INSTRUMENTAÇÃO DE UM CALORÍMETRO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA INSTRUMENTAÇÃO DE UM CALORÍMETRO por Dhiego Reichak da Silva 136126 Adriano Kuckoski 136120 Guilherme Hiller 136122 Ângelo Rempel 147369 Trabalho Final da Disciplina de Porto Alegre, junho de 2008. i

RESUMO O presente trabalho consiste em realizar e avaliar a instrumentação de um Calorímetro. O procedimento é verificar primeiramente, o funcionamento do mesmo para que se tenha e real idéia de como deve ser feita a medição. Os sensores de temperatura foram escolhidos com base na viabilidade financeira e pela praticidade de manuseio. Desta forma, os três sensores (NTC) utilizados para a medição da temperatura são calibrados e ajustados em uma curva exponencial. A medição é obtida com todos os cuidados necessários. O poder calorífico do Gás Liquefeito de Petróleo é adquirido através de dois experimentos diferentes. Os resultados de cada experimento foram bastante diferentes. Se comparando com valor real pesquisado, chegou-se a uma diferença de aproximadamente 35% no primeiro experimento e 3,5% no segundo. Os erros de medição associados chegou a ambos os experimentos a 9,75% tendo como principal fator, a precária medição de vazão. ii

ABSTRACT This work is to implement and evaluate the instrumentation of a Calorimeter. The first procedure is to check the operation of the same and has the real idea of how it should be made to measure. The temperature sensors were chosen based on financial viability and the practicality of handling. Thus, the three sensors (NTC) used for the measurement of temperature are calibrated and adjusted on an exponential curve. The measurement is made with all necessary care. The calorific value of Liquefied Petroleum Gas is acquired through two different experiments. The results of each experiment were quite different. If compared with real value searched, it was a difference of approximately 35% in the first experiment and 3.5% in the second. The errors of measurement associated reached both experiments to 9.75% with the main factor, the precarious measurement of flow. iii

SUMÁRIO INTRODUÇÃO...7 1 CALORÍMETRO...8 2 MATERIAIS UTILIZADOS...11 3 PROCEDIMENTO...12 4 SENSORES...13 4.1 CALIBRAÇÃO DOS SENSORES...13 4.1.1 Sensores verdes:...15 4.1.2 Sensores pretos:...15 5 INCERTEZAS DE MEDIÇÃO:...17 5.1 INCERTEZAS ASSOCIADAS AOS SENSORES:...17 5.1.1 Incerteza nos valores das resistências:...17 5.1.2 Incerteza no valor real da temperatura:...17 5.1.3 Incerteza do multímetro:...17 5.2 INCERTEZAS ASSOCIADAS A VAZÃO:...18 5.2.1 Gás...19 5.2.2 Água...19 6 RESULTADOS:...20 6.1 EXPERIMENTO 1...20 6.2 EXPERIMENTO 2...20 6.2.1 Incerteza...21 6.3 EXPERIMENTO 3...22 6.3.1 Incerteza...22 7 DISCUSSÃO...24 CONCLUSÃO...25 REFERÊNCIAS...26 ANEXOS...27 iv

LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Calorímetro...8 Figura 2 Balanço Térmico...9 Figura 3 Sensores Acoplados...13 Figura 4 Processo de Calibração...14 Figura 5 Gráfico Sensores Verdes...15 Figura 6 Gráfico dos Sensores Pretos...15 v

LISTA DE TABELAS Tabela 1 Constantes dos Sensores...16 Tabela 2 Incerteza dos Sensores...18 Tabela 3 Vazão Mássica de Gás...19 Tabela 4 Vazão Mássica de Água...19 vi

INTRODUÇÃO Na natureza existem distintas formas de disponibilidade de energia, uma destas formas se manifesta através dos gases combustíveis, onde, através de sua queima podemos transformar a energia armazenada para uma forma que seja mais adequada conforme a necessidade. Com o decorrer do tempo foram descobertos várias formas de combustíveis e na atualidade, com o aumento da competitividade econômica, não raro são propostos combustíveis alternativos. Cabe então representar através de uma unidade padrão a eficiência de cada um destes, em outras palavras, determinar qual a quantidade de energia que está disponível por unidade de massa do elemento combustível. Tal quantidade é mensurada através da propriedade denominada poder calorífico. Desta forma o presente trabalho trata da determinação, através de medição experimental, do poder calorífico do Gás liquefeito do Petróleo (GLP), já que este está presente em diversas aplicações comuns no cotidiano atual. Para tanto foi necessário o correto manuseio do equipamento denominado Calorímetro bem como dos sensores utilizados no procedimento de medição. 7

