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Departamento de Engenharia Mecânica

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DESENVOLVIMENTO DE UMA BANCADA PARA MEDIÇÃO DE

SPRAYS

Aluna: Aline Wilm Senna Pinto

Orientador: Luís Fernando Figueira da Silva

Departamento de Engenharia Mecânica, PUC-Rio

Introdução

O desenvolvimento sustentável de qualquer sociedade é altamente dependente da

disponibilidade de utilização de energia, em todos os seus aspectos. Segundo a RNC

(Rede Nacional de Combustão), "O processo de combustão é responsável por mais de

85% da energia utilizada pelo homem, sendo estratégico para a economia de todos os

países. A queima de derivados do petróleo, gás natural, (...) corresponde a mais de 80%

da energia utilizada no Brasil" [4].

Para tentar mitigar problemas como intensa emissão de gases do efeito estufa e

geração de poluentes no processo de combustão, é desejado que se obtenha o máximo de

eficiência nestes processos, consumindo-se portanto o mínimo de combustível para uma

dada aplicação. No caso da utilização de combustíveis líquidos, é frequentemente

desejado que estes sejam dispersados em gotículas com o menor tamanho possível para

que a área de contato com o ar aumente. A dispersão de combustíveis líquidos em

gotículas, conhecida como a atomização do combustível, controla a eficiência do

processso de combustão. Os atomizadores, cujo funcionamento gera gotículas

caracterizadas, usualmente, por seu diâmetro, velocidade e distribuição espacial são os

principais responsáveis pelo padrão do spray. Assim, o projeto de um spray está

intrinsecamente ligado à otimização da combustão de um combustível líquido. A

otimização da atomização de combustíveis e caracterização de sprays tem diversas


2

aplicações em setores da indústria, como por exemplo em motores a pistão, turbinas a

gás, caldeiras e fornos industriais. Por isso, de acordo com a RNC, "É de fundamental

importância que a ciência e tecnologia da combustão sejam desenvolvidas pelos setores

acadêmico e industrial".

Assim sendo, este projeto visa a caracterização de sprays líquidos por diagnóstico

laser pelo método da shadowgrafia. Isto requer a obtenção de conhecimentos que vão

além dos conteúdos dados na graduação em engenharia mecânica e, também, uma melhor

compreensão sobre a mecânica dos fluidos aplicada à área de atomização de sprays

líquidos.

Durante o primeiro semestre do projeto, foi realizada a pesquisa bibliográfica sobre

os assuntos relacionados à aplicação de sprays líquidos como (i) o padrão de distribuição

de gotas, (ii) os fatores que influenciam o comportamento do spray e (iii) técnicas de

identificação e análise de gotas por diagnóstico laser. A partir do conhecimento obtido,

foram realizadas análises críticas de resultados de testes que fizeram o uso do método da

shadowgrafia e o projeto de uma nova bancada de testes. A continuidade do trabalho

consiste no projeto e na construção da bancada experimental que poderá ser utilizada para

realizar testes com sprays.

Objetivos

O estudo detalhado dos processos de combustão é, atualmente, um dos principais

focos da pesquisa no Departamento de Engenharia Mecânica da PUC-Rio, onde diversos

estudos experimentais e numéricos vem sendo realizados por estudantes de pós-

graduação. Apesar disso, a caracterização detalhada de sprays por diagnóstico laser ainda

não foi feita adequadamente, sendo este o propósito deste trabalho. Além da

caracterização de sprays, o estudo tem como enfoque principal a caracterização de um


3

processo de atomização de líquidos através de sprays, para que a máxima eficiência de

combustão seja atingida. Para este fim, será desenvolvida uma bancada de testes onde

diferentes tipos de atomizadores poderão ser testados e caracterizados para determinar

sua eficiência. Além disso, o presente projeto visa a aquisição de conhecimentos e melhor

compreensão sobre a mecânica dos fluidos aplicada à área de atomização de sprays

líquidos.

