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EDUARDO ANDRÉ STÜRMER DAL CASTEL GUSTAVO ZENI

LIU YESUKAI DE BARROS

PROJETO DE PONTEIRA DE CHAMINÉ VISANDO O GANHO DE VAZÃO VOLUMÉTRICA

Prof. Paulo Smith Schneider

Porto Alegre 2013

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Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Escola de Engenharia

Departamento de Engenharia Mecânica

EDUARDO ANDRÉ STÜRMER DAL CASTEL GUSTAVO ZENI

LIU YESUKAI DE BARROS

PROJETO DE PONTEIRA DE CHAMINÉ VISANDO O GANHO DE VAZÃO VOLUMÉTRICA

Prof. Paulo Smith Schneider

Porto Alegre

2013

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RESUMO Este trabalho tem como finalidade projetar, testar e analisar o desempenho de uma ponteira de chaminé proposta para melhorar o escoamento de ar na mesma. Os testes são realizados em uma bancada com vazão de ar pré-definida, e com um escoamento de ar lateral imposto em determinado momento do ensaio, visando simular a presença de vento em uma chaminé real. Através de instrumentos de medição, são obtidos valores de temperatura e vazão de ar na chaminé. A utilização da ponteira mostra-se eficiente, aumentando a velocidade média de ar de 10 m/s para 11m/s, e consequentemente melhorando a vazão volumétrica. A aplicação do vento lateral não apresenta diferenças significativas na de vazão principal. PALAVRAS-CHAVE: Ponteira de chaminé, Instrumentos de medição, Vazão, Temperatura

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ABSTRACT

This work aims to design, test and analyze the performance of a proposed chimney chape to improvide the flow of air. The tests will be realized on a bench with a pre-defined air flow, and with a side air flow in a given moment of the test to simulating the presence of wind in a real chimney. With measuring instruments, values of temperature and air flow will be obtained. The use of the chape shows efficient, increasing the air velocity of 10 m/s to 11m/s, improving the volumetric flow rate. The application of the side air flow shows no significant differences in the main flow.

KEYWORDS: Chimney chape, Flow, Temperature

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Tubo de Pitot............................................................................................................7 Figura 2 - Detalhe do tubo em U..............................................................................................8 Figura 3 - Esquema da bancada..............................................................................................11 Figura 4 - Modelo da ponteira feito no software SolidWorks................................................12 Figura 5 – Ponteira real...........................................................................................................12 Figura 6 – Vista em corte........................................................................................................13

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Disposição dos pontos de medição (Dalmée)..........................................................9

Tabela 2 - Propriedades do Ar à Pressão Atmosférica............................................................10

Tabela 3 – Termopar tipo K....................................................................................................14

Tabela 4 - Velocidades calculadas..........................................................................................15

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SUMÁRIO

RESUMO 3

ABSTRACT 4

LISTA DE FIGURAS 5

LISTA DE TABELAS 6

1 INTRODUÇÃO 7

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 7

2.1 Velocidade média 7

2.2 Vazão volumétrica 9

2.3 Vazão mássica 9

2.4 Termopar 10

3 EXPERIMENTO 10

3.1 Bancada Experimental 10

2.3 Ponteira 11

4 RESULTADOS 14

4.1 Cálculo da temperatura 14

4.2 Cálculo da velocidade média 14

4.3 Cálculo da vazão volumétrica 15

4.4 Cálculo da vazão mássica 16

5 CONCLUSÃO 16

6 REFERÊNCIAS 16

7

1. INTRODUÇÃO

O escoamento de ar em dutos é um importante tema a ser estudado, pois um aumento de vazão volumétrica causado exclusivamente pela mudança da geometria da saída do duto pode significar uma economia energética, dispensando a utilização de sistemas de exaustão. Este trabalho visa a melhoria do escoamento em uma chaminé simulada. Para tanto, deve-se criar uma ponteira que será instalada em um tubo que simula a saída de uma chaminé, por onde haverá um escoamento de ar aquecido forçado, havendo também um escoamento lateral que irá simular a atuação do vento em uma chaminé real. Serão efetuadas então as medições de vazão mássica e temperatura na ponteira da chaminé proposta.

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1. Velocidade média O tubo de Pitot é um instrumento utilizado para medir velocidades de fluidos. O tubo de Pitot em si mede a pressão de estagnação (ou total) e estática do escoamento.

