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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

EDIVAN PINHEIRO BORGES JUNIOR

TÉCNICA DE VISUALIZAÇÃO POR FUMAÇA DE ESCOAMENTO EM TÚNEL DE

VENTO

Natal, 2012.



VENTO

Trabalho de conclusão de curso submetido à

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO

GRANDE DO NORTE como parte dos

requisitos para a obtenção do grau de

ENGENHEIRO MECÂNICO.

Prof. Rudson De Souza Lima, M.Sc.

Orientador

Natal, 2012.



VENTO

Trabalho de conclusão de curso submetido à

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO

GRANDE DO NORTE como parte dos

requisitos para a obtenção do grau de

ENGENHEIRO MECÂNICO em ____ de

___________ de 2012.

_________________________________________

Prof. Rudson de Souza Lima, M.Sc

Orientador

BANCA EXAMINADORA:

_________________________________________

Prof. Rudson de Souza Lima, M.Sc

Banca

_________________________________________

Prof.ª Fernanda Alves Ribeiro, M.Sc

Banca

__________________________________________

Prof. José Ubiragi De Lima Mendes, D.Sc

Banca

Dedico este trabalho ao meu Pai, que sempre me

indicou o melhor caminho a seguir e sempre

tentou, à sua maneira, me moldar para lidar com

os problemas da vida.

AGRADECIMENTOS

A minha família, principalmente meu pai, pela participação na fase experimental, pela

compreensão e apoio, sem os quais nada teria sido possível.

Aos meus amigos, Eng. Caio Júlio, Luiz Felipe e Yuri Paiva, que me ajudaram com

sugestões, críticas construtivas e na montagem dos experimentos.

À minha namorada Nadja, pela compreensão da minha ausência em alguns momentos a

que me dediquei a este trabalho e por ter me ajudado a me tornar uma pessoa mais paciente.

Ao professor Rudson de Souza, pela atenção, paciência e orientação na elaboração deste

trabalho.

À Professora Fernanda Alves Ribeiro, pela paciência em me atender nas diversas vezes

que precisei utilizar equipamentos do laboratório.

Ao Professor Luiz Guilherme pelas grandes contribuições ao longo de toda minha

carreira acadêmica.

Ao professor Dr. José Ubiragi de Lima Mendes, pela confiança durante o

desenvolvimento do trabalho no laboratório.

E a todos aqueles que, de alguma forma contribuíram para a realização deste trabalho.

“Dê-me uma alavanca longa o suficiente e um suporte forte o suficiente que eu poderei

sozinho movimentar do mundo...”

-Arquimedes

RESUMO

JUNIOR, Edivan P. Borges. Técnica de visualização por fumaça de escoamento em

túnel de vento. Natal, 2012. Dissertação (TCC). UFRN, 2012. p. 57.

Um das principais importâncias da utilização de túneis de vento é a visualização das

linhas de correntes escoando sobre perfis aerodinâmicos utilizados em testes. Para fazer essas

visualizações utilizam-se sistemas de pulverização de fumaça que tendem a acompanhar as

linhas de correntes do túnel e escoam no perfil mostrando todo o caminho percorrido pelo ar

nos componentes de teste. Sendo assim propõe-se um trabalho que visa uma técnica capaz de

produzir linhas de fumaça visível, utilizando fluido à base de glicerina, a serem introduzidas

em túnel de vento, possibilitando a observação do escoamento e o desprendimento da camada

limite no modelo a ser estudado.

Palavras-chave: Camada-limite, túnel de vento, visualização, escoamento, fumaça,

glicerina.

ABSTRACT

One of the main applications of Wind tunnels is the current lines visualization, flowing

on aerodynamic profiles being tested. To make such visualizations, it is used systems of

smoke distribution which tends to follow the current lines in the tunnel and flow through the

profile, showing path traveled by the air in the test components. Thus, it is proposed a work

which aims in develop a technique capable of generate lines of visible smoke, by using

glycerin fluid based, to be introduced in the Wind tunnel, enabling the observation of flow

and the detachment of the boundary-layer.

Key-words: Boundary-layer, Wind tunnel, visualization, flow, smoke, glycerin.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Escoamento em aerofólio ............................................................................... 17

Figura 2 - Fórnulas químicas do glicerol ....................................................................... 19

Figura 3 – Queda do preço da glicerina .......................................................................... 19

Figura 4 – Aplicações da glicerina .................................................................................. 20

Figura 5 – Condução em parede plana. ........................................................................... 24

Figura 6 – Fenômeno de calefação.................................................................................. 26

Figura 7 – Condensado no interior de tubos. .................................................................. 27

Figura 8 – Ciclo de Rankine............................................................................................ 28

Figura 9 – Tipos de botas de condensado ....................................................................... 29

Figura 10 – Critérios de instalação de pontos de purga. ................................................. 29