Desenvolvimento Conceitual

Um spray pode ser produzido de diversas maneiras. Através de combinações entre

métodos de atomização e propriedades do meio, é possível obter diferentes padrões de

sprays que podem servir para as mais variadas aplicações, como para motores de

combustão interna onde é preciso um spray de grande abertura angular, alta penetração e

distribuição fina e homogênea de gotículas. Para a melhor compreensão dos parâmetros

que interferem no padrão de sprays e ,também, dos estudos envolvidos na atomização de

fluidos, foi realizada uma pesquisa bibliográfica ( [3] e [9] ), que aborda os principais

pontos descritos a seguir.

Etapas da Atomização

No exato momento em que o jato líquido do atomizador passa pelo orifício de

saída do mesmo, forças externas do meio competem com as forças internas do líquido e

tensões superficiais e, então, se inicia um processo destrutivo do filme líquido formado

neste canal de saída. A atomização primária é aquela cujas perturbações e oscilações no

filme líquido causam sua desintegração em gotas. O processo de quebra destas gotas

formadas é conhecido como atomização secundária e acontece assim que é atingido o

número de Webber crítico, tal como será visto adiante.


4

A Figura 1, retirada de [2], ilustra as etapas de atomização primária e secundária

acima comentadas numa sequência de fotografias de um spray líquido tiradas próximo à

jusante de saída do atomizador:

Tipos de Atomizadores

Dentre os exemplos de atomizadores estudados encontram-se os atomizadores por

pressão, airblast atomizers e ultrasônicos. Estes atomizadores descarregam o líquido de

maneira que a velocidade relativa entre o mesmo e o meio seja grande o suficiente para

garantir que as forças resultantes na superfície do líquido provoquem a atomização.

Os atomizadores por pressão operam, basicamente, pela descarga do líquido à alta

velocidade através de um pequeno orifício, que pode possuir formas e tamanhos

diferentes. Na Figura 2 é possível observar alguns exemplos de atomizadores por pressão.

Como o próprio nome já diz, neste tipo de atomizador há a conversão de pressão em

Figura 1 – Indicação de uma região de um spray líquido onde é possível observar atomização primária ( quebra do filme

líquido ) e secundária ( desintegração das gotículas ), [4].


5

energia cinética através do movimento do fluido entre os componentes dentro do

atomizador. A forma do atomizador induz o aumento da energia cinética e fortalece o

componente tangencial da velocidade, fazendo com que o spray tenha um maior ângulo

de abertura.

Figura 2 – Atomizadores por pressão rotarórios cujos orifícios e ranhuras permitem a melhor

mistura do líquido antes que o mesmo passe pelo orifício de saída. imagens retiradas de [1] e

[7].

Para atomizadores tipo airblast tal como mostrado na figura 3, o líquido é exposto

a um gás à alta velocidade e ambos se misturam antes mesmo de saírem do atomizador.

A energia cinética do ar injetado é aproveitada para criar o filme líquido e,

posteriormente, o destruir em gotículas. Apesar de sua baixa eficiência, este tipo de

atomizador leva a sprays mais finos do que os atomizadores por pressão.

Figura 3 – Esquema de um atomizador tipo airblast simples


6

Os atomizadores ultra-sônicos, que servirão de base aos estudos práticos da

presente pesquisa, fazem uso de aparatos de altas frequências que produzem pequenos

comprimentos de onda no líquido e, consequentemente, boa atomização. Diferentemente

de atomizadores convencionais que dependem de pressão e alta velocidade para gerar a

desintegração do fluido em gotículas, os ultra-sônicos fazem uso apenas de energia

ultrasônica de vibração para gerar um spray fino e de baixa velocidade. Com isso, a vazão

de líquido é menor, resultando em menores taxas de queima de combustível e emissão de

poluentes consequente deste processo. Tipicamente, quanto maior for a frequência, menor

é o diâmetro médio das gotas do spray. A vazão de líquido na saída de atomizadores

ultrasônicos é capaz de atingir valores extremamente baixos, como 2 𝜇l/s.

Fatores que influenciam a atomização

Tamanho e velocidade de gota são os principais parâmetros que caracterizam um

spray, sendo estes influenciados pela configuração geométrica do atomizador e

propriedades dos fluidos em questão. As propriedades de fluido que interferem na eficácia

do processo de desintegração das gotas são a viscosidade, densidade e tensão superficial.