1 CALORIMETRO Este equipamento consiste num trocador de calor acoplado a um sistema de refrigeração a água de forma que, toda a troca de energia ocorre entre os gases de combustão provenientes da combustão e a água que resfria o equipamento. A quantidade de energia ganha pela água é mensurada através da medição da variação da sua temperatura e vazão do equipamento. Abaixo pode-se ver na figura 1 o esquema de funcionamento do Calorímetro. Figura 1 - Calorímetro 1- Região de entrada da água. 2- Câmara de combustão. 3- Região de circulação da água. 4- Bico de Bunsem (queima do gás). 5- Saída dos gases provenientes da queima. 6- Saída da água, medição da temperatura de saída dos gases. A- Medição da temperatura de entrada da água. 8

B- Medição da temperatura de saída da água. C- Medição da temperatura de entrada dos gases. Porém para que a medição seja válida deve-se manter o calorímetro em funcionamento em regime permanente, isto é, o equipamento não deve ter perdas de energia para o ambiente e a medição deve ser realizada quando a temperatura de saída tenha se estabelecido, para uma vazão de água constante. Utilizou-se o calorímetro para determinar o poder calorífico inferior dos gases combustíveis. Esta é uma característica muito importante de um combustível que indica a quantidade de energia liberada por unidade de massa consumida numa combustão. Fazendo-se um balanço de energia no calorímetro temos que a energia que entra no volume de controle que envolve o calorímetro deve ser igual a energia que sai do volume de controle. Isso significa que a energia que entra (com o gás combustível) deve ser igual à energia que sai (entregue à água). Ou seja, E e = E s. Considerando que outras perdas pelas paredes do calorímetro sejam pequenas. O balanço térmico está representado de forma esquemático na figura 2 abaixo. GÁS PRODUTO ÁGUA QUENTE CALORÍMETRO ÁGUA FRIA GÁS AR Figura 2 Balanço Térmico Colocando esse balanço em termos de potências temos a Equação 1: = ( ) (1) m gás pci m água C p T Sa T Ea Onde : m. gás = Vazão mássica de gás combustível (kg/s). 9

pci = Poder calorífico inferior do gás combustivel (kj/kg).. m água C p T Sa T Ea = Vazão mássica de água (kg/s). = Calor específico da água (4,179 kj/kgk). = Temperatura de saída da água (ºC). = Temperatura de entrada da água (ºC). 10

2 MATERIAIS UTILIZADOS - 3 Termistores (NTC). - Mangueiras. - 1 Termômetro (calibração). - Multímetro. - Garrafa térmica (calibração). - Jarra com marcador de volume. - Cronômetro. - Medidor de volume (para medir o volume de gás utilizado). - Calorímetro. 11

3 PROCEDIMENTO Como toda instrumentação, precisa-se ter certeza de que os sensores estão funcionando corretamente, ou seja, de que estão respondendo de acordo com a variação da grandeza a ser medida. Para tanto se iniciou o processo de calibração. De posse de uma garrafa térmica, e de um termômetro de mercúrio determinou-se os valores de resistência de cada NTC da seguinte maneira: Colocava-se água a uma certa temperatura dentro da garrafa térmica e mergulhavam-se os sensores e o termômetro juntos, tapava-se a boca da garrafa com um pedaço de poliestireno expandido (para minimizar a perda de calor da água para o ambiente), deixando que a temperatura estabiliza-se. Em seguida, através de um multímetro lia-se o valor da resistência associada a temperatura em cada sensor. O próximo passo foi criar a curva de calibração de cada NTC com os dados obtidos. Com os sensores devidamente calibrados e a curvas de calibração obtidas deu-se inicio a medição e a obtenção dos dados para levantamento do PCi do gás. O procedimento é bem simples. Regula-se a intensidade da chama e a vazão de água pelo calorímetro de modo que a temperatura de saída dos gases não seja maior do que 3 a 4 C para garantir que o calorímetro trabalhasse a frio e que quase toda energia fosse transferida para a água. Mediu-se então a temperatura de entrada e saída da água no calorímetro. De posse de um medidor de volume e um cronômetro, obteve-se a vazão de gás. De forma semelhante mediu-se a vazão de água com a ajuda de uma jarra com marcador de nível. A amostragem das vazões foi seqüencial, mediu-se uma após a outra, já a medição das temperaturas foi obtida em intervalos de quinze minutos. Isso considerando que o Calorímetro operava em regime permanente. Assim com os valores das grandezas e sua incertezas obtidos e a equação de conservação de energia para o calorímetro calculo-se o valor do Pci do gás e sua incerteza de medição para três casos descritos mais adiante. 12