Figura 11 – Túnel de vento ............................................................................................. 30

Figura 12 – Esquema de montagem do sistema. ............................................................. 31

Figura 13 – Pistola de pintura por sucção. ...................................................................... 32

Figura 14 – Dispositivo de injeção de glicerina. ............................................................. 33

Figura 15 – Sistema de geração de fumaça. .................................................................... 34

Figura 16 – Compressor de ar utilizado .......................................................................... 34

Figura 17 – Pressão de serviço dos tubos de CPVC. ...................................................... 35

Figura 18 – Purgador instalado na linha. ........................................................................ 36

Figura 19 – Distribuidor de fumaça. ............................................................................... 37

Figura 20 – Tampões nas saídas do distribuidor de fumaça ........................................... 38

Figura 21 – Distribuidor instalado no túnel. ................................................................... 38

Figura 22 – Fumaça sendo entregue no túnel com soprador desligado .......................... 39

Figura 23 – Visualização de escoamento em perfil aerodinâmico .................................. 40

Figura 24 – Linhas de corrente bem definidas pela fumaça............................................ 40

Figura 25 – Posições utilizadas no perfil aerodinâmico.................................................. 41

Figura 26 – Condensado no purgador ............................................................................. 41

Figura 27 – Acumulador de baixa pressão. ..................................................................... 48

Figura 28 – Acumulador utilizando uma cuscuzeira....................................................... 49

Figura 29 – Modelo com serpentina plana ...................................................................... 49

Figura 30 – Modelo do distribuidor com tubos de cobre ................................................ 50

Figura 31 – Revestimento isolante no distribuidor ......................................................... 50

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 12

1.1 Apresentação do projeto ....................................................................................... 12

1.2 Objetivos .............................................................................................................. 12

1.2.1 Objetivo Geral ................................................................................................... 12

1.2.2 Objetivos específicos .................................................................................... 13

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 14

2.1 Histórico ............................................................................................................... 14

2.2 Tipos de escoamento ............................................................................................ 16

2.2.1 Escoamento interno ...................................................................................... 16

2.3 Tipos de visualização ........................................................................................... 17

2.4 Fumaça artificial ................................................................................................... 18

2.4.1 Fluidos de fumaça ......................................................................................... 18

2.5 Glicerina ............................................................................................................... 18

2.5.1 Mercado e aplicações .................................................................................... 20

2.5.2 Combustão da glicerina ................................................................................ 21

2.5.3 Acroleína....................................................................................................... 21

2.6 Calor ..................................................................................................................... 21

2.6.1 Efeito Joule ................................................................................................... 22

2.7 Fenômenos de transferência de calor ................................................................... 23

2.7.1 Condução ...................................................................................................... 23

2.7.2 Convecção..................................................................................................... 24

2.7.3 Radiação ....................................................................................................... 25

2.8 Fenômenos de mudança de fase ........................................................................... 25

2.8.1 Vaporização .................................................................................................. 25

2.8.2 Condensação ................................................................................................. 26

2.9 Geração e distribuição de vapor ........................................................................... 27

2.9.1 Purgadores de vapor ..................................................................................... 28

3 MATERIAIS E MÉTODOS...................................................................................... 30

3.1 Túnel de vento ...................................................................................................... 30

3.2 Projeto do evaporador de glicerina ....................................................................... 31

3.2.1 Sistema de geração de fumaça ...................................................................... 32

3.2.2 Sistema de distribuição ................................................................................. 35

3.2.3 Sistema de linearização de fumaça ............................................................... 36

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................................. 39

5 CONCLUSÕES .......................................................................................................... 42

6 SUGESTÕES .............................................................................................................. 44

REFERÊNCIAS ............................................................................................................ 45

Apêndice A – Primeiras tentativas .............................................................................. 48

Apêndice B – Manual de operação do gerador de fumaça ........................................ 51

Anexo 1 - Ficha de informação da glicerina ............................................................... 52

Anexo 2 - Dados eletromecânicos do motor ................................................................ 55

Anexo 3 – Plaqueta de identificação do motor ........................................................... 56

Anexo 4 – Instalação física do motor ........................................................................... 57

12

Edivan Pinheiro Borges Junior - Trabalho de Conclusão de Curso - DEM/UFRN. Natal, 2012.

1 INTRODUÇÃO

1.1 Apresentação do projeto

Nas ultimas décadas, o desenvolvimento de novos projetos no setor automobilístico,

aeroespacial e civil vêm seguindo uma tendência mundial que visa a sustentabilidade,

eficiência e baixo custo. Segundo Ford (2008), o fator geométrico irá influenciar em questões

como consumo de combustível, emissão de poluentes, resistência aerodinâmica e o

desprendimento da camada-limite. É com o intuito de quantificar os efeitos que tal geometria

pode causar no produto final que entra o estudo da aerodinâmica e seus fenômenos de

escoamento envolvidos.

