.2.1 Sistema de geração de fumaça A fonte de calor utilizada foi um fogão elétrico resistivo (1000 Watts) e uma panela de pressão foi utilizada como câmara de calefação. A vedação original da panela necessita de pressão interna maior que a pressão externa. Sendo assim, a tampa da panela foi montada invertida e parafusada para garantir a perfeita vedação (evitando desperdício de fumaça), pois o dispositivo iria trabalhar com a saída de fumaça aberta para a atmosfera (pressão interna menor que a externa). Com o decorrer do trabalho e a constante necessidade de redução de gastos, a análise de material disponível fez com que a ideia apresentada na Figura 12 fosse adaptada pelo autor para que o sistema de injeção de glicerina e de ar fosse feito em uma única linha, através do efeito idêntico ao utilizado em pistolas de pintura por sucção (Figura 13). O fluido de fumaça utilizado foi o DRAGON FOG de 1 litro, fabricado pela empresa Meyerman. Este fluido comercial é próprio para máquinas de fumaça e possui em sua composição água, glicerina, álcool e aromatizantes. Anteriormente foi usada glicerina pura (95%) encontrada em farmácias e foi percebido que a sua vaporização gerou uma fumaça de densidade muito superior ao fluido de fumaça comercial, porém devido ao ponto de ebulição da glicerina ser elevado (290ºC) o sistema de geração de fumaça teria que fornecer mais energia para vaporizar a glicerina. Devido à presença de água na mistura do fluido comercial, o ponto de ebulição é menor que à glicerina pura e o álcool tem função de desimpregnar os resíduos de glicerina depositados pela fumaça (LINS, 2007). Figura 13 Pistola de pintura por sucção. (a) Pistola de pintura por sucção (b) Corte transversal ( GOOGLE, 2012).
33 O dispositivo desenvolvido (Figura 14) foi fabricado a partir de uma luva de alumínio, com conexões de latão, em formato de Y, determinando duas entradas (ar + glicerina) e uma saída (fluido de fumaça pressurizado). Medições preliminares revelaram temperaturas no fundo da câmara de calefação em torno de 230ºC, na tampa da panela de 100ºC, na válvula agulha de 45ºC (o recartilhado da válvula foi revestido com borracha para que o operador não necessite usar luvas durante o manuseio) e os gases na saída da panela mediram 180ºC. Na Figura 15, pode-se ver a disposição dos equipamentos utilizados. Figura 14 Dispositivo de injeção de glicerina. A B C Ar comprimido é injetado na entrada A e glicerina é succionada pela entrada B. A glicerina é então pulverizada no interior da câmara de calefação pela saída C (FONTE: o próprio autor).
34 Figura 15 Sistema de geração de fumaça. (a) (b) (c) Detalhe para o isolamento térmico(a), o fogão elétrico(b) e o reservatório de glicerina(c) (FONTE: o próprio autor). A alimentação do ar comprimido foi através do compressor SCHULZ de pressão máxima de 120 psi e vazão de 150 L/min, disponível no laboratório (LABMECFLU), com pressostato configurado na faixa de 70-90 psi (Figura 16). Figura 16 Compressor de ar utilizado Equipamento pneumático disponível no laboratório para alimentar o sistema com ar comprimido (FONTE: o próprio autor).
35 3.2.2 Sistema de distribuição Na canalização da fumaça, para mudança de direção foram usadas conexões de CPVC Aquatherm da Tigre, que de acordo com o fabricante, suportam temperaturas acima de 100ºC sob baixas pressões (Figura 17). Para trechos mais longos foi usada mangueira especial para vapor frigorífero JASON com temperatura de trabalho de até 145ºC. Toda a linha de distribuição foi isolada termicamente com tubo de espuma elastomérica utilizada em instalações de ar-condicionado. Tal isolamento visa à diminuição da perda térmica ao longo da linha, amenizando o efeito do condensamento, porém como sugerido por Ribeiro (2006), não há possibilidade de se evitar 100% tal efeito e o sistema necessita de um purgador de condensado, para desobstrução da linha e aumento da eficiência na entrega da fumaça no túnel. O purgador (Figura 18) foi confeccionado com um pote de vidro, onde o operador tem plena visão do nível de condensado formado, sendo necessário o descarte do condensado quando o nível atingir o volume máximo do pote. Ele evita o acúmulo de condensado e possível obstrução na linha (calço hidráulico) o que geraria acúmulo de pressão na câmara de calefação, podendo causar acidentes. Figura 17 Pressão de serviço dos tubos de CPVC. Gráfico Temperatura X Pressão de trabalho da linha Aquatherm (TIGRE, 2012).