4 SENSORES Para realizar a medição das temperaturas de entrada e saída da água e entrada e saída dos gases de combustão foram selecionados sensores termistores do tipo NTC que empregam um decréscimo bastante não linear da sua resistência com a variação da temperatura. Este tipo de sensor foi escolhido devido a sua facilidade de manuseio bem como seu baixo custo, o único porém é que este necessita de que seja feita uma calibração do mesmo. Para a medição das resistências dos sensores foi usado um multímetro digital. 4.1 Calibração dos sensores Foi adquirido dois diferentes tipos de sensores cada um com resistências diferentes e custos diferentes. Como foram necessários três diferentes pontos de medição foram calibrados três sensores de cada modelo, três de 5 KΩ e três de 10 KΩ. Os sensores foram calibrados contra um termômetro de mercúrio com resolução de 0.1ºC. A calibração foi realizada de forma bastante simples: Primeiramente os sensores foram acoplados adequadamente ao termômetro de mercúrio. Figura 3 Sensores Acoplados 13

Colocou-se água dentro de uma garrafa térmica, então os sensores, juntamente com o termômetro foram colocados dentro da garrafa. Esperou-se algum tempo até que a variação de temperatura no termômetro fosse estabilizada então foi feita a leitura das resistências dos sensores. O processo foi repetido para diferentes temperaturas de água na garrafa térmica. Figura 4 Processo de Calibração Então foi possível obter os seguintes gráficos da variação das resistências com as temperaturas para os diferentes patamares de temperaturas. 14

4.1.1 Sensores verdes: Resistência X Temperatura 18.00 Sensor D 16.00 Sensor E Resistências(Khom) 14.00 12.00 10.00 Sensor F 8.00 6.00 4.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 Temperatura(ºC) Figura 5 Gráfico Sensores Verdes 4.1.2 Sensores pretos: Resistência X Temperatura 14.00 Sensor_A Sensor_B 12.00 Sensor_C Resistências(Khom) 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 Temperatura(ºC) Figura 6 Gráfico dos Sensores Pretos 15

Analisando os gráficos pode-se verificar um bom comportamento das resistências dos sensores verdes, logo estes foram selecionados para realizar as medidas de temperatura dos gases aquecidos e do fluído. O sensor preto A também foi selecionado para realizar a medição, já que apresentou uma curva bastante coerente com a esperada. Os sensores pretos B e C foram descartados já que seu comportamento pareceu diferenciado dos demais por erro sistemático ou por erro grosseiro durante a medição. Foram utilizadas curvas exponenciais do tipo intermediários de temperatura. T ( R) = Ae B* R Na Tabela 1 estão as constantes A e B de cada um dos sensores. para interpolar os valores Constante A Constante B Sensor A 68.483-0.1600 Sensor D 69.414-0.0991 Sensor E 69.527-0.1012 Sensor F 69.817-0.1021 Tabela 1 Constantes dos Sensores Quanto a faixa de calibração, para baixas temperaturas (até aproximadamente 40 C) a maioria dos NTC s apresenta comportamento quase que linear, já para temperaturas mais altas (acima de 40 C) esta linearidade já não confere. Como pode se observado nos gráficos acima, a linearização da curva de calibração bem que poderia ser feita, já que compreende a faixa de baixas temperaturas, porem optamos por uma curva de interpolação exponencial para amenizarmos os erros. Como pôde-se observar nos gráficos anteriores os valores das constantes foram obtidas considerando uma faixa de variação da temperatura situada entre 10ºC e 45ºC, logo esta é a faixa de medição que estes sensores estão aptos a medir. Tratando-se de uma instrumentação, várias incertezas estavam envolvidas, tanto na calibração, como na medição em si. Adotou-se a temperatura lida no termômetro, para a calibração dos sensores, como absoluta (100% correta), já que é um instrumento de laboratório. A única incerteza envolvida na calibração foi a do multímetro. 16