Tais propriedades determinam o comportamento da gota no processo de atomização. A

tensão superficial da gota tende a mantê-la esférica, se opondo às forças internas e

externas que a levam à sua quebra. Por sua vez a viscosidade do líquido é uma de suas

propriedades mais importantes pois afeta diretamente na distribuição de diâmetro de gota

no spray, vazão e padrão do mesmo.

Para cada tipo de atomizador há diferentes combinações de dimensionamento,

como por exemplo a razão entre comprimento e diâmetro da câmara de tranquilização,

mostrados na figura 4, que idealmente não pode ultrapassar o valor de 2.75.


7

Figura 4 – Esquema da câmara de tranquilização de um atomizador simples de um orifício de

saída.

Atomizadores de grande porte tendem a produzir uma atomização de pior

qualidade. A relação entre o diâmetro do orifício de saída do atomizador (𝑑0) e SMD,

que é um diâmetro médio característico do spray é:

𝑆𝑀𝐷 𝛼 𝑑00.5

. (1)

Propriedades do meio também interferem na qualidade da atomização; e

destacam-se por suas influências: a viscosidade, a pressão e a temperatura.

Parâmetros de Caracterização

SMD – Sauter Mean Diameter

O diâmetro médio de Sauter é uma medida do tamanho das gotículas de um spray.

É difinido como o diâmetro de uma esfera que possui a mesma razão de volume por área

superficial de todo o spray.

Comprimento

Diâmetro


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Número de Weber (We)

Razão entre forças inerciais e forças de tensão superficial. O número de Weber é

dfinido como 𝑊𝑒 =𝜌𝑣2L

𝜎, onde 𝜌 é a densidade do fluido, v é a velocidade, L é o

comprimento característico do escoamento e 𝜎 é a tensão superficial do fluido. Quando

ultrapassado um valor crítico de Weber, uma gota tende a se dividir em duas ou três novas

gotículas.

𝑊𝑒𝑐𝑟𝑖𝑡 =1+(𝜇𝐿í𝑞 𝜇𝑀𝑒𝑖𝑜

⁄ )

1+(19 16⁄ )(𝜇𝐿í𝑞 𝜇𝑀𝑒𝑖𝑜⁄ )

. (2)

Onde a razão (𝜇𝐿í𝑞 𝜇𝑀𝑒𝑖𝑜⁄ ) representa a relação entre as viscosidades do líquido a

ser atomizado e do meio.

Número do escoamento (FN)

Utilizado para atomizadores por pressão, o número do escoamento representa a

área efetiva de escoamento, e relaciona a vazão no orifício de saída (Q) com o diferencial

de pressão presente entre o canal de saída do fluido e o meio (∆𝑃𝐿),

𝐹𝑁 = 𝑄

(∆𝑃𝐿)0.5. (3)

Quanto menor for o número do escoamento (FN), pior é a qualidade da

atomização pois não há pressão suficiente que proporcione a energia necessária para o

fino colapso do filme líquido.


9

Coeficiente de descarga (Cd)

Também utilizado para caracterizar atomizadores por pressão, o coeficiente de

descarga é governado pelas perdas de pressão nas passagens do atomizador. A

configuração geométrica, diferencial de pressão, a cavitação na saída do atomizador, o

número de Reynolds do escoamento e propriedades do meio como sua densidade e

viscosidade interferem no coeficiente de descarga do atomizador. O coeficiente de

descarga, que deve ser o maior possível para proporcionar um spray de boa qualidade,

pode ser estimado como

𝐶𝐷 = [(1−𝑋)3

1+𝑋]

0.5

, (4)

onde X é a razão entre as seções transversais do atomizador e do orifício de saída do

fluido, representadas na Figura 5.

Figura 5 – Representação dos diâmetros utilizados como parâmetro para o cálculo do

coeficiente de descarga.