A UFRN vem se destacando pelo constante crescimento estrutural, sustentando projetos

de pesquisa em tecnologia, mais especificamente no Laboratório de Mecânica dos Fluidos–

LABMECFLU. Dentre os diversos experimentos montados, Ford (2008) projetou e construiu

um túnel de vento com o objetivo de analisar o comportamento aerodinâmico que incide sobre

miniaturas de dois veículos diferentes, porém o túnel carece de sistema de visualização de

escoamento. A falta de tal sistema impossibilita análises mais aprofundadas do escoamento,

limitando os tipos de experimentos realizados, ao mesmo tempo em que requer instrumentos

alternativos de medição, geralmente com alto custo envolvido.

Baseado no contexto acima, esta dissertação busca apresentar um método eficiente e

simplificado de visualização de escoamento, considerando os fenômenos envolvidos, através

da geração de vapor de glicerina, (aqui chamado vulgarmente de fumaça), proveniente da

evaporação de glicerina, abordando os aspectos de segurança, (toxicidade da fumaça,

procedimentos de operação adequados, etc.) e econômicos (viabilidade versus custo do fluido

de fumaça no mercado) de forma a tornar praticável o projeto.

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo Geral

Desenvolver uma técnica de visualização de escoamento através da produção de fumaça

proveniente da evaporação de glicerina, a ser aplicada no túnel de vento do LABMECFLU-

UFRN para fins didáticos.

13


1.2.2 Objetivos específicos

- Definir um método de visualização de escoamento que seja capaz de destacar as linhas

de corrente e o desprendimento da camada-limite em perfis aerodinâmicos;

- Projetar e construir um dispositivo que aplique o método escolhido;

- Analisar o deslocamento da camada-limite em perfis aerodinâmicos.

14


2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Este capítulo aborda toda a revisão bibliográfica sobre o tema estudado, de forma a qual

se buscou destacar os principais conceitos e definições envolvidos, abordando sobre o estudo

da aerodinâmica como um dos principais fatores pela otimização de projetos. Na presente

fundamentação teórica, procurou-se, também, definir o ambiente no qual está inserida a

pesquisa e os diversos elementos influenciadores para que a mesma alcançasse êxito.

A primeira seção busca contextualizar o desenvolvimento dos estudos aerodinâmicos

nas ultimas décadas, como foram feitos e quais os conceitos físicos considerados. Na segunda

seção ressalta-se a complexidade no estudo da aerodinâmica e são abordados os problemas

envolvidos na visualização do escoamento e qual a influência que tais problemas causam. Na

terceira e quarta seções são apresentados os tipos de escoamento e os tipos de visualização

mais empregados. Na quinta e sexta seções, são feitos estudos sobre fumaça como fluido de

visualização e na última seção são apresentados conceitos básicos de transferência de calor

envolvidos no projeto.

2.1 Histórico

A engenharia vem aperfeiçoando-se ao longo do tempo. Atualmente o método

numérico, aliado à computação gráfica são algumas das ferramentas mais poderosas em

solução de projetos, principalmente quando a solução analítica de um determinado problema é

difícil de ser obtida. Apesar de todo este avanço, é de fundamental importância testar os

modelos teóricos experimentalmente, em protótipos miniaturizados, com o intuito de garantir

que os resultados numéricos se aproximem da realidade, reduzindo custos no

desenvolvimento do projeto.

Os métodos experimentais também compõem uma ferramenta na análise de problemas

físicos. Na mecânica dos fluidos, uma análise mais aprofundada do escoamento é fundamental

para ter-se uma ideia do comportamento dinâmico do fluido. A aerodinâmica é um importante

ramo da mecânica dos fluidos, sendo que ela estuda o comportamento de corpos ao

deslocarem-se dentro de um fluido, seja o ar ou a água. O desenvolvimento de aviões,

automóveis, projéteis, geradores eólicos, pontes e edifícios baseiam-se nos princípios da

aerodinâmica. Como intuito de obter um melhor desempenho, avaliar a estabilidade e a

integridade do corpo parte-se para métodos experimentais. A utilização de túneis de vento é

frequentemente aplicada no estudo de perfis aerodinâmicos.