5 INCERTEZAS DE MEDIÇÃO: 5.1 Incertezas associadas aos sensores: Tendo em mãos as curvas de calibração dos sensores temos que analisar as incertezas associadas. Existem três fontes de incertezas associadas que estão associadas as medidas feitas com os sensores. 5.1.1 Incerteza nos valores das resistências: A única especificação técnica com relação aos sensores é em relação ao valor da resistência elétrica nominal de cada sensor, logo foi necessário á calibração de cada sensor. Com esta abordagem eliminamos esta incerteza. Uma abordagem menos conservadora, que também poderia ser aplicada se estivéssemos tratando de um número muito elevado de sensores, seria fazer a média dos valores nominais dos sensores e calibrar somente um sensor. Porém esta abordagem só se aplicaria se o número de sensores fosse muito elevado já que as incertezas neste caso seriam muito maiores. 5.1.2 Incerteza no valor real da temperatura: Os sensores foram calibrados de acordo com os valores de temperatura fornecidos por um termômetro de tubo de mercúrio, no entanto, o valor de temperatura medido pelo termômetro também tem uma incerteza associada. Para fins de simplificações dos cálculos a incerteza associada ao elemento sensor de calibração foi desprezada, os valores de temperaturas lidos no termômetro foram considerados absolutos. 5.1.3 Incerteza do multímetro: A medição também está sujeita a incerteza associada ao multímetro utilizado. Para fins de cálculos de incerteza utilizou-se como a variação fornecida pelo manual do fabricante do multímetro. 17

Dados do multímetro: Multímetro digital modelo MD-606pro. Resolução na escala de 40 Kohm igual a 10 ohm. Exatidão +-(1% +2d). Então considerando 2d=10 ohm, temos: E= +-(1% +0.01)Kohm. B * R T( R) = A e, R = 0.01 R + 0.01 (2) T ( R) T = R R 2 (3) ( ( * * B * R )(0.01 0.01) ) 2 T= A B e R+ (4) Com base nisso foi calculada a incerteza para cada um dos valores de resistência medidos durante a calibração, como se mostra na Tabela 2. Temperatura(ºC) R_A(ºC) R_D(ºC) R_E(ºC) R_F(ºC) 12.20 0.2 0.2 0.2 0.2 20.30 0.3 0.3 0.3 0.3 26.10 0.3 0.3 0.3 0.3 30.90 0.3 0.3 0.3 0.3 34.90 0.3 0.3 0.3 0.3 39.10 0.3 0.3 0.3 0.3 43.00 0.3 0.3 0.3 0.3 Tabela 2 Incerteza dos Sensores Observando a tabela acima podemos ver que a maioria dos valores é 0,3ºC, então é razoável tomar como incerteza para os valores de temperaturas medidos 0,3ºC. 5.2 Incertezas associadas à vazão: As incertezas na medição das vazões envolvidas, tanto do gás como da água foram obtidas por amostragem. A partir da amostragem, calculou-se a média e o desvio padrão, atribuindo-se então dois desvios padrões para a incerteza de medição. 18

5.2.1 Gás Vazão Mássica [kg/s] 3,73134E-05 4,03226E-05 3,90625E-05 3,57143E-05 3,62845E-05 4,01284E-05 3,71471E-05 Tabela 3 Vazão Mássica de Gás Média: 3,8E-05 kg/s Desvio Padrão para pequenas amostras: 1,84E-06 kg/s Incerteza de medição para dois desvios padrões: 9,71% 5.2.2 Água Vazão Mássica [kg/s] 0,018450185 0,018416206 0,018416206 0,018484288 0,018315018 Tabela 4 Vazão Mássica de Água Média: 0,01841 kg/s Desvio Padrão para pequenas amostras: 5,66E-05 kg/s Incerteza de medição para dois desvios padrões: 0,7% 19