36 Figura 18 Purgador instalado na linha. Purgador instalado no ponto mais baixo do sistema (FONTE: o próprio autor). 3.2.3 Sistema de linearização de fumaça Para o sistema de distribuição, é preferido que se projetasse um dispositivo capaz de linearizar a fumaça, distribuindo-a em um plano paralelo ao escoamento e perpendicular à vista do observador na seção de testes, tornando possível a visualização das linhas de corrente no interior do escoamento do túnel aerodinâmico. Uma ideia inicial está representada na Figura 19. Na busca de reduzir as perdas térmicas, foi utilizado tubos de canetas (polietileno de alta densidade), como isolante térmico. Em seguida o distribuidor foi coberto por espuma expansível de poliuretano, em formato aerodinâmico para diminuir o coeficiente de arrasto e amenizar as possíveis turbulências que fossem causadas com a instalação deste dispositivo no túnel de vento. Sobre o formato do revestimento, é desejável que possua uma geometria tal que interfira o mínimo possível no escoamento do túnel, visto que devido às características construtivas do túnel, permite instalação do distribuidor apenas na seção imediatamente após a caixa de estabilização, ou seja, o distribuidor precisa ter um formato aerodinâmico para minimizar as turbulências no escoamento recém linearizado pela caixa estabilizadora. Esta exigência é imperativa, pois aumenta a confiabilidade do experimento visto que tende a manter a fidelidade do escoamento modelado, com o mínimo de perturbações possíveis.
37 Figura 19 Distribuidor de fumaça. (a) (b) (a) esboço inicial do distribuidor. (b) Utilização de tubos de caneta para direcionar a fumaça. (FONTE: o próprio autor). Em um primeiro momento, a peça foi fabricada com tubos de cobre pelo fato de ser o material disponível comercialmente que mais se aproximasse da exigência geométrica do projeto (ver Apêndice A- Modelo inicial do distribuidor: Nos primeiros protótipos(figura 30), foi buscado utilizar tubos de cobre embutidos em perfil aerodinâmico para não gerar turbulências no interior do túnel. A única justificativa para o uso do tubo de cobre foi sua geometria, pois na fase inicial de pesquisa houveram dificuldades em encontrar um tubo de geometria semelhante, porém de material isolante térmico. Motivo da falha: o cobre é bom condutor térmico, o que aumentou a taxa de condensado gerado no interior do distribuidor, independente da qualidade do isolante térmico externo utilizado. Figura 30). Embora o cobre seja um bom condutor térmico (o que não é desejável no projeto), foi buscado isolar termicamente ao redor dos tubos de cobre. Inicialmente o isolamento se mostrou satisfatório, porém foi necessária a mudança do material dos tubos devido à grande formação de condensado por perdas térmicas elevadas no cobre. Com o novo material adotado (tubos de caneta), foi feito um sistema para que o operador tenha a opção de escolher com quantas linhas de corrente do escoamento ele quer visualizar. Para isso foram adaptados tampões-puxadores (Figura 20) na saída de cada tubo.
38 Figura 20 Tampões nas saídas do distribuidor de fumaça (b) (a) Detalhe para o ajuste do número de linhas de corrente a serem visualizados (a) e para a caixa de estabilização (b) localizada próxima ao distribuidor (FONTE: o próprio autor). Após o revestimento de poliuretano, foi percebido que a rugosidade final estava elevada, devido à alta porosidade da espuma de poliuretano, o que poderia ser um agente causador de perturbações no escoamento. Para contornar o problema, foi realizado um segundo revestimento, com gesso polido, no distribuidor para que houvesse uma rugosidade mínima, contribuindo assim para a melhoria da performance do equipamento. Após o lixamento do gesso, a peça inteira recebeu pintura preto fosco, para não interferir na visualização da fumaça. O resultado final é apresentado na Figura 21. Figura 21 Distribuidor instalado no túnel. Distribuidor posicionado no interior do túnel. Revestido internamente com poliuretano e externamente com gesso. Pintura de acabamento em preto fosco (FONTE: o próprio autor).