Ângulo de cone, penetração e padrão circunferencial

O ângulo de cone é o ângulo de abertura do spray cujo valor de projeto depende

da aplicação sendo considerada. Para motores de combustão interna por exemplo, o

Diâmetro do atomizador

Diâmetro do orifício de saída


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ângulo de cone exerce grande influência no desempenho do sistema de ignição e emissão

de poluentes como hidrocarbonetos e fumaça. Por sua vez, a penetração é a máxima

distância atingida para um spray em ar estagnado, ou seja: até onde as gotas se dividem

em outras menores.

O padrão circunferencial de um spray é equivalente à simetria do mesmo. Para

aplicações de combustão por exemplo, procura-se boa simetria pois a máxima eficácia do

processo de atomização usualmente leva à baixa emissão de poluentes. O ângulo de cone,

a penetração e o padrão circunferencial de sprays não podem ser caracterizados por

simples inspeção visual, e precisa-se de equipamentos específicos para realizar estas

medidas.

Distribuição de diâmetro de gotas e diâmetros de referência

A distribuição de diâmetro de gota de um spray é dependente dos fatores citados

acima e, geralmente, os gráficos característicos deste tipo de medição são semelhantes

aos da figura 6 abaixo, retirada de [5]. O histograma de distribuição de gotas é uma

representação estatística gráfica na qual dados experimentais são agrupados em classes

de intervalo de tamanho de gota (eixo das abscissas) vs. a porcentagem da frequência

destes intervalos.

A análise do diâmetro das gotas de um spray é de extrema importância para sua

caracterização e diz muito a respeito sobre sua qualidade e possíveis aplicações para o

mesmo. Expressões empíricas são usadas para aproximar a descrição da distribuição de

tamanho de gota do spray. A expressão mais utilizada para este fim é a de Rosin-Ramler:

1 − 𝑀 = 𝑒−(

𝐷

𝑋)

𝑞

, (5)


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onde M é a fração de volume contido em gota de diâmetro menor que D e q e X são

valores constantes que descrevem a uniformidade do spray.

Figura 6 – Histograma de distribuição de gotas (à direita) e imagens das gotas (à

esquerda) obtidas através do método de shadowgrafia utilizadas para a análise do spray, [ 5].

Além da distribuição de gotas é usual, também, sua classificação em diâmetros de

referência, como SMD e MMD. Gotas SMD são aquelas cuja razão do volume pela área

superficial é a mesma do que aquela da amostra inteira. Já as MMD são as gotas cujo 50%

do volume total de líquido está em gotas de menor diâmetro.

Coeficiente de velocidade (Kv)

O coeficiente de velocidade é uma relação entre velocidade de descarga real e o

máximo teórico, dado por:

𝐾𝑉 =𝑈

(2∆𝑃𝐿 𝜌𝐿⁄ )0.5, (6)

onde U é a velocidade de descarga real, ∆𝑃𝐿 é o diferencial de pressão presente entre o

canal de saída do fluido e o meio e 𝜌𝐿 é a densidade do líquido. O coeficiente de

velocidade também pode ser determinado pela relação empírica:


12

𝐾𝑉 = 0.0036 𝐾0.29 (∆𝑃𝐿𝜌𝐿

𝜇𝐿)

0.2

. (7)

Na expressão acima, K é uma constante do atomizador dada pela razão entre a

área das seções de entrada de combustível na câmara e a multiplicação dos diâmetros do

orifício de descarga e da câmara do atomizador. O coeficiente de velocidade permite

determinar a velocidade do líquido no orifício de saída do atomizador, não podendo ser

medida diretamente.

Número de Reynolds (Re)

O número de Reynolds não é um parâmetro de direta caracterização de um spray,

porém este valor adimensional é muito importante para a compreensão do estado de um

escoamento (laminar ou turbulento). O número de Reynolds define o regime de

escoamento de um determinado fluido e é dado pela razão entre forças de inércia e

viscosas, também podendo ser representado por:

𝑅𝑒 =𝜌𝑣𝐷

𝜇, (8)

Sendo 𝑣, 𝜇 e 𝜌 a velocidade, viscosidade dinâmica e a densidade do fluido

respectivamente e D o comprimento característico do escoamento.

