UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UMA PONTEIRA DE CHAMINÉ por Diego Severo Antunes Fabio Cavalheiro Oliveira Gustavo Cordenonsi da Fonseca Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Dezembro de 2013
RESUMO Este trabalho tem como objetivo o projeto e a construção de uma ponteira de chaminé que imponha a menor perda de carga, favorecendo a vazão de descarga. Esse tipo de dispositivo é utilizado para melhorar a capacidade de exaustão de churrasqueiras, lareiras, fogões, caldeiras, entre outros. Foi disponibilizada uma bancada experimental composta por um ventilador principal que insufla ar ambiente até uma caixa com resistências elétricas responsáveis pelo aquecimento desse ar, sendo a velocidade e temperatura do experimento controladas pelo operador técnico. Foi colocado um ventilador localizado perpendicularmente na saída da ponteira para simular a influência de um vento atmosférico, dificultando a descarga e aumentando a perda de carga. Como solução a esse problema, foi proposta e construída uma ponteira a partir de uma conexão de PVC do tipo Y com diâmetro de 100 mm. Uma das extremidades foi acoplada no ponto de exaustão do escoamento principal de ar aquecido. A outra extremidade foi utilizada com um bocal para coletar o ar do escoamento transversal, doravante denominado de escoamento secundário. Nessa extremidade de coleta foi utilizado, após o bocal de captação, um estrangulador tipo Venturi, para aumentar a velocidade desse escoamento e causar uma depressão na extremidade de descarga original. Esse princípio gera um efeito de arraste do escoamento principal pelo escoamento secundário, melhorando a vazão do escoamento de descarga da chaminé. Palavras chave: Chaminé; Perda de carga; Ponteira da chaminé; Venturi. ABSTRACT This paper aims to design and build a chimney topper that imposes a lowest loss of load, favoring the discharge volumetric flow rate. This type of device is used to improve the exhaust capacity of grills, fireplaces, stoves, boilers, for instance. A fan pushing ambient air through a box with an electrical resistance that heats the air composes the experimental build of the proposed design. A technical operator controls the velocity and temperature of the air. A second fan located perpendicularly on the chimney topper output was placed to simulate the influence of atmospheric wind, obstructing the discharge and increasing the loss of load. As a solution to this problem a chimney top was design and build from an "Y" type PVC connection with a diameter of 100 mm. One of the ends was coupled at the point of exhaustion of main hot air flow. Another one was used with a nozzle to collect air from the cross flow, hereinafter called secondary flow. At this end of collect a stranglehold Venturi type was used to increase the speed of the flow and cause a depression at the end of the original discharge. This fundamental generates a drag effect of the main flow through secondary flow, improving volumetric flow rate of the chimney discharge. Keywords: Chimney; loss of load; chimney topper; Venturi. 2
SUMÁRIO INTRODUÇÃO... 5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA... 5 Medição de Pressão... 5 Medição de Vazão... 7 Medição de Temperatura... 7 Efeito Venturi... 7 Problema Proposto... 8 TÉCNICAS EXPERIMENTAIS... 8 RESULTADOS EXPERIMENTAIS... 12 Caso I... 12 Caso II... 13 Caso III... 13 Caso IV... 13 Caso V... 13 Caso VI... 13 Comparação entre os Resultados... 13 CONCLUSÕES... 14 BIBLIOGRAFIA... 14 3
Índice de Figuras Figura 1 - Pressão Manométrica e Pressão Absoluta... 5 Figura 2 Representação gráfica das pressões atuantes em uma tubulação.... 6 Figura 3 Utilização esquemática de um manômetro tipo tubo em U para medição de pressões em canalização.... 6 Figura 4 Esquema de montagem da bancada do laboratório para realização do experimento.... 8 Figura 5 - (a) Tubo de PVC no escoamento principal; (b) Tubo de PVC no escoamento secundário.... 9 Figura 6 Acoplamento do bocal.... 9 Figura 7 Ponta da garrafa plástica.... 10 Figura 8 Esquema do Venturi.... 10 Figura 9 Ventilador Principal que impõe o escoamento principal do ar.... 10 Figura 10 Aquecedor do ar do escoamento principal.... 11 Figura 11 Placa de orifício... 11 Figura 12 Extremidade da chaminé.... 12 Figura 13 Ventilador secundário.... 12 4