39 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES Após a fase de montagem e testes, o aparato foi executado para fins qualitativos do resultado final. No objeto de estudo foi utilizado um perfil aerodinâmico, cedido pelo laboratório de mecânica dos fluidos (LABMECFLU-UFRN). O experimento foi rodado inicialmente com o soprador desligado, com o intuito de se observar a qualidade da fumaça entregue no túnel (Figura 22). Os tampões-puxadores foram configurados alternadamente (1-sim, 1-não) para aumentar o espaçamento entre as linhas de corrente. O número total de linhas de corrente utilizados no experimento final foi de seis linhas, distribuídas na mediana do distribuidor de fumaça. Outro fator importante a ser considerado foi a velocidade da fumaça ainda ter sido inferior à velocidade do escoamento no túnel, o que não atendeu o proposto por Machado (2007, p. 10). Essa incompatibilidade gerou turbulências ao longo da trajetória da fumaça, o que pode ser exemplificado pelo formato triangular das linhas de corrente (Figura 23). Apenas à critério comparativo, na Figura 24, um túnel de vento que utiliza um sistema de visualização de escoamento também por fumaça, locado em laboratório do Instituto de Tecnologia da Georgia, EUA. Detalhe para excelente visualização das linhas de corrente, sem turbulência, caracterizando a equivalência de velocidades da fumaça versus escoamento do túnel. Figura 22 Fumaça sendo entregue no túnel com soprador desligado Em testes de montagem, a fumaça entregue no túnel de vento, com soprador desligado (FONTE: o próprio autor).
40 No dispositivo desenvolvido, é notável a boa qualidade da fumaça entregue inicialmente (branca e densa), porém é dever do operador monitorar o aspecto da fumaça com o decorrer do experimento, respeitando o tempo de pré-aquecimento da câmara de calefação e realizando ajustes de injeção de ar e de glicerina sempre que possível, visto que pouca injeção de ar não causa o efeito de sucção da glicerina, fazendo com que haja limpeza da câmara de calefação (toda a glicerina no sistema será eliminada até que saia apenas ar aquecido no distribuidor), ou o contrário, injeção máxima de ar que garante a sucção da glicerina, porém demasiada, o que irá resfriar a câmara de calefação, acumulando glicerina líquida em seu interior e diminuindo a qualidade final da fumaça. Um manual de operação foi criado no Apêndice B para uma boa operação do sistema. Figura 23 Visualização de escoamento em perfil aerodinâmico Turbulência na fumaça logo após a saída do distribuidor, evidenciando velocidade incompatível com a velocidade do túnel (FONTE: o próprio autor). Figura 24 Linhas de corrente bem definidas pela fumaça Visualização por fumaça do escoamento em túnel de vento em perfil aerodinâmico no laboratório do Instituto de Tecnologia da Georgia (MCMAHON, 2002)
41 A fixação do perfil aerodinâmico foi manual, com variação de posições: ângulo de ataque positivo (Figura 25-1), ângulo de ataque nulo (Figura 25-2) e ângulo de ataque negativo (Figura 25-3). Tal mudança na posição do perfil foi capaz de demonstrar o surgimento de vórtices na parte superior da asa na posição 1 e 2, o que evidencia as regiões de baixa pressão, responsáveis pela sustentação aerodinâmica do perfil. Já na posição 3, o surgimento dos vórtices puderam ser visualizados no lado oposto do perfil, o que ocasionaria perda de sustentação no modelo real (RIBEIRO, Fernanda, 2011). Figura 25 Posições utilizadas no perfil aerodinâmico (1) (2) (3) 1- Ângulo de ataque positivo-; 2- Posição normal; 3- Ângulo de ataque negativo (FONTE: o próprio autor). Segundo as recomendações de Ribeiro (2006), o purgador desempenhou sua função como esperado, acumulando o condensado, de coloração amarelada, com proporção em volume de cerca de 1:10 em relação à quantidade de fluido de fumaça incialmente utilizada (Figura 26). Figura 26 Condensado no purgador Coleta do condensado no purgador instalado na linha de distribuição da fumaça (FONTE: o próprio autor).