Método de Captura de Imagens de Gotas - Shadowgrafia

Há basicamente três tipos de medição de diâmetro de gotas existentes: por meios

mecânicos, elétricos ou ópticos. Cada um deles possui suas peculiaridades de calibração


13

e capacidade de obtenção de determinados parâmetros de um spray. Os instrumentos e

métodos de medição devem idealmente serem projetados de forma a:

Não causar distúrbios no processo de atomização;

Serem capazes de identificar corpos com tamanho na ordem de grandeza de 𝜇𝑚;

Suportarem variações nas propriedades do meio e do líquido;

Calcularem de forma rápida e eficiente os parâmetros de interesse.

Todos os métodos de medição de gotas são suscetíveis a erros, sendo os mais

comuns aqueles associados à imprecisão dos instrumentos. Os métodos ópticos de

medição de gotas são os mais utilizados pelo fato de serem de custo reduzido e ainda

oferecerem boa exatidão nos resultados.

A shadowgrafia (método de obtenção de imagens desta pequisa) é um método

óptico que não interfere no desenvolvimento do spray e minimiza os efeitos da

evaporação de gotas.

Na figura 7, é possível observar um esquema dos instrumentos e suas respectivas

posições para a técnica em descrição. Esta figura foi adaptada de [6].

Figura 7 – Disposição de equipamentos no método de shadowgrafia .


14

Este método consiste basicamente na fotografia das sombras produzidas pelas gotas

utilizando um pulso de luminoso que, em seguida, será analisada por um software

automático de reconhecimento de imagens. Empregando-se uma câmera de alta

velocidade, é possível observar o comportamento de gotículas. Através da shadowdrafia,

imagens de alta resolução das gotículas em análise são obtidas, permitindo a medição de

tamanho de gota e distribuição espacial e de velocidades. A maior vantagem deste método

em relação a outros, como PIV (Particle Image Velocimetry) e LDV (Laser Doppler

Velocimetry), é que não há reflexão de luz nas gotículas que prejudicam e dificultam a

análise das imagens.

Os erros associados a este tipo de técnica estão totalmente voltados a problemas

ópticos, calibração de equipamentos e aproximações feitas pelo software utilizado para

verificação de parâmetros característicos do spray. Para o método óptico que será

utilizado no desenvolvimento da bancada experimental deste projeto (Shadowgrafia), os

erros mais comuns são devidos a:

Planos focais adequados para diferenciação de gotas;

Tamanho da amostra a ser analisada, que pode conter dados incompletos de gotas

e consequentemente alterar a caracterização do spray como um todo;

Evaporação, saturação e coalescência das gotas;

Variação do diâmetro das gotas dentro de uma mesma amostra;

Sobreposição de gotas de diferentes profundidades não identificadas na imagem

coletada.


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Metodologia

A metodologia da pesquisa envolve a combinação de um atomizador, de

instrumentos ópticos de medição de gotículas e de estruturas de apoio da bancada. A

bancada foi projetada de modo a acomodar elementos essenciais para o estudo do spray,

tais como um suporte para o atomizador, sistema óptico para medição de parâmetros e

equipamentos de medição de vazão e pressão associados.

O atomizador selecionado para este projeto é do tipo ultra-sônico, modelo Sono-

Tek 8700-48Hz. Este tipo de atomizador gera gotículas de tamanho manipulável e

uniforme, pois é controlado por ondas sonoras de alta frequência facilitando assim a

interpretação das imagens que serão obtidas.

Além do atomizador também serão utilizados uma câmera CCD, um microscópio

de longa distância, um difusor de feixe laser e um laser de duplo pulso, [8]. Para as peças

estruturais da bancada serão utilizados perfis moldados de alumínio e uma mesa com 3

graus de liberdade. A disposição dos intrumentos deve ser feita de maneira que o spray

situe-se entre o difusor e o microscópio acoplado à câmera, que deve ficar do lado oposto

à fonte emissora de pulsos laser, para que a câmera obtenha uma imagem com alto

contraste. Os pontos mais escuros da imagem correspondem às sombras das gotas contra

um fundo homogeneamente iluminado. O volume efetivo de captura óptica é aquele

situado no plano de foco do arranjo entre as lentes. A localização deste volume pode ser

modificada utilizando-se o estágio de deslocamento.