6 RESULTADOS: A partir do procedimento descrito como segue em anexo, foram realizados três experimentos. Tinha-se a idéia de não só comparar o resultado com o valor verdadeiro, mas também verificar e analisar outras formas de medir a fim de avaliar e comparar os resultados que teríamos com a variação de alguns parâmetros não especificados no procedimento na qual tínhamos e mãos. 6.1 Experimento 1 Neste experimento, tentou-se seguir a risca o roteiro em anexo. Ao longo de todos os experimentos tinha-se uma vazão de água limitada, já que pegou-se a água diretamente da rede que abastecia o prédio, ou seja, tínhamos uma vazão máxima de água definida. Como se segue no roteiro, tinha que realizar o experimento onde a temperatura entre o gás de combustão na saída e a ambiente não pudesse passar de 2 C. Para que esta temperatura não passasse de 2 C, a vazão de gás tinha que ser muito baixa, o que impossibilitou de fazer a medida, já que saía da faixa de medida do medidor de vazão que estava disponibilizado. Com base na falta de dados da vazão do gás, resolveu-se abortar esta medida e passar-se a trabalhar com uma diferença de temperatura maior. Com isso esperava-se um determinado erro em função deste procedimento, como é descrito na conclusão do trabalho. 6.2 Experimento 2 Neste experimento realizamos todos os procedimentos de forma adequada, só não nos importamos com a diferença de temperatura entre o ambiente e a saída do gás, o que teoricamente faria com que nem todo o calor é transferido da chama para a água. Os resultados da seguem abaixo, sendo as temperaturas já estão transformadas em ºC através da calibração dos sensores: Temperatura da água de entrada: 17,98 C Temperatura da água de saída: 35,10 C 20

Para medição de vazão da água, utilizamos uma garrafa demarcada com o volume de 1l. A partir disso, quando o sistema já estava em regime, medimos quanto tempo demorava para encher esta garrafa até a marca. O tempo médio decorrido depois de 5 medidas foi de 54,3s, o que com uma densidade de 1000 3 kg / m, chegamos a uma vazão mássica de 1,84E-02 kg/s. Neste experimento, conseguiu-se medir a vazão do gás já que estava na faixa de trabalho que o medidor de vazão media. Esta vazão foi determinada da mesma forma que a água. Como o medidor de vazão era acumulativo, mediu-se quanto tempo era necessário para que fosse utilizado 0,001 m 3. O tempo médio decorrido depois de 5 medidas foi de 129,93s. A densidade pesquisada e 3 utilizada para o gás GNV, foi de 2,5 kg / m. Com base nisto, chegou-se a uma vazão mássica de 1,9285E-05 kg/s. Substituindo os valores na equação de balanço de energia considerando o calor específico da água de 4,179 kj / kgk, chegou-se a um valor nominal para o poder calorífico do gás de 68.319 kj/kg. 6.2.1 Incerteza Para o calculo das incertezas utilizamos o procedimento de propagação de incertezas que formulado para a Equação 1 fica assim: u Pci 2 2 2 2 2 ( ) ( ) p ( sa ) mɺ a Tsa Tea uc ( ) ( ) m a p ac ea m a p sa t p Tsa Tea u ɺ ɺ ɺ m ea a p ɺ ea t ɺ sa g 2 mɺ g mɺ g mɺ g mɺ g 2mɺ g c T T u m c T u m c T u = + + + + (5) Substituindo os valores na Equação 5 considerando cp da água líquida constante 4,179 kj/kgk, obtemos: u = 2,283e05 + 4,393e7 + 8,193 e4 + 8,193 e4 Pci Seguindo a equação, chegamos as seguintes parcelas de incertezas: Água = 2,283e5; Gás = 4,393e7; As duas temperaturas = 8,193e4 cada; 21

Resolvendo a equação: u = 9,75% Pci Logo, para uma confiança de 95% (dois desvios padrões), o PCi do gás foi de: (68,319 ± 6,658 )kj/kg Escola de Engenharia Segundo dados da CTGAS Dados e Unidades de Conversão tem-se como valor de referência para o poder calorífico do gás de aproximadamente 49.613 kj/kg. Isso nos diz que, a partir de todos os erros inerentes no processo de aquisição dos resultados, obteve-se um erro entre o valor nominal medido e o valor real em torno de 35%, o que foi considerado totalmente insatisfatório. Devido a este resultado, decidiu-se realizar outro experimento como é descrito a seguir. 6.3 Experimento 3 Como os resultados não foram necessariamente bons, realizou-se outro experimento a fim de comparar com o resultado obtido anteriormente. Neste experimento, utilizou-se uma vazão de gás um pouco maior (na verdade a maior que se tinha disponível). Seguindo os mesmos procedimentos do experimento anterior, chegou-se aos seguintes resultados: Temperatura da água de entrada: 20,31 C; Temperatura da água de saída: 46,21 C; Vazão mássica de gás 3,792E-05 kg/s; Vazão mássica de água 1,80E-02 kg/s. 6.3.1 Incerteza Fazendo-se da mesma forma como no experimento 2, utilizando a Equação 5, temos: u = 1,293 e05 + 2,489e7 + 2,028e4 + 2,028e4 Pci Seguindo a equação, chegamos as seguintes parcelas de incertezas: Água = 1,293e5; Gás = 2,489e7; 22