INTRODUÇÃO Este trabalho foi desenvolvido como parte dos critérios de avaliação para aprovação na disciplina de Medições Térmicas, do Curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Visa direcionar os alunos a estudar determinada área da engenharia e colocar em pratica os conhecimentos adquiridos no decorrer do curso. O tema proposto foi a construção de uma ponteira de chaminé, com a menor perda de carga possível. Chaminé é o tipo de dispositivo colocado na extremidade de descarga de tubulações, com o objetivo de melhorar a dispersão dos gases e das matérias particuladas, provenientes do processo, tais como churrasco, queima de combustíveis, entre outros. A vazão na descarga da tubulação depende da perda de carga do sistema, de forma que a ponteira deve impor a menor perda. Como esses dispositivos são, geralmente, expostos ao ambiente externo, podem ter proteções adicionais contra, por exemplo, o vento atmosférico ou a chuva. Neste trabalho foi elaborado o estudo de um dispositivo, denominado ponteira, o qual atua na vazão com que os gases saem da chaminé. O objetivo desse trabalho foi estudar a influência da perda de carga imposta pela ponteira da chaminé na vazão do sistema de exaustão proposto, visando comparar quatro situações distintas: no primeiro caso o sistema não terá ponteira, sendo adotado como referencial; no segundo caso a ponteira será acoplada à saída do sistema; já no terceiro e quarto caso, será acionado o ventilador auxiliar, provocando um escoamento secundário perpendicular ao escoamento principal, no terceiro caso na posição de zero graus e no quarto caso na posição de 90 graus. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Medição de Pressão A pressão é uma propriedade local do fluido, e para uma situação estática apresenta forte dependência da posição, apesar de não ser dependente da direção. Existe uma pressão denominada absoluta e uma manométrica. A pressão absoluta é a pressão no vácuo, abaixo da pressão atmosférica. Pode-se medir a pressão com um barômetro obtendo-se assim a pressão absoluta local naquele ponto. E a pressão manométrica que é acima da pressão atmosférica, medida em geral com um manômetro. Pode ser visto na Figura 1 a diferença entre as pressões: Figura 1 - Pressão Manométrica e Pressão Absoluta 5
Pelo sistema internacional SI, a unidade de pressão é o Newton por metro quadrado [N/m²], ou pascal [Pa], tal que 1 [N/m²] = 1 [Pa]. A pressão em um escoamento pode ser dividida em três componentes, de acordo com a equação (1). A Figura 2 apresenta graficamente as pressões em uma canalização. Onde: é a pressão total do sistema; é a pressão dinâmica; é a pressão estática; é a pressão potencial; (1) Figura 2 Representação gráfica das pressões atuantes em uma tubulação. Neste experimento foi utilizado um manômetro do tipo tubo em U inclinado e um tubo de Pitot, para medir a variação da pressão estática e a pressão de estagnação na canalização. A Figura 3 apresenta esquematicamente a utilização de um manômetro para medir pressões. Figura 3 Utilização esquemática de um manômetro tipo tubo em U para medição de pressões em canalização. 6
Medição de Vazão Vazão é a terceira grandeza mais medida nos processos industriais, indo desde aplicações simples, como medição de vazão de água em residências, até medições industriais de gases e combustíveis, que exigem maior grau de complexidade. Vazão pode ser definida como sendo a quantidade volumétrica ou mássica de um fluido que escoa através de uma seção por unidade de tempo. A vazão volumétrica é definida como sendo a quantidade em volume que escoa através de uma dada seção em um intervalo de tempo considerado, geralmente em [m³/s]. A vazão volumétrica é dada pela equação 2. Onde: é a vazão volumétrica; u é a velocidade média do escoamento na determinada seção; A é a área da seção transversal do escoamento; (2) Nesse experimento foram realizadas duas medições de vazão. A primeira foi medida a partir de uma placa de orifício instalada na tubulação da bancada, que serve de referência para comparar os valores encontrados em cada trabalho. A segunda medição é de responsabilidade do trabalho, sendo realizada a partir de um tubo de Pitot acoplado a um manômetro tipo tubo em U inclinado. Medição de Temperatura Existem vários meios e instrumentos de medição de temperatura, tais como, termômetros de dilatação de líquido, termômetros à pressão de gás e de vapor, termômetros à dilatação de sólidos, termopares, termorresistores, termistores, pirômetros de radiação, pirômetros ópticos, entre outros. Neste experimento foi utilizado um termorresistor para a medição de temperatura. Efeito Venturi O efeito Venturi, também conhecido como tubo de Venturi, ocorre, em uma seção por onde passa o escoamento. O fluido em movimento constante dentro de um duto uniforme comprime-se momentaneamente ao encontrar uma zona de estreitamento da seção transversal, aumentando a sua pressão dinâmica e consequentemente a sua velocidade. Com isso, ocorre uma diminuição na pressão estática do escoamento após esse estrangulamento. O efeito Venturi é explicado pelo Princípio de Bernoulli e o princípio de continuidade de massa. Se o caudal de um fluido é constante, mas a seção diminui, necessariamente a velocidade aumenta após atravessar esta seção. Pelo teorema da conservação de energia, se a energia cinética aumenta, a energia determinada pelo valor da pressão estática diminui obrigatoriamente. 7