Antes da 1ª Guerra Mundial, o desenvolvimento de novos projetos automobilísticos e

15


sua aerodinâmica teve apenas uma base empírica, e a única finalidade era a da redução da

resistência oferecida pelo ar, permitindo maiores velocidades com as pequenas potências

disponíveis na época. Mais tarde, após a verificação da influência da velocidade relativa do ar

sobre a estabilidade do veículo e, consequentemente, sobre a segurança dos ocupantes,

iniciaram-se estudos mais científicos. Essas pesquisas começaram em 1920 com Rumpler e

Jarray; consistiam na análise matemática do escoamento do ar, determinação de novos

desenhos para veículos, e o ensaio de modelos reduzidos em túnel aerodinâmico. Inicialmente

foram utilizados os túneis disponíveis da aviação, mas depois foram construídos túneis

especiais para o ensaio de vários tipos de veículos terrestres: automóveis, ônibus, caminhões,

motocicletas, etc. (CÖURAS FORD, 2008)

Para H. McMahon (2002) e Fox (2001), a visualização de escoamentos sobre perfis

aerodinâmicos é de grande importância para o entendimento do fenômeno, obsevando a

ocorrência de vórtices e desprendimento da camada-limite. Conforme Fox (2001), ao

concentrarmos a atenção em um local fixo do espaço e identificar, pelo emprego de fumaça,

todas as partículas fluidas que passam por aquele ponto, pode-se após um curto período

ter uma certa quantidade de partículas fluidas identificáveis no escoamento; as linhas de

corrente. São aquelas linhas desenhadas no campo de escoamento de forma que num dado

instante, são tangentes à direção do escoamento em cada ponto do campo. Como as linhas de

corrente são tangentes ao vetor em cada ponto do campo, não pode haver escoamento através

delas. Então, num escoamento permanente, trajetórias e linhas de emissão e de corrente são

linhas idênticas no campo de escoamento (FOX, 2001).

Apesar de que a maioria dos problemas práticos serem de natureza de escoamento

externo (ex.: automóveis, aviões, navios, etc.), a aerodinâmica é uma ciência complexa devido

às linhas de corrente do escoamento do ar não ser visível em condições normais. Para efeitos

de estudo, pode-se modelar o problema como escoamento interno, tomando como volume de

controle a área interna dos túneis de vento, mas ainda resta a necessidade de visualização das

linhas de corrente para que possam ser observados seus efeitos.

Se o escoamento pudesse se tornar visível através de alguma técnica de visualização de

escoamento, então seria possível observar o fenômeno do escoamento, não-viscoso (ex.:

vórtices no escoamento, escoamento distante de superfícies, etc.) e viscosos (ex.: escoamento

e desprendimento da camada-limite). (H. MCMAHON, 2002, p.1, tradução nossa).

16


2.2 Tipos de escoamento

Segundo Fox (2001), os tipos de escoamento existentes são: externo, interno,

compressível, incompressível, laminar, turbulento, natural e forçado. Ocorrem em regime:

viscoso, não-viscoso, permanente e não-permanente. O escoamento forçado, viscoso, interno

de comportamento compressível, e regime turbulento é objeto de estudo, devido à sua

aplicação na modelagem analítica do túnel de vento.

2.2.1 Escoamento interno

Os escoamentos completamente limitados por superfícies sólidas são denominados

internos. Assim, os escoamentos internos incluem escoamentos em tubos, dutos, bocais

difusores, contrações súbitas e expansões, válvulas e acessórios. Os escoamentos internos

podem ser laminares ou turbulentos. Para escoamentos internos, o regime de escoamento

(laminar ou turbulento) é primariamente uma função do número de Reynolds (FOX, 2001).

Conforme a equação 1:

(1)

Onde:

Velocidade média (m/s);

Diâmetro interno (m);

Viscosidade cinemática (m²/s);

Para escoamentos internos com número de Reynolds até aproximadamente 2300

considera-se o escoamento como laminar. A transição para regime turbulento ocorre na faixa

de 2300 até 10000.

A Figura 1 representa alguns dos fenômenos ocorridos sobre um corpo em um

escoamento externo com alto Número de Reynolds. No ponto de estagnação o escoamento em

corrente livre divide-se circundando o corpo. Devido à condição de não deslizamento a

velocidade do fluido junto à superfície é a mesma do corpo. Ocorre formação de camada

limite na superfície superior e na superfície inferior do corpo.

17


Figura 1 - Escoamento em aerofólio

Detalhes de escoamento viscoso em torno de um aerofólio (FOX, 2001).

2.3 Tipos de visualização

Segundo H. McMahon (2002, tradução nossa) a visualização do escoamento do ar é

classificada em visualização superficial (on-the-surface) e visualização livre (off-the-surface).

É comum a utilização de tinta fluorescente, óleo ou barbantes de lã que são aplicadas na

superfície do modelo. A inspeção visual desses métodos, em função do tempo, irá fornecer

informações valiosas sobre o estado da camada-limite (laminar ou turbulento), região de

transição e desprendimento da camada limite.