Figura 1 – Tubo de Pitot (Fonte: Schneider, 2003)

A pressão dinâmica será a diferença entre estas duas pressões conforme a equação a

seguir:

PestPestagPdin −=

Através da equação de Bernoulli (Fox et al, 2008):

ctegzVp

=++2

2

ρ

Analisando o tubo em U:

8

Figura 2 – Detalhe do tubo em U

A equação de Bernoulli resulta:

2

222

1

211

22gz

Vpgz

Vp++=++

ρρ

Onde no ponto 1, existe apenas a pressão estática, e no ponto 2, há a atuação da pressão

de estagnação. Lembrando que PestPestagpdin −=

zgV

pdin água

ar

ar ∆== ρρ2

2

Então a velocidade do ar será dada por

ar

água

ar

zgV

ρ

ρ ∆=

2

O tubo de Pitot mede a velocidade em um determinado ponto do escoamento. Segundo Delmée (1983), a adequação da velocidade média pode ser obtida através da medição da velocidade em diferentes raios em um mesmo plano através da equação

∑=n

iim wVV1

Onde iV são os diferentes valores de velocidade para cada ponto medido e iw são os

pesos, encontrados na tabela a seguir (tabela 1). Também deve-se escolher algum dos métodos apresentados.

9

Tabela 1 – Disposição dos pontos de medição por amostragem de acordo com 4 métodos de medição (x coordenada adimensional para tubos de seção retangular, r coordenada adimensional para tubos de seção circular, w fator de peso) [Fonte: DELMÉE, 1983].

2.2. Vazão volumétrica

Com a velocidade média, é possível calcular a vazão volumétrica pelo produto da

velocidade média com a área da seção transversal:

AVV m=.

2.3. Vazão mássica A vazão mássica pode ser obtida através do produto da vazão volumétrica pela massa específica

ρ..

Vm = Onde ρ é a massa específica do ar, que depende de sua temperatura.

10

Tabela 2 – Propriedades do Ar à Pressão Atmosférica (Fox et al, 2008).

2.4. Termopar

Os termopares são um tipo de instrumento utilizado para medir temperatura. Seu funcionamento consiste em dois condudores com propriedades distintas, que são unidos em uma das extremidades. Quando esta união é aquecida, uma tensão é gerada na outra extremidade, podendo então se obter o valor da temperatura da união através de tabelas que relacionam temperatura e tensão elétrica. 3. EXPERIMENTO 3.1. Bancada experimental

A ponteira proposta foi fixada na extremidade da bancada experimental proposta para este trabalho. A bancada consiste em um tubo por onde escoará ar forçado em seu interior devido a um ventilador principal. O ar então foi aquecido através de um banco de resistores, sendo então direcionado para um duto vertical de 100 mm de diâmetro, no qual a ponteira foi acoplada.

Houve também um escoamento externo transversal à ponteira causado por um segundo ventilador, simulando assim a ação do vento em um caso real.

O esquema da bancada está representado na figura abaixo:

11

Figura 3 – Esquema da bancada (Fonte: UFRGS, Edital de Trabalho de medições térmicas 2013-2 - http://143.54.70.55/medterm/index.html)

Paralelamente aos valores de vazão e temperatura medidos pelo professor, cada grupo

deve efetuar suas próprias medições para fim de compará-las ao final do experimento. 3.2. Ponteira

A geometria da ponteira proposta originalmente foi modelada no Software SolidWorks, e está apresentada a seguir:

12

Figura 4 – Modelo da ponteira feito no software SolidWorks

Após a confecção da ponteira, obteve-se o seguinte protótipo:

Figura 5– Ponteira real

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Figura 6 – Vista em corte da ponteira Na ponteira proposta, optou-se por criar uma geometria axissimétrica, visto que haverá

um escoamento de ar lateral, podendo o mesmo ter qualquer direção. Com a simetria proposta, a direção deste escoamento lateral não influenciará na vazão volumétrica.

Tentou-se melhorar o escoamento de ar do tubo através de um bocal divergente (seção da superfície em vermelho na figura 6), o que ajudaria a evitar o descolamento da camada limite na saída de ar e consequentemente evitaria uma perda de carga. Esta perda de carga por sua vez poderia causar a redução da vazão volumétrica.

Também foi utilizada uma superfície (seção da superfície em verde na figura 6) com o intuito de redirecionar o ar lateral, ocasionando um aumento da velocidade do ar na saída do tubo devido à iteração entre o ar lateral e o ar proveniente da chaminé (tubo).