42 5 CONCLUSÕES Através das referências bibliográficas consultadas e com o decorrer do desenvolvimento do projeto do equipamento de fumaça na visualização do escoamento no interior do túnel de vento, pode-se concluir que: O uso de fluido glicerinado à base de água é vantajoso por ter baixa toxicidade, descartando uso de máscaras de gás. Devido ao túnel ser do tipo circuito aberto, a fumaça na saída do túnel se espalha e se acumula rapidamente em ambiente fechado. O acúmulo demasiado da fumaça baseada em fluido glicerinado pode causar ligeira irritação aos olhos e garganta. É imperativo o uso de um sistema de exaustão para expelir a fumaça do local, a fim de que se evitem os efeitos citados anteriormente. Recomenda-se o uso de equipamentos de proteção individual (EPI s) para os olhos, quando estiver posicionado na saída do túnel, pois partículas de poeira podem ser arremessadas pelo túnel; e proteção auricular, pois o equipamento produz elevados níveis de ruído e com a exposição prolongada, poderá haver danos permanentes na audição do operador. Com uma autonomia de mais de 20 minutos de produção de fumaça em regime permanente, o equipamento tem plenas condições de ser utilizado pelo corpo docente do laboratório para fins didáticos e de pesquisa. Considerando um consumo mensal constante de glicerina a ser utilizado em aulas no laboratório de mecânica dos fluidos, conclui-se que é possível obter uma economia significativa na aquisição em larga escala de glicerina, aliado ao seu baixo custo no mercado;
43 O perfeito funcionamento do sistema dependente da harmonia de parâmetros como: pressão do ar comprimido, vazão de glicerina, tempo de pré-aquecimento da câmara de calefação e velocidade do motor do túnel. Sem a devida regulagem, o operador poderá não obter resultados satisfatórios da visualização do escoamento. O superaquecimento da fumaça é necessário para fornecer energia suficiente à fumaça para que haja a garantia de que ela permaneça na fase gasosa durante toda a canalização e entrega no túnel de vento, onde a formação de condensando seja o mínimo possível. O isolamento térmico da tubulação e a instalação do purgador foram de fundamental importância para que fossem amenizadas as perdas térmicas no decorrer da linha de distribuição. É possível inferir que o sistema de visualização de escoamento por fumaça é aplicável a qualquer modelo geométrico que se deseje estudar, sem necessidade de modificações adicionais que outros métodos de visualização exigem (como a instalação de mangueiras, fios de lã, etc.), tornando assim o experimento mais prático e rápido.
44 6 SUGESTÕES Com o decorrer do desenvolvimento do trabalho, houve momentos em que alguns problemas não foram completamente solucionados, mas sem comprometer o funcionamento mínimo do equipamento. Este capítulo busca por meio de tópicos sugerir ao leitor alguns procedimentos para futuras melhorias do equipamento, visando maior facilidade na operação e qualidade final da fumaça. O motor necessita de sistema de variação de velocidade, possivelmente por inversor de frequência, buscando assim equalizar as velocidades do túnel e da fumaça para evitar a dispersão da mesma na seção imediatamente após sua entrega. Se possível, seria desejável fabricar outro distribuidor de fumaça com diâmetro interno menor e distância entre linhas de corrente maiores na seção de entrega. O modelo atual apresentou interferências nas linhas de correntes vizinhas, devido à pequena distância entre eles. Para trabalhos futuros, no que diz respeito à linha de distribuição de fumaça e suas conexões, é recomendável que sejam inclusas pelo menos 2(duas) uniões roscáveis, uma na saída da câmara de calefação e outra no ponto de entrega de fumaça no túnel, para facilitar operações de manutenção e montagem do equipamento. De preferência, buscar instalar um termostato no fogão elétrico para controlar o aquecimento da câmara de calefação, pois a exposição prolongada sem injeção de glicerina causa superaquecimento da tubulação, ultrapassando os limites dos materiais da linha acarretando sua fusão e posterior vazamento de fumaça. Em relação ao purgador, poderia ser estudado um método de retorno automático de condensado para o reservatório de glicerina, simplificando a operação e descartando a necessidade de parada do equipamento para descarregar o excesso de condensado.