As duas temperaturas = 2,028e4 cada; Resolvendo a equação: u = 9,74% Pci Logo, para uma confiança de 95% (dois desvios padrões), o PCi do gás foi de: (51,422 ± 5,058 )kj/kg Utilizando a equação de balanço de energia, chegou-se a um resultado de 51,422 kj/kg, com isso o erro a partir do resultado ficou em apenas em 3,65%, o que se mostrou mais satisfatório do que os resultados anteriores, mas a temperatura entre a saída do gás e a ambiente ficou maior do que 10 C. 23

7 DISCUSSÃO A titulo de curiosidade, o calorímetro instrumentado é capaz de medir tanto o PCi (poder calorífico inferior), como o PCs (poder calorífico superior). O PCs é obtido medindo-se a massa de água condensada na saída dos gases de queima, obtendo assim a energia específica dissipada na condensação, somando ao PCi. Nas medições realizadas, foi medido somente o poder calorífico inferior já que a vazão de água condensada era baixa e não tínha-se um medidor específico disponível que conseguisse medir esta vazão. O erro existente no caso desta medição seria grande em função de que nem toda a água condensada desceria pelo tubo e cairia até o recipiente, ficando gotas no tubo e no instrumento, devido a essa mínima vazão da água influenciaria no resultado final da medição. Durante a calibração a principal dificuldade era manter a temperatura da água dentro da garrafa térmica constante, ou pelo menos variando muito pouco dentro do tempo necessário para a aquisição dos dados de resistência dos sensores. Conseguiu-se isso tapando a boca da garrafa térmica com um pedaço de isolante de poliestireno expandido diminuindo a troca de calor da água com o ambiente. Outra dificuldade encontrada, além de fazer o calorímetro trabalhar a frio, foi a medição da vazão do gás. Por ser pouco o gás utilizado o mostrador de consumo quase não variava dando a impressão de que não estava funcionando. Para resolver isso teve-se que estimar a vazão consultando dados em material antigo confeccionado por outros experimentos já realizados. 24

CONCLUSÃO Levando em conta as dificuldades encontradas, obteve-se bons resultados. A dificuldade na medição da vazão mássica de gás, quando se operou o calorímetro da forma indicada, determinou as novas hipóteses e simplificações para o cálculo do PCi. Aumentando a vazão do gás, conseguiu-se medi-la. Porém uma parte considerável de sua energia, que não foi medida, não foi transferida à água e conseqüentemente introduzindo o maior erro no levantamento do Pci do gás. Obteve-se o melhor valor para o Poder calorífico inferior do gás no terceiro experimento, 51,422 ± 5,058 kj/kg. Este valor médio comparado com o obtido no site da Ultragáz (49,613 kj/kg) apresenta uma diferença de 3,65%. Um valor muito bom considerando o erro, já citado, devido a dificuldade na medição da vazão do gás e que o gás comum (GLP) utilizado, é composto basicamente por Metano e Butano e que qualquer variação em sua composição altera o seu PCi deixando assim duvidas se, se comprou valores de gases iguais ou não. Fica agora a sugestão para melhoria do experimento: utilizar um botijão de gás medindo sua massa no começo e no final do experimento para levantamento da vazão do gás. 25

REFERÊNCIAS CTGÁS. Dados e Unidades de Conversão UltraGáz. < http://www.ultragaz.com.br/glp/o_glp/densidade.htm > SCHNEIDER, Paulo Smith. Polígrafo - Notas de Aula 26