A visualização livre (off-the-surface) envolve o uso de partículas de fumaça,

gotejamento de óleo ou bolhas de sabão para delinear as linhas de corrente. A visualização

média deve seguir fielmente o padrão do escoamento ou não irá transmitir a informação

correta. As partículas de fumaça e gotas de óleo são muito pequenas e leves o suficiente para

seguir a direção do escoamento. As bolhas de sabão são pequenas e preenchidas com hélio

para torná-las flutuantes e quimicamente neutras. Cada um destes métodos requer iluminação

apropriada e algum dispositivo de captura de imagem, como por exemplo uma câmera

fotográfica ou de vídeo. (H. MCMAHON, 2002)

No trabalho de Rufato (2007) a geração de fumaça foi feita a partir da evaporação

de um líquido composto por álcoois polifuncionais, obtendo-se resultados satisfatórios

na visualização de escoamentos.

Diante dos métodos de visualização apresentados, o que foi de escolha no trabalho é do

tipo livre (off-the-surface) por geração de fumaça, que independente do protótipo

aerodinâmico que esteja sendo estudado, já que a visualização é destinada ao escoamento

dentro do túnel de vento e os efeitos que o protótipo causa no escoamento é que são de

interesse de estudo.

18


2.4 Fumaça artificial

Ao se falar em fumaça, geralmente se lembra de fogo. Porém, este tipo de fumaça

proveniente da queima de quaisquer que seja a natureza do material sendo queimado traz

alguns problemas toxicológicos e ambientais, como a emissão de gases do efeito estufa. Faz-

se necessária a busca por geração da fumaça o mais neutra possível, de forma que não agrida

o meio ambiente nem aqueles que estejam operando o túnel de vento. Segundo matéria

publicada na revista Superinteressante (1997), na fumaça artificial não ocorre combustão e

geralmente são usados três tipos de produtos:

O mais comum é o gelo seco, que nada mais é que gás carbônico congelado a -72ºC.

Quando em temperatura ambiente, ou em contato com água quente, o gelo seco passa para

fase gasosa, formando uma fumaça branca e densa. Não é prejudicial para o organismo, mas

pode provocar um mini efeito estufa em lugar fechado.

Outro método, muito usado em peças teatrais e iluminação em festas é a vaporização de

uma mistura de água e glicerina. O único inconveniente é que a fumaça da glicerina, quando

depositada em algum lugar, fica grudenta.

O terceiro tipo é pela a vaporização de cloreto de amônia, que ao entrar em contato com

o ar, forma partículas que ficam em suspensão. De acordo com Karyne Lins (2007, p. 102)

essas partículas são altamente tóxicas, causam irritação nos olhos e no sistema respiratório.

2.4.1 Fluidos de fumaça

São encontradas no mercado, máquinas de fumaça para os mais variados propósitos. Há

de se considerar o tipo de fluido que a máquina trabalha. Segundo Karyne Lins (2007), a

máquina de fumaça a base de óleo produz uma fumaça de espessura semelhante à do gelo

seco, porém, bem mais leve. Os fluídos a base de água produzem fumaça menos espessa e se

dissipa rapidamente.

2.5 Glicerina

Segundo Aymer Maturana (2011, p. 42-47) a glicerina é conhecida por diferentes

nomes, dependendo do estado de pureza ou refinamento em que ela se encontra. Desta forma,

o termo glicerol aplica-se só à substância pura, mas o termo glicerina é usado para nomear as

misturas contendo diferentes quantidades ou grau de pureza com relação ao glicerol.

19


O glicerol tem as fórmulas químicas apresentadas na Figura 2 e suas principais

propriedades físico-químicas são listadas no Anexo 1. Cerca de 72% da produção mundial de

glicerina deriva da produção do biodiesel, desde 2007. A produção mundial de biodiesel tem

incrementado significativamente a quantidade de glicerina no mercado nos últimos anos e

gerou uma grande oferta e pouca procura, acarretando em uma queda nos preços da glicerina,

conforme Figura 3. Este fato foi marcante para a escolha da glicerina como base para fluido

de fumaça no projeto, auxiliando na redução de custos, tendo em vista um consumo mensal

constante no LABMECFLU.

Figura 2 - Fórnulas químicas do glicerol

a-empírica, b-molecular, c-estrutural (MATURANA, 2011, p.43).

Figura 3 – Queda do preço da glicerina

Preço mundial da glicerina bruta (GB) e glicerina refinada (GR) em perspectiva com a

produção global de biodiesel (MATURANA, 2011, p.48)

20


A substância pura é um poli-álcool incolor, viscoso, higroscópico, de sabor adocicado,

biocompatível, polar, altamente reagente (reage com ácidos orgânicos e inorgânicos formando

éteres, ésteres, aldeídos e muitos outros derivados), solúvel 100% em água e álcool,

pouco solúvel em éter, acetato de etilo, dioxano e insolúvel em hidrocarbonetos. O

glicerol desde 1959 é reconhecido como atóxico, permitido como aditivo em alimentos, usado

em medicamentos e nomeado como uma substancia “GRAS” (geralmente reconhecida como

segura) pela Administração Federal de Medicamentos e Alimentos dos Estados Unidos –

FDA (MATURANA, 2011, p.44).