O processo de medição utilizado envolve diagnóstico laser, por um processo

óptico de obtenção de imagens chamado Shadowgrafia. Esse método é uma técnica não

intrusiva que captura as imagens das sombras de partículas com alta resolução espacial,

através de uma iluminação pulsada traseira [2].


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O processo de medição consiste, brevemente, em: Feixes laser são emitidos com

duplo pulso, e o difusor é responsável por expandir o feixe, de modo a criar uma

iluminação homogênea para a área de análise. Assim, quando o spray é borrifado, a

câmera captura imagens com pontos e manchas mais escuras que o fundo, apresentando

estas alta probabilidade de representarem uma gotícula. Erros associados à leitura das

imagens são corriqueiros e, geralmente, estão ligados à difícil identificação das bordas

das gotas.

Após o processo óptico de obtenção de imagens, um software de análise de

imagens chamado "DaVis - ParticleMaster Shadow - LaVision" é utilizado. O algoritmo

deste software processa imagens e determina simultaneamente o valor do diâmetro,

velocidade e distribuição espacial das gotas do spray, dadas as imagens obtidas pela

Shadowgrafia.

Processamento de imagens

O processamento de imagens obtidas por shadowgrafia é feito através do software

“DaVis – ParticleMaster Shadow”, que discretiza as gotículas capturadas nas imagens na

forma de pixels. A principal fonte de erro do método de shadowgrafia está diretamente

ligada a esta discretização, uma vez que a resolução das imagens é limitada, o que gera

incertezas a respeito dos contornos identificados.

Calibração e fundo de escala

A calibração dos instrumentos ópticos utilizados no método de shadowgrafia é de

extrema importância pois são eles os responsáveis pela qualidade dos resultados gerados.


17

Para o ajuste do plano focal da câmera e consequente melhor nitidez das imagens,

correções manuais da disposição do posicionamento dos equipamentos devem ser feitas.

Para o presente experimento, o método de ajuste de profundidade focal utilizado se dá

por uma lâmina que contém imagens circulares padronizadas em diferentes escalas de

valores conhecidos, como observado na figura 8. Note que o foco e identificação das

imagens é somente aceitável numa restrita faixa de posicionamento dos equipamentos. A

distância entre o microscópio disponível para o experimento e o plano focal, que passa

pelo eixo de simetria do atomizador, é de 86mm, [2].

Figura 8 – Padrões circulares impressos numa lâmina transparente. De cima para baixo, da

esquerda para a direita estão as imagens capturadas em diferentes planos focais formados pela

disposição dos equipamentos. Nas primeiras duas figuras a região de foco de aproxima da

lâmina e nas últimas 3 imagens, se afasta, [2].


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Para a definição da resolução e precisão do processamento, uma lâmina com uma

régua micrométrica é colocada exatamente no plano de simetria do atomizador e através

do software auxiliar, a calibração dimensional do experimento que gera a equivalência

métrica do tamanho de cada pixel é feita. A lâmina com a régua de calibração a ser usada

no experimento pode ser observada na figura 9.

Figura 9 – Régua micrométrica para calibração dimensional, [2].

Identificação das gotículas

O algoritmo de identificação das gotas pelo software é feito em 4 etapas: pré-

processamento das imagens, calibração, identificação de gotículas e cálculos geométricos

para a definição quantitativa de parâmetros como velocidade e tamanho de gota. A

detecção de gotas é controlada basicamente pelos níveis de intensidade da cor cinza, que

varia de cinza claro (fundo) para cinza escuro (centro da gotícula). O principal parâmetro

que controla a interpretação do software a respeito das variações dos níveis de cinza é o

limiar global, limite mínimo de intensidade definido para validar a presença de uma gota.

Diferentes valores para o limiar global foram definidos para notar a sensibilidade

do programa aos contrastes da imagem. Quanto maior for o limiar global, com menos

sensibilidade a imagem será analisada, podendo prejudicar a confiabilidade dos

resultados. Note na figura 10 que as gotículas de menor diâmetro geralmente são as


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primeiras a serem desprezadas, pelo fato de que é estatisticamente mais difícil delas

estarem dentro da zona focal do que as gotículas maiores.