45 REFERÊNCIAS ALHANATI, Lucien Silvano. Estudo do Calor. Disponível em <http://alfaconnection.net/pag_avsf/calor.htm>. Acesso em 10 nov. 2012, 21:35:41. BORGNAKKE, Claus. SONNTAG, Richard E. Fundamentos da Termodinâmica. Tradução da 7ª ed. americana. São Paulo: Edgard Blucher, 2009. 659 p. FORD, Elmo Thiago Lins Cöuras. Análise Quali-Quantitativa do Deslocamento da Camada-Limite em Carrocerias Veiculares. Natal, 2008. Dissertação (Mestrado) Universidade Federal do Rio Grande do Norte UFRN. FOX, Robert. McDONALD, Alan. Introdução à Mecânica dos Fluidos. Rio de Janeiro: LTC, 2001. GOOGLE, Site de busca de imagens. Disponível em <https://www.google.com.br/imghp>. Acessado em 22 nov. 2012. 19:17:22. H. MCMAHON.et al. AE3051 Experimental Fluid Dynamics- Flow visualization. Georgia, US 2002. Georgia Tech College of Engineering School of Aerospace Engineering. Disponível em <http://soliton.ae.gatech.edu/classes/ae3051/ae3051labflowvis.pdf>. Acesso em : 22 out. 2012, 22:03:41. INCROPERA, Frank P. et al. Fundamentos de transferência de calor e de massa. Tradução e revisão técnica Eduardo Mach Queiroz, Fernando Luiz Pellegrini Pessoa. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. 643 p. INFOESCOLA, Navegando e Aprendendo. Vaporização. Disponível em <http://www.infoescola.com/termodinamica/vaporizacao/> Acesso em 10 nov. 2012, 21:20:15. LINS, Karyne. Cuidado com a fumaça. Revista Backstage produção musical, Rio de Janeiro, ano 14, n. 153, p. 96-102, ago. 2007.
46 M. PESTANA, Carolina Fernandes. MOTA, Cláudio José Araújo. Desidratação Oxidativado Glicerol: Produção de Acroleína e Ácido Acrílico. ln: CONGRESSO BRASILEIRO DE P&D EM PETRÓLEO DE GÁS, 5., 2009, Fortaleza. Anais. MACHADO, Heitor. LUIS, João. OLIVEIRA, Roger. Visualização de escoamentos no túnel de vento. Porto Alegre, 2007. Trabalho final da disciplina de Medições Térmicas. UFRS. Disponível em <http://143.54.70.55/medterm/20072/fuma%c3%a7a_com_oleo.pdf>. Acesso em 12 out 2012, 14:25:31. MATURANA, Aymer. Estudo da combustão direta da glicerina bruta e loira como alternativa de aproveitamento energético sustentável. 2011. Tese (Doutorado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2010. NETTO, Luiz Ferraz. Calefação. Disponível em: <http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_07.asp>. Acesso em 10 jun. 2012, 2//1:31:53. RIBEIRO, Antônio Clélio. Curso de tubulações industriais Aula 4. Faculdade de Engenharia Química de Lorena. São Paulo, 2006. 17 p. RIBEIRO, Fernanda Alves. Análise aerodinâmica de perfis de asa para aeronaves experimentais tipo JN-1. Natal, 2011. Dissertação (Mestrado) Universidade Federal do Rio Grande do Norte UFRN. RUFATO, Eduardo. POLETTO, Roger. BARTEX, Sérgio. Visualização de escoamento de fluidos em túnel de vento. Porto Alegre, 2007. Trabalho final da disciplina de medições térmicas Universidade Federal do Rio Grande do Sul UFRS. Disponível em <http://143.54.70.55/medterm/20072/escoamento%20de%20gases%20em%20perfis%20aer odin%c3%a2micos.pdf>. Acesso em: 12 out. 2012, 14:28:41.
47 SILVA, Karla. Distribuição e Utilização do vapor. Universidade Tecnológica Federal do Paraná UFTPR. Paraná, 2006. Disponível em < http://pessoal.utfpr.edu.br/karla/arquivos/a7_vapor(traduzsteam).pdf > Acesso 23 nov. 2012, 13:16:54. SUPERINTERESSANTE. Fumaça Artificial É Uma Nuvem de Gases, Ed. Abril, São Paulo, n. 118, jul. 2007. Disponível em: <http://super.abril.com.br/cotidiano/fumaca-artificialnuvem-gases-437069.shtml>. Acesso em: 01 nov. 2012, 18:14:29. TIGRE, Tubulações prediais Aquatherm. Catálogo do fabricante. Disponível em <http://www.tigre.com.br/pt/download_ficha.php?tipo_arq=linha&file=linha_7.pdf> Acesso em 22 nov. 2012, 19:55:31.
48 Apêndice A Primeiras tentativas Os modelos aqui apresentados foram frutos de muito trabalho e frustração, pois apesar da simplicidade e praticidade envolvida na montagem, não foram capazes de atender os requisitos do projeto, sendo posteriormente desmontados e arquivados para alertar o leitor, caso venha a ter alguma ideia semelhante às aqui apresentadas. Inicialmente foram feitos três modelos, que serão apresentados a seguir, junto com suas respectivas configurações básicas e o motivo da falha. 1ª tentativa: Acumulador de baixa pressão (bombona), ferro de solda (2x70w) e serpentina dupla helicoidal, injeção de glicerina por bomba elétrica de limpador de para-brisa de automóvel, conforme Figura 27. Todo o aparato foi montado dentro de uma bombona de 20 litros. Motivo da falha: Pouca vazão de fumaça, muita perda de carga e térmica, ausência de purgador. Figura 27 Acumulador de baixa pressão. (a) (b) (c) (d) Detalhe do aparato montado no interior da bombona (a); visão geral pós-montagem (b); canalização da fumaça (c) e o distribuidor (d) no interior do túnel (FONTE: o próprio autor).