2.5.1 Mercado e aplicações

Conforme a Associação de Sabões e Detergentes dos Estados Unidos (SDA), existem

aproximadamente 1500 aplicações para a glicerina. 64% da demanda total mundial esta

distribuída entre o setor de produtos alimentícios, de higiene pessoal e para a higiene oral

(SDA, 2000). Este fato é mais bem analisado na Figura 4, onde se registra a distribuição das

aplicações finais da glicerina conforme sua participação no mercado mundial (MATURANA,

2011, p.46).

Figura 4 – Aplicações da glicerina

Distribuição das aplicações do glicerol por Indústria (MATURANA, 2011, p. 46).

21


2.5.2 Combustão da glicerina

No trabalho de Aymer Maturana (2011, p.64) sobre combustão do glicerol, observa-se

que este pode gerar acroleína quando é aquecido acima de 280ºC, mas a situação pode ser

agravada se não for possível uma boa atomização ou a combustão é incompleta.

Em sua pesquisa bibliográfica, Aymer encontrou uma importante dificuldade, associada

principalmente com a existência de uma diferença significativa entre os tipos de glicerina e

sistemas de combustão pesquisados. Esta circunstância dificilmente poderá ser evitada,

considerando que entre os diferentes processos empregados para produção de biodiesel que,

embora em alguns casos, possam ser sutis, de fato determinam definitivamente as

características físico-químicas da glicerina.

2.5.3 Acroleína

A acroleína na temperatura ambiente é um líquido inflamável entre incolor e amarelado,

com um odor desagradável e asfixiante. É extremamente irritante para as mucosas. Foi

utilizada como arma química durante a primeira guerra mundial.

Aymer Maturana (2011, p.65) conclui de um modo geral que não existem dados

disponíveis para avaliar os efeitos toxicológicos nos seres humanos por exposição crônica à

acroleína e a exposição aguda tem mostrado que a acroleína pode causar irritação nasal e

ocular grave. Este fator é confirmado por Kayne Lins (2007, p.96-102) onde diversos

entrevistados relataram “cheiro meio ardido que irrita a garganta e os olhos” em shows e

apresentações teatrais, o que destaca a ocorrência de acroleína, mesmo que em baixa

concentração, na fumaça gerada por evaporação de glicerina.

Para que a ocorrência de acroleína na combustão da glicerina apareça em grandes

quantidades, se faz necessário o uso de catalisadores zeolíticos ácidos. (M. PESTANA;

MOTA, 2009). Uma solução para evitar os efeitos negativos da acroleína é promover

exaustão adequada da fumaça após a seção de testes do túnel de vento, descartando-a do

ambiente o mais rápido possível.

2.6 Calor

De acordo com Incropera (2008) e Borgnakke (2009), calor é definido como sendo a

forma de transferência de energia através da fronteira de um sistema, numa dada temperatura,

a outro sistema (ou o ambiente), que apresenta uma temperatura inferior, em virtude da

diferença entre as temperaturas dos dois sistemas.

22


Calor sensível é definido como sendo a quantidade de calor que um corpo recebe que

provoca apenas variação na sua temperatura, sem que aconteça mudança de fase. De acordo

com a equação 2, o calor específico (c) informa a quantidade de calor que um grama de

substância deve receber para variar de um grau de temperatura.

(2)

Onde:

Quantidade de calor (cal);

Massa da substância (g);

Calor específico (cal/g.ºC);

Calor latente (ºC);

Calor latente, diferentemente do anterior, é quando fornecemos energia térmica à um

corpo sem que este varie sua temperatura, mas ocorre mudança de fase (equação 3). É a

grandeza física que informa a quantidade de calor que uma unidade de massa de uma

substância deve perder ou receber para que ela mude de estado físico.

(3)

Onde:

Quantidade de calor (cal);

Calor latente (cal/g);

Massa da substância (g);

2.6.1 Efeito Joule

Quando uma corrente elétrica passa por um resistor, este converte energia elétrica em

energia térmica. O resistor dissipa a energia em forma de calor. Assim a potência total do

sistema diminui e o aquecimento de um resistor por passagem de uma corrente é chamado de

efeito Joule (INFOESCOLA, 2012). A equação 4 dá a potência elétrica dissipada em um

resistor:

23


(4)

Onde:

Potência dissipada (Watts);

Voltagem (V);

Resistência (Ohm);

2.7 Fenômenos de transferência de calor

Segundo Incropera et al. (2008, p. 2) calor “[...] é energia térmica em trânsito devido a

uma diferença de temperatura no espaço”. A forma como o calor é propagado é classificada

em três tipos: Condução, convecção e radiação.