Problema Proposto Neste tópico, é apresentada a metodologia do problema proposto. A Figura 4 apresenta o esquema da bancada desse experimento. Figura 4 Esquema de montagem da bancada do laboratório para realização do experimento. Pela utilização do tubo de Venturi pode ser percebida a criação de uma depressão, ou seja, uma pressão abaixo da pressão atmosférica, na saída do Venturi, em consequência à aceleração do escoamento causada pelo próprio Venturi. Essa pressão negativa, com relação a atmosférica, gera um efeito de sucção sobre o escoamento principal, aumentando sua velocidade e consequentemente suas vazões. A depressão provocada apresenta a melhora da vazão do escoamento principal em função da velocidade no Venturi. Como a velocidade no Venturi sempre deverá ser maior que a velocidade no bocal, pode ser visto que a pressão na saída do Venturi sempre será negativa. Assim, a pressão após o Venturi irá somar uma contribuição para aumentar a velocidade do escoamento principal. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Para construir o experimento, utilizou-se um sistema de captação do vento transversal com um estrangulador tipo Venturi, com a finalidade de acelerar o escoamento transversal, aumentando sua pressão dinâmica, e causando uma depressão na saída do Venturi. Para ampliar a área de captação do ar utilizou-se de um bocal. 8
Optou-se por utilizar um estrangulador tipo Venturi de garrafa plástica de 2 litros pela facilidade de construção e adequada conicidade. O experimento foi montado com os seguintes itens: Tubo de PVC com 100 mm de diâmetro; Joelho de PVC com 100 mm de diâmetro; Um bocal adaptado à saída do duto (cone); Tubo em forma de Y de PVC com 100 mm de diâmetro; Garrafa plástica de 2 litros; Termoressistores; A partir da conexão de PVC tipo Y, foi acoplado um tubo em cada uma das duas extremidades inferiores. A Figura 5 apresenta esse acoplamento. Figura 5 - (a) Tubo de PVC no escoamento principal; (b) Tubo de PVC no escoamento secundário. O joelho foi acoplado ao tubo do escoamento secundário, para direcionar o bocal ao escoamento transversal. A Figura 6 apresenta a montagem do bocal. Figura 6 Acoplamento do bocal. Foi cortada a ponta da garrafa plástica de 2 litros para servir como estrangulador tipo Venturi. A Figura 7 representa o corte realizado na garrafa plástica. 9
Figura 7 Ponta da garrafa plástica. A ponta da garrafa foi colocada dentro do tubo do escoamento secundário, de forma que permanecesse entre a junta Y e o tubo do escoamento principal, conforme pode ser visto na Figura 8 abaixo. Figura 8 Esquema do Venturi. A bancada de testes conta com um ventilador principal com rotação controlável que succiona o ar até uma caixa com resistências elétricas responsáveis pelo aquecimento do ar, apresentadas na Figura 9 e na Figura 10. Figura 9 Ventilador Principal que impõe o escoamento principal do ar. 10
Figura 10 Aquecedor do ar do escoamento principal. Antes da entrada da chaminé há um medidor de vazão por obstrução do tipo placa de orifício. Sendo esse medidor constituído por uma tomada de pressão estática na entrada da placa de orifício e outra tomada de pressão estática na saída dessa placa de orifício. Para mensurar a diferença de pressão imposta pelo medidor, foi utilizado um manômetro de tubo em U inclinado, no qual se lê a diferença entre as pressões, isto é, a perda de carga do medidor. A Figura 11 apresenta a montagem da placa de orifício no sistema. Figura 11 Placa de orifício. A ponteira foi instalada na extremidade da chaminé padrão, onde se encontra também um ventilador secundário simulando ventos externos. Na extremidade da chaminé foi colocado um sensor de temperatura do tipo PT100 para medir a temperatura do ar do escoamento principal. A Figura 12 e a Figura 13 mostram a extremidade da chaminé com o PT100 e o ventilador, respectivamente. 11