49 2ª tentativa: Acumulador de baixa pressão (cuscuzeira), fogão elétrico (1000 w), com injeção de gotas de glicerina por gravidade. A ideia deste modelo era de diminuir a vazão mássica no trocador de calor, garantindo que toda a glicerina injetada fosse vaporizada (Figura 28). Motivo da falha: Dificuldade de acoplamento na saída da fumaça, panela não suportava pressão, vazamento de fumaça, ausência de purgador. Figura 28 Acumulador utilizando uma cuscuzeira. (a) (b) (c) (a) Vista geral do modelo. (b) Detalhe para o ajuste do conta-gotas. (c) Vista traseira do dispositivo utilizando equipo de soro (FONTE: o próprio autor). 3ª tentativa: Sem acumulador, fogão elétrico (1000 w), Serpentina helicoidal plana, com tubos de cobre, posicionados diretamente no fogão. Detalhe para isolante térmico de argila na Figura 29-a com intuito de aumentar a temperatura na serpentina e garantir total vaporização da glicerina passando em seu interior. Motivo da falha: Condensado obstruindo tubulação, ausência de purgador. (a) Figura 29 Modelo com serpentina plana (b) (a) Testes com mangueira flexível. (b) Detalhe para acionamento da bomba elétrica por controle remoto (FONTE: o próprio autor).
50 Modelo inicial do distribuidor: Nos primeiros protótipos(figura 30), foi buscado utilizar tubos de cobre embutidos em perfil aerodinâmico para não gerar turbulências no interior do túnel. A única justificativa para o uso do tubo de cobre foi sua geometria, pois na fase inicial de pesquisa houveram dificuldades em encontrar um tubo de geometria semelhante, porém de material isolante térmico. Motivo da falha: o cobre é bom condutor térmico, o que aumentou a taxa de condensado gerado no interior do distribuidor, independente da qualidade do isolante térmico externo utilizado. Figura 30 Modelo do distribuidor com tubos de cobre Modelo inicial do distribuidor, ainda sem isolamento térmico (FONTE: o próprio autor). Figura 31 Revestimento isolante no distribuidor Modelo fabricado inicialmente. Os espaços vazios foram preenchidos com espuma de poliuretano (FONTE: o próprio autor).
51 Apêndice B Manual de operação do gerador de fumaça Este manual básico de operação se resume em 5(quatro) passos para produção de fumaça de forma efetiva. O operador deverá seguir cada passo na ordem e só passar para o próximo passo quando o anterior tiver sido completado. A Tabela 2 reúne os possíveis problemas e medidas a serem tomadas. 1. Ligar o compressor e verificar se ele está com carga de no mínimo 70 psi, caso contrário aguardar que o mesmo atinja a marca; 2. Ligar o fogão elétrico e aguardar um período mínimo de 5 minutos para préaquecimento da câmara de calefação; 3. Ligar o motor de propulsão do túnel de vento; 4. Abrir lentamente a válvula de injeção de ar comprimido observando o efeito de sucção da glicerina; 5. Observar se há incidência de fumaça no interior do túnel, caso contrário, aumentar a vazão de ar comprimido até que a glicerina seja pulverizada na câmara de calefação. Tabela 2 Solução de problemas Problema Causa Solução Fumaça pouco densa Pouca glicerina sendo evaporada Verificar se a glicerina está sendo succionada efetivamente no bico injetor Fumaça dispersando no túnel Fumaça amarelada Velocidades (fumaça/escoamento) incompatíveis Temperatura excessiva na câmara de calefação Diminuir a rotação do motor ou aumentar a vazão de ar comprimido Cortar o fornecimento de glicerina e injetar apenas ar comprimido para limpar o sistema e promover seu resfriamento; Desligar o fogão elétrico por alguns minutos, religando-o novamente.
52 Anexo 1 - Ficha de informação da glicerina
53
54
55 Anexo 2 - Dados eletromecânicos do motor