Figura 10 – Diferentes imagens de reconhecimento do software para dois valores distindos do

limiar global. Na imagem da esquerda, o limiar global foi definido em 10% e na da direita, 90%, [2].

Além do limiar global, também pode-se controlar a sensibilidade do programa

através da centricidade das gotas. Este parâmetro é capaz de distinguir ligamentos e

objetos não identificados de gotas, que tendem a manter sempre uma forma esférica.

Através da figura 11 note que quanto maior for o limite de centricidade aceitável, menos

gotas são identificadas: Apesar deste parâmetro eliminar o processamento de formas não

esféricas (gotas), ele pode ser prejudicial a à análise pois gotículas sobrepostas e com um

mínino de não-simetria são descartadas.

Figura 11 – Diferentes imagens de reconhecimento do software para dois valores distindos de mínima

centricidade. Na imagem da esquerda, a centricidade mínima aceita foi definida em 90% e na da direita,

10%, [2].


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Resultados esperados

Nesta seção são brevemente discutidos os principais tipos de resultado obtidos com

a técnica de Shadowgrafia. Através dos ajustes feitos no software e definindo o limiar

global em 1.5% e nível mínimo de centricidade em 50%, como em [2], o software fornece

resultados da escolha do usuário, porém as mais importantes para se definir as

características de um spray são: Curva discretizada de centricidade (figura 12) e o

histograma de tamanho de gota (figura 13).

Figura 12 – Centricidade discreta das gotas, classificadas pelos seus diâmetros, [2].

Figura 13 – Histograma de diâmetro de gotas com curva cumulativa de número de amostras, [2].


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Note que o gráfico de centricidade fornece resultados coerentes, uma vez que as

gotas de menor diâmetro são aquelas que de maior centricidade e as maiores são as mais

instáveis, podendo ser até mesmo interpretadas como ligamentos. O histograma de

tamanho de gota mostra a percentagem de gotículas de cada diâmetro. O tamanho da gota

é um parâmetro de extrema importância para a qualificação do spray: sprays mais finos

ou seja, cuja maioria das gotas são de diâmetro pequeno, são de melhor qualidade. A

dispersão do tamanho das gotas também define se o spray é homogêneo ou não.

Bancada experimental

O projeto da bancada experimental foi esquematizado de maneira a acomodar

todos os equipamentos necessários para realizar o experimento pela técnica de

shadowgrafia. O diferencial do projeto em relação ao trabalho precedente, [2], se dá pela

direção na qual o spray é borrifado, isto é, de cima para baixo. Isto visa minimizar efeitos

secundários que podem eventualmente ser prejudiciais à precisão dos resultados, tais

como gotas duplamente contadas por estarem sujeitas à ação da gravidade. O atomizador

selecionado foi do tipo ultrasônico pois este gera um spray fino e homogêneo. Além disso,

a bancada possui 3 graus de liberdade, sendo apenas equipamentos-chave sujeitos à tais

deslocamentos, conforme mostrado na tabela 1.

Tabela 1 – Graus de liberdade da bancada e equipamentos associados a cada deslocamento.

Direção Equipamento (s)

X Câmera CCD e microscópio

Y Câmera CCD & microscópio e Laser & difusor

Z Atomizador


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Projeto da bancada

Utilizando-se o software SolidWorks 2014, a bancada experimental foi

desenhada. Como descrito na etapa da metodologia do projeto, a bancada acomoda os

principais equipamentos para a técnica da shadowgrafia ordenados como pode-se

observar nas figuras 14 e 15. Note que a estrutura principal da bancada é feita de perfis

de alumínio, que proporciona maior estabilidade e integridade à bancada. A mesa de

elevação ilustrada na figura 15 serve para ajustar o posicionamento do volume amostral

a ser analisado.

Figura 14 – Vista global do projeto da bancada.

Figura 15 – Ilustração do posicionamento dos equipamentos e como devem ser presos à estrutura externa

da bancada. Da esquerda para a direita: Câmera CCD, microscópio, atomizador & gerador de funções,

difusor e laser.