ANEXOS 27

ROTEIRO PARA AULA EXPERIMENTAL MEDIÇÃO DO PODER CALORÍFICO INFERIOR DO GLP EM CALORÍMETRO DE GÁS Tamb=20.6ºC Tea=17.1ºC Tsa=24.4ºC Tsg=20.8ºC ma=2l/56s mg=99g/h Tamb=18ºC Tea=16,2ºC Tsa=29ºC Tsg=21,2ºC ma=2l/56s mg=171g/h O calorímetro para gás combustível é um equipamento que se destina a determinar o poder calorífico inferior de gases combustíveis. Esta é uma característica muito importante de um combustível que indica a quantidade de energia liberada por unidade de massa consumida numa combustão. GÁS PRODUTO ÁGUA QUENTE CALORÍMETRO ÁGUA FRIA GÁS COMBUSTÍVEL AR Fig. 1 - Balanço de Energia num volume de controle que envolve o calorímetro. Fazendo-se um balanço de energia no calorímetro temos que a energia que entra no volume de controle que envolve o calorímetro deve ser igual a energia que sai do volume de controle. Isso significa que a energia que entra (com o gás combustível) deve ser igual à energia que sai (entregue à água). Ou seja, E e = E s. Colocando esse balanço em termos de potências temos: m g.pci = m a.c p.(t sa -T ea ) onde, m g = vazão mássica de gás combustível (kg/s), pci = poder calorífico inferior (kj/kg), m a = vazão mássica de água (kg/s), c p = calor específico da água (4,179 kj/kgk), T sa = temperatura de saída da água ( o C) e T ea = temperatura de entrada da água ( o C). Para realizar a medição orientar-se pelos seguintes passos: 1) Dois alunos são necessários para regular a água de refrigeração: um abre moderadamente a torneira enquanto o outro observa o copo de alimentação de água (veja esquema do calorímetro), a fim de que não haja derramamento de água por uma vazão excessiva. A regulagem deve ser tal que cause um pequeno fluxo de água na mangueira de retorno; 2) Abrir o registro do gás do butijão grande; 3) Acender o bico de Bunsen com regulagem pequena de chama e introduzi-lo com cuidado na fornalha; 4) Colocar o Bunsen sobre a base e aumentar a chama; 5) Regular a potência da chama de tal forma que a temperatura de saída dos gases não exceda a temperatura ambiente em mais de dois graus Celsius; 28

6) Colocar o liquinho com cuidado sobre a balança e ligá-la. Anotar na tabela a massa inicial do liquinho ; 7) Obtidas as condições acima mudar a alimentação de gás do Bunsen abrindo a válvula do liquinho e fechando a válvula do butijão. Começar a contar uma hora de ensaio no relógio; 8) Fazer a leitura da temperatura ambiente no termômetro de bulbo seco, ler as temperaturas de entrada da água, saída da água e saída dos gases, nos três termômetros de mercúrio do calorímetro; 9) Medir a vazão de água mudando o fluxo de água para o recipiente através da válvula direcionadora do copo de saída da água do calorímetro (copo da direita). Controlar o tempo para recolher dois litros de água a fim de calcular a vazão mássica de água (kg/s); 10) De quinze em quinze minutos repetir as leituras anotando na tabela; - Obs.: Verificar constantemente por um espelho se a chama não apagou. Se porventura a chama apagar, fechar a válvula de gás do Bunsen e ventilar o calorímetro. Em seguida acender a chama novamente. A ventilação consiste em retirar o Bunsen da câmara de combustão e introduzir o ventilador portátil ligado durante cerca de 15 segundos. Nome: Turma: Data: Massa inicial do liquinho: kg Massa final do liquinho: kg HORA T amb ( o C) T ea ( o C) T sa ( o C) T sg ( o C) m a (kg/s) Legenda: T amb = temperatura ambiente T ea = temperatura de entrada da água T sa = temperatura de saída da água T sg = temperatura de saída dos gases m a = vazão mássica da água Resultado: pci = kj/kg 29