2.7.1 Condução

O fenômeno de condução se refere ao transporte de energia (calor) em um meio devido

a um gradiente de temperatura e o mecanismo físico é a atividade atômica ou molecular

aleatória, ou seja, a transferência de calor das partículas mais energéticas para as menos

energéticas. A transferência de calor por condução é governada pela lei de Fourier, e nos dá

condições adequadas para se calcular a quantidade de energia sendo transferida por unidade

de tempo. Para a parede plana unidimensional, mostrada na Figura 5 com uma distribuição de

temperaturas T(x), a taxa de calor é representada conforme equação 5:

(5)

Onde:

Fluxo térmico (W/m²);

Condutividade térmica do material (W/m.K);

Gradiente de temperatura (ºC/m);

24


Figura 5 – Condução em parede plana.

Transferência de calor unidimensional por condução ou difusão de energia (INCROPERA et al, 2008,

p. 3).

2.7.2 Convecção

Neste modo, o calor é transferido por dois mecanismos distintos. Além da transferência

de energia por difusão (movimento molecular aleatório), a energia também é transferida por

movimentação macroscópica do fluido, considerando um agregado de moléculas se

movimentando em conjunto onde tal movimento, na presença de um gradiente de

temperatura, contribui para a transferência de calor (INCROPERA et al., 2008, p. 4).

Alguns exemplos de transferência de calor por convecção incluem: escoamento forçado,

escoamento natural e correntes convectivas na água em ebulição. De forma geral, a equação 6

rege a taxa de transferência de calor por convecção e é conhecida como lei do resfriamento de

Newton.

(6)

Onde:

Fluxo de calor por convecção (W/m²);

Coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m².K);

Temperatura da superfície (ºC);

Temperatura do fluido (ºC);

25


2.7.3 Radiação

Incropera et al. (2008, p. 6) define a radiação como sendo “[...] a energia emitida pela

matéria que se encontra a uma temperatura não-nula”. Neste modo de transferência de calor

não há presença de meio físico para que ocorra, diferente da condução e convecção. Qualquer

que seja o material emissor de radiação, está associado a ele um poder emissivo(E), definido

como a taxa na qual a energia é liberada por unidade de área (W/m²), e a emissividade da

superfície ( ) que fornece uma medida da eficiência na qual uma superfície emite energia em

relação ao corpo negro. Há porém um limite do poder emissivo que é definido pela lei de

Stefan-Boltzmann, como mostra na equação 7:

(7)

Onde:

Poder emissivo da superfície (W/m²);

Emissividade da superfície ;

Constante de Stefan-Boltzmann[ ]; Temperatura absoluta da superfície (ºK);

2.8 Fenômenos de mudança de fase

As fases que podem ser encontradas na natureza são o sólido, líquido, gás e plasma.

Uma substância qualquer pode existir sob várias fases. Fase é definida como uma quantidade

de matéria totalmente homogênea (BORGNAKKE; SONNTAG, 2009, p. 13).

Para este trabalho é de interesse considerar os mecanismos de vaporização

(líquido gás) e condensação (gás líquido) da glicerina e as ferramentas matemáticas

disponíveis.

2.8.1 Vaporização

Uma definição simples pela Infoescola (2012) é que vaporização é o nome dado à

mudança de fase do estado líquido para o estado gasoso. Apresenta três maneiras para ocorrer:

ebulição, calefação e evaporação.

Ebulição seria a forma mais natural de um liquido passar para o estado gasoso.

Mantendo a pressão constante, a ebulição ocorre a uma determinada temperatura, com

agitação das partículas do liquido e com formação de bolhas.

26


Calefação é uma passagem extremamente rápida do estado líquido para o estado

gasoso. São duas as leis consideradas que regem o processo que resulta na calefação: Não há

o contato entre o líquido e a superfície aquecida. Tal ausência de contato é explicada pela

rápida e intensa vaporização das gotas do líquido do lado mais próximo da chapa aquecida.

Forma-se o que é definido como um “colchão de vapor”, que impede o contato das gotículas

com a superfície aquecida, como mostra a Figura 6; Na segunda lei, a temperatura do líquido

que sofre a calefação é inferior à sua temperatura de ebulição (ALHANATI; NETTO, 2012).

O aquecimento do líquido em calefação é muito pequeno, uma vez que os líquidos de

um modo geral e a água em particular são diatérmicos, isto é, o calor irradiado passa por eles

sem ser absorvido. (INFOESCOLA, 2012). Este mecanismo particular de vaporização será

foco do estudo no modelo do projeto proposto no capítulo 3.

Figura 6 – Fenômeno de calefação.

Esquema do mecanismo de calefação ocorrendo sob uma gota de líquido (ALHANATI, 2012).