Figura 12 Extremidade da chaminé. Figura 13 Ventilador secundário. Durante os testes, foi utilizado um ar comprimido para simular um vento com maior velocidade. Para medir a velocidade do vento, foi usado um anemômetro digital no inicio da extremidade da chaminé padrão e no bocal da ponteira da chaminé. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Para discutir os resultados, foram realizados alguns experimentos, com condições pré-determinadas. Esses testes foram importantes para avaliar a eficiência do dispositivo proposto. As condições utilizadas para essa avaliação não foram as mesmas solicitadas para o dia de apresentação do trabalho. Caso I O caso I é o caso referência onde, tem a bancada pronta para o recebimento da ponteira, mas ela não será acoplada. Esse é o caso que será comparado aos demais, para 12
verificar a eficiência dos demais casos estudados. Nesse caso não foi utilizado o ventilador secundário. Caso II É o caso em que temos o escoamento principal atuando juntamente com o escoamento transversal, mas sem acoplar a ponteira. Caso III É o caso em que temos apenas o escoamento principal atuando, mas com o acoplamento da ponteira. Caso IV É o caso em que temos o escoamento principal e o escoamento secundário atuando sobre a ponteira. Caso V É o caso em que temos o escoamento principal e o escoamento secundário, mas sem o acoplamento da ponteira. Nesse caso, foi utilizado um jato de ar comprimido para simular um escoamento com maior velocidade, pois o ventilador secundário não proporcionou uma velocidade alta o suficiente. Caso VI É o caso em que temos o escoamento principal e o escoamento secundário proporcionado pelo ar comprimido atuando sobre a ponteira. Comparação entre os Resultados A Tabela 1 apresenta os valores da altura manométrica da perda de carga medida em cada caso apresentado, juntamente com a respectiva velocidade do escoamento transversal imposto sobre a descarga da chaminé. Tabela 1 Valores de perda de carga. Caso u_transv. [m/s] h [mm] I 0 2.5 II 2.4 2.75 III 0 3 IV 2.4 3.2 V 5 15 VI 3 Com um anemômetro do tipo turbina foi medido a velocidade do vento secundário transversal (ventilador), no qual foi obtido um valor de velocidade de 2,4 m/s na extremidade da chaminé padrão e no bocal da ponteira da chaminé. O ar comprimido foi medido da mesma forma, obtendo-se 15 m/s. Todos os testes foram comparados com o caso I (sem ponteira e sem vento transversal). No caso II, houve um aumento de 0,25 mm na perda de carga do sistema, o que era esperado, já que há um escoamento transversal agindo na extremidade de descarga. No caso III a variação de altura foi de 0,5 mm, mostrando que a ponteira ocasiona uma perda de carga maior que a do vento transversal. No caso IV a variação de altura 13
foi de 0,7 mm. No caso V a perda de carga foi de 2,5 mm, pois quanto maior a velocidade do vento transversal maior será a perda de carga. No caso VI a variação de altura foi de 0,5 mm comparado ao caso I, mas se comparado ao caso V, que tem a mesma velocidade de vento transversal, observa-se que houve uma diminuição de 2 mm na perda de carga do sistema nessa condição. CONCLUSÕES Conforme os dados ensaiados, pode-se observar que a perda de carga é maior com a ponteira da chaminé mesmo comparado ao caso II (sem ponteira e com vento lateral) demonstrando que para esse tipo de velocidade de saída da extremidade e velocidade do ventilador secundário a ponteira é inadequada. Porem comparando o caso V e o caso VI o teste com a ponteira teve uma perda de carga menor do que sem a ponteira e com vento lateral (nesse caso com ar comprimido), ocasionando uma eficiência melhor para casos onde a velocidade transversal é maior que a velocidade da saída da extremidade. Uma possibilidade de melhoria é fazer um sistema para girar a ponteira conforme a direção do vento, assim o bocal do escoamento secundário transversal ficaria sempre na melhor posição para captação do vento. BIBLIOGRAFIA BEYER, P. O.,2012. Climatização: Ventilação, Aquecimento, Refrigeração e Ar Condicionado, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2012. http://www.if.ufrj.br/~bertu/fis2/hidrodinamica/hidrodin.html. Cassiolato C.,2009. Medição de Vazão: tudo o quê você precisa saber, Controle&Instrumentação Edição 139. INCROPERA, Frank P.; DeWitt; Bergman; Lavine. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. 6ªed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. SMITH SCHNEIDER, P., 2007, Medição de Velocidade e Vazão de Fluidos, Apostila da disciplina de Medições Térmicas, Engenharia Mecânica, UFRGS, Porto Alegre. SMITH SCHNEIDER, P., 2007, Medição de Pressão em Fluidos, Apostila da disciplina de Medições Térmicas, Engenharia Mecânica, UFRGS, Porto Alegre. VIÇOSA MOLLER,S., 2000,Canalizações Tabelas, Ábacos, Diagramas, Apostila da disciplina de Canalizações, Engenharia Mecânica, UFRGS, Porto Alegre. 14