Distribuição da temperatura na câmara de combustão de um calorímetro Procedimento As temperaturas foram medidas em três posições: no centro, na parede e na metade do raio do cilindro da câmara de combustão. Para cada uma dessas posições foram tomadas 33 medidas na direção axial, afastadas de 1cm cada. Foi utilizado um termopar do tipo K para a obtenção dos dados de temperaturas. As medidas foram feitas em duas etapas, sendo a primeira com vazão alta do gás e a segunda com menor vazão. Primeira medição Tamb=18ºC Tea=16,2ºC Tsa=29ºC Tsg=21,2ºC ma=2l/56s mg=171g/h Posição (cm) Parede (ºC) Raio/2 (ºC) Centro (ºC) Raio/2 (ºC) Parede (ºC) 36 551 611 777 611 551 35 533 602 803 602 533 34 517 599 831 599 517 33 546 605 866 605 546 32 533 598 876 598 533 31 521 585 915 585 521 30 535 553 942 553 535 29 531 537 959 537 531 28 533 535 980 535 533 27 513 524 986 524 513 26 477 518 1001 518 477 25 451 526 1012 526 451 24 396 529 1009 529 396 23 368 530 1005 530 368 22 348 514 1010 514 348 21 331 505 1008 505 331 20 305 491 1012 491 305 19 277 476 1018 476 277 18 241 455 1009 455 241 17 211 437 1010 437 211 16 163 410 1007 410 163 15 130 386 1006 386 130 14 104 353 1005 353 104 13 80 324 1005 324 80 12 58 301 1005 301 58 11 51 258 999 258 51 10 46 224 1000 224 46 30

9 42 205 205 42 8 39 187 187 39 7 38 173 173 38 6 37 148 148 37 5 35 138 138 35 4 33 132 132 33 3 33 117 117 33 2 33 111 111 33 1 33 106 106 33 Fig. (1) Distribuição da temperatura na câmara de combustão do calorímetro 31

Segunda medição Tamb=20.6ºC Tea=17.1ºC Tsa=24.4ºC Tsg=20.8ºC ma=2l/56s mg=99g/h Posição (cm) Parede (ºC) Raio/2 (ºC) Centro (ºC) Raio/2 (ºC) Parede (ºC) 36 306 404 478 404 306 35 276 434 492 434 276 34 305 434 499 434 305 33 351 440 502 440 351 32 333 443 513 443 333 31 341 442 545 442 341 30 367 459 583 459 367 29 374 472 614 472 374 28 381 480 627 480 381 27 363 484 662 484 363 26 385 497 696 497 385 25 346 497 720 497 346 24 314 482 747 482 314 23 268 452 739 452 268 22 250 432 788 432 250 21 218 424 731 424 218 20 178 361 715 361 178 19 137 337 665 337 137 18 104 308 637 308 104 17 90 294 641 294 90 16 52 256 705 256 52 15 53 241 730 241 53 14 52 213 741 213 52 13 49 185 782 185 49 12 46 166 778 166 46 11 41 148 770 148 41 10 38 128 722 128 38 9 35 105 105 35 8 33 85 85 33 7 31 77 77 31 6 29 66 66 29 5 27 60 60 27 4 27 59 59 27 3 27 45 45 27 2 27 42 42 27 1 27 39 39 27 32

Fig. (2) Distribuição da temperatura na câmara de combustão do calorímetro 33

Temperaturas medidas no centro do calorímetro Escola de Engenharia ºC Distr. Temp. no Centro I 1000 950 900 850 800 750 0 10 20 30cm ºC Distr. Temp. no Centro I 1020 1015 1010 1005 1000 995 990 0 5 10 15 cm Figs. (1) e (2) Temperaturas ao longo do centro do calorímetro com vazão de gás de 171 g/h. O primeiro gráfico (fig. 1) representa a distribuição de temperaturas medidas no centro do calorímetro. O ponto de partida da medida foi do centro da chama (na base do bico) para cima. Nota-se que no centro da chama a temperatura é mais baixa, aumentando à medida se aproxima do contorno da chama e diminuindo quando o ponto de medida afasta-se da parte externa da chama. O segundo gráfico é a ampliação do lado esquerdo do gráfico 1, com objetivo de melhor visualizar a variação de temperatura dentro do contorno da chama. 34

ºC Distr. Temp. no Centro II 750 650 550 450 0 5 10 15 20 25 30cm ºC 790 780 Distr. Temp. no Centro II 770 760 750 740 730 720 0 2 4 6 cm Figs. (3) e (4) Temperaturas ao longo do centro do calorímetro com vazão de gás de 99 g/h. O gráfico 3 representa a distribuição de temperaturas no centro da chama, partindo também o ponto de medida da base do bico. Neste caso a vazão de gás foi de 99 g/h, menor que a anterior que foi de 191g/h. o gráfico 4 representa, do mesmo modo que o gráfico 2, o lado esquerdo do gráfico 3. 35