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4. RESULTADOS: 4.1. Cálculo da temperatura

O termopar utilizado no experimento para medir a temperatura de saída do escoamento foi do tipo K, onde o limite de erro segundo o fabricante é de ± 2,2ºC ou ± 0,75% (maior deles), e sua tabela de utilização está mostrada a seguir

Tabela 3 – Termopar tipo K (Thermomax)

A tensão medida no experimento foi de 0,81 mV, e pela tabela 3 obtem-se um valor de

temperatura de aproximadamente 20,0ºC. Como a temperatura ambiente do laboratório estava em 21,7 ºC no momento da medição, a temperatura de ar medida na saída da ponteira foi de 41,7ºC, com um erro de ± 2,2ºC.

4.2. Cálculo da velocidade média

Para obter a velocidade média de ar na chaminé, foi utilizado o tubo de Pitot. Aplicou-

se o procedimento proposto por Dalmée, utilizando o método de Cotas de Newton (tabela 1) em três pontos distintos de medição.

O valor da velocidade em cada um dos três pontos será dado pela equação

ar

água

ar

zgV

ρ

ρ ∆=

2

15

Onde z∆ está em milímetros de coluna d’água, e será obtido pelo tubo em U fornecido pelo laboratório. Considerou-se águaρ = 1000 3mkg , e de acordo com a tabela 2, para

T=41,7ºC, a massa específica vale aproximadamente arρ =1,123

m

kg.

O edital previa para saída do tubo um escoamento de ar de 10 m/s. A frequência do ventilador principal foi regulada para que o tubo de pitot registrasse esta velocidade de escoamento.

Segundo Dalmeé (1983), o valor da velocidade média será dado por

∑=n

iim wVV1

Onde iV são os valores de velocidade calculados para cada um dos três pontos e iw são

os pesos, mostrados na tabela a seguir.

Tabela 4 – Velocidades calculadas em cada um dos raios r (adimensionais) e pesos w de acordo com o método de Newton

Cotas de Newton

r w z∆ sem vento lateral

[mmca] V sem vento lateral [m/s] z∆ com vento lateral

[mmca] V com vento lateral [m/s] 0 0,1667 6,0 10,252 5,5 9,816

0,7071 0,6667 7,0 11,074 7,0 11,074 1 0,1667 7,5 11,462 7,5 11,462

Então, o valor das velocidades médias será

mV = 11,003 m/s (sem vento lateral)

mV = 10,930 m/s (com vento lateral)

4.3. Cálculo da vazão volumétrica

Com o valor da velocidade média no tubo, é possível calcular a vazão volumétrica pela equação

AVV m=.

Onde

222

007854,04

1.0

4m

DA ===

ππ

Então

16

s

mV

3.

0864,0007854,0003,11 =⋅= (sem vento lateral)

s

mV

3.

0858,0007854,0930,10 =⋅= (com vento lateral)

4.4. Cálculo da vazão mássica Para se obter a vazão mássica, deve-se multiplicar a massa específica do ar pela vazão volumétrica. Então

s

kgVm ar 0968,0

..

== ρ (sem vento lateral)

s

kgVm ar 0961,0

..

== ρ (com vento lateral)

5. CONCLUSÃO Na ponteira proposta notou-se um incremento da velocidade média de ar quando comparado com o escoamento sem ponteira, aumentando de 10m/s para 11m/s. Observou-se que a atuação do vento lateral não foi suficiente para alterar significativamente os valores das velocidades médias e das vazões volumétricas. Com valores maiores para a velocidade do vento lateral, pode-se chegar a resultados mais significativos em relação à geometria proposta para a ponteira em questão. O tubo de Pitot, juntamente com o método de Delmée, mostrou ser um procedimento simples e eficaz para medição da velocidade média do escoamento do tubo. A utilização do termopar tipo K mostrou-se adequada, visto que a temperatura obtida com este instrumento (41,7ºC) foi compatível com aquela imposta pela bancada, levando em consideração o erro associado.

REFERÊNCIAS DELMÉE, G.J.,1983, Manual de Medição de Vazão, Editora Edgard Blücher Ltda, São Paulo. FOX, R. W., PRITCHARD, P. J., McDONALD, A.T., Indrodução à mecânica dos fluidos. 7 ed. 2008. http://www.thermomax.com.br/produtos/view?ID_PRODUTO=4 SCHNEIDER, P. S., Edital de trabalho final da disciplina medições térmicas UFRGS, edição 2013-2. SCHNEIDER, P. S., Medição de velocidade e vazão de fluidos, 2003.