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Na figura 16 estão ilustrados os dois módulos principais da bancada, um com a

câmera e o microscópio e o outro com o laser e o difusor. Estes equipamentos estão

apoiados em trilhos de movimento uniaxial para se realizar a calibração focal dos

mesmos.

Figura 16 – Laser e microscópio acoplados à esquerda e laser e difusor acoplados à direita. A figura

mostra também como os equipamentos são presos.

Aparatos da bancada

Na tabela 2 constam os equipamentos necessários à montagem da bancada

experimental projetada, a especificação de cada produto e sua disponibilidade no

laboratório.


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Tabela 2 – Lista de equipamentos necessários para a montagem da bancada experimental para testes

realizados através da shadowgrafia.

Equipamento Quantidade Especificação Disponibilidade

no laboratório

Perfil Bosch 8 45 x 45 x 1735 mm Sim



Perfil Bosch 8 45 x 45 x 500 mm Não



Trilho 1 Velmex A2515P10-S2.5 Não

Trilho 1 Velmex A4012P40-S4 Não

Trilho 2 Linos FLS 95 500 M Sim

Trilho 2 Proff LMA 05/97 Sim

Conjunto de Suporte 4 Linos 14 80 M & Linos X 95 B-30 Sim

Laser 1 Bombeamento Nd YAG Sim

Câmera CCD 1 Imager intense - LaVision VC120246 Sim

Difusor 1 LaVision Sim

Atomizador Ultra-Sônico 1 Sono-Tek 8700-48 Não

Microscópio de Longa

Distância 1 Navitar 12x zoom Sim

Gerador de funções 1 Sono-Tek Free-Standing Generator Não

Lâmina de calibração 1 TED PELLA n° 2280-13 Sim

Lâmina de calibração 1 DOF Target Sim


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Conclusões

Até o presente momento foram concluídas as etapas que consistem (i) na pesquisa

bibliográfica, que visou uma melhor compreensão teórica sobre sprays atomizadores, (ii)

no projeto de uma bancadada experimental, (iii) no manuseio de um software que serve

de ferramenta para a análise crítica de imagens da Shadowgrafia. A análise das imagens

foi baseada nos conhecimentos obtidos na preparação feita durante o primeiro semestre

da pesquisa. Os próximos passos incluem (1) a aquisição dos equipamentos, (2)

montagem do projeto, (3) manuseio de instrumentos para medição de sprays e (4)

realização de testes na nova bancada. Tais testes devem comprovar o estudo teórico

realizado e apresentar melhorias em relação ao trabalho precedente, [2], na obtenção e

leitura de imagens em relação à nitidez das mesmas e homogeneidade das gotas.

Através de uma análise de imagens obtidas por shadowgrafia será possível

descrever o comportamento de sprays atomizadores. Essas análises permitirão a

observação das mudanças causadas pela manipulação da maneira como o spray é

formado. Dentre os parâmetros de controle, os principais são: a frequência do atomizador

ultrasônico, o diâmetro do orifício de saída do líquido e a vazão do fluido. Espera-se obter

a combinação ideal de parâmetros para o aumento de eficiência em processos de

combustão.

Este trabalho será interrompido por força da partida da bolsista para um

intercâmbio de 1 ano na Universidade de Minnesota (EUA).


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Referências

[1] LEFEBVRE, ARTHUR HENRY. Atomization and Sprays. Combustion: An International

Series. Edwards Brothers, 1989.

[2] CRUZ VILLANUEVA, JUAN JOSÉ. Estudo experimental da combustão turbulenta de sprays

de etanol usando plif-oh, piv e shadowgraphy. PUC-Rio, 2013.

[3] SCHLICHTING, HERMANN. Boundary-layer theory. New York: McGraw-Hill, Inc. c1979. 8th

rev. and enl. ed.

[4] Rede nacional de combustão. http://redenacionaldecombustao.org, acessado em Dezembro 2013.

[5] Journal of Materials Chemistry, 2012. http://pubs.rsc.org, acessado em Fevereiro 2014.

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desenvolvimento de uma bancada para mediÇÃo de … · garantir que as forças resultantes na...

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