Evaporação, ao contrario da ebulição, ocorre a qualquer temperatura, sob a pressão

constante. Porém esta temperatura é inferior à temperatura de ebulição. Fatores que

influenciam na velocidade de evaporação: Quanto maior a pressão atmosférica, menor será a

velocidade; quanto mais o liquido for volátil, maior será a velocidade; quanto maior a área de

contato com o ar, maior a velocidade; quanto maior for a temperatura do liquido, maior a

velocidade (INFOESCOLA, 2012).

2.8.2 Condensação

A condensação ocorre quando a temperatura de um vapor é reduzida a valores inferiores

ao de sua temperatura de saturação. O processo resulta usualmente do contato entre o vapor e

uma superfície fria. A energia latente do vapor é liberada, calor é transferido para a superfície

e o condensado é formado.

Geralmente, nos equipamentos industriais há a presença de condensadores utilizados em

sistemas de refrigeração e condicionamento de ar. A condensação de vapor ocorre no interior

de tubos horizontais ou verticais. As condições no interior dos tubos são complicadas e

27


dependem fortemente da velocidade do escoamento do vapor no interior do tubo. Se a

velocidade for pequena, a condensação ocorre conforme Figura 7.

Figura 7 – Condensado no interior de tubos.

Condensado em filme no interior de um tubo horizontal. (a) Seção transversal do escoamento do

condensado para baixas velocidades do vapor. (b) Seção longitudinal do escoamento do condensado

para altas velocidades do vapor (INCROPERA, 2008).

2.9 Geração e distribuição de vapor

A geração de vapor baseia-se na mudança de fase de um líquido ( geralmente água) para

fase gasosa, geralmente usado na aplicações de processos industriais. A modelagem de um

sistema de geração e distribuição de vapor pode ser exemplificada pela (Figura 8) onde

apresenta um ciclo termodinâmico simples.

O vapor é escolhido como um bom meio de transporte de energia principalmente por

sua capacidade de armazenar e transportar uma quantidade de calor maior do que se fosse

utilizado fluido líquido, ambos à mesma temperatura. A quantidade de calor que pode ser

transferida do vapor para uma substância a ser aquecida depende, entre outras coisas, da

diferença de temperatura entre ambos e da superfície através da qual o calor tem de ser

transferido. Consequentemente (mantidas as demais condições) podemos aferir que quanto

maior for a temperatura do vapor e, portanto sua pressão, maior será a taxa de transferência de

calor do vapor para a substância a ser aquecida. Analogamente quanto maior for a superfície

de transferência maior será a quantidade de calor transferido por unidade de tempo (SILVA,

2006).

(a) (b)

28


Figura 8 – Ciclo de Rankine

O ciclo básico de Rankine é um dos diversos ciclos termodinâmicos utilizados na geração de vapor

(BORGNAKKE, 2009).

Tão logo o vapor sai da caldeira, ele começa imediatamente a perder calor, ou seja, nas

linhas de vapor sempre haverá água líquida (condensado) resultante da condensação parcial

do vapor ou arrastada pelo vapor que sai da caldeira. O objetivo é tomar providências no

sentido de que as perdas se calor sejam minimizadas até que o vapor atinja o local onde se

deseja utilizá-lo. Essencialmente o cuidado é evitar as perdas através de vazamentos, válvulas

e conexões defeituosas (RIBEIRO, 2006).

2.9.1 Purgadores de vapor

Os purgadores são dispositivos automáticos que separam e eliminam o condensado das

linhas de vapor e dos aparelhos de aquecimento. Existem dois tipos de descarga nos

purgadores: A descarga livre, direto na atmosfera; e a descarga fechada, despejando em uma

linha de condensado (RIBEIRO, 2006).

A instalação dos purgadores devem respeitar certos critérios para que se obtenha seu

perfeito funcionamento. O condensado deve, sempre que possível, correr por gravidade para o

purgador. Quando não existir escoamento por gravidade, deve ser colocada uma válvula de

retenção. As tubulações de entrada e saída dos purgadores devem ter o menor comprimento

possível. Quando houver descarga para a atmosfera, o purgador deve ser colocado de modo

que o jato quente de condensado não atinja pessoas ou equipamentos. Os purgadores devem

ser montados em locais que permitam acesso e manutenção. Deve-se instalar pontos de purga

em todos os pontos de baixa elevação e pontos de aumento de elevação (Figura 9); Nos

29


trechos de tubulação em nível, a cada 100-150m; Imediatamente antes de todas as válvulas de

bloqueio, válvulas de retenção, válvulas de controle e válvulas redutoras de pressão; Próximo

à entrada de qualquer máquina a vapor. A Figura 10 resume os critérios citados (RIBEIRO,

2006, p. 4).

Figura 9 – Tipos de botas de condensado

Casos típicos de instalação de purgadores nas linhas de vapor (RIBEIRO, 2006).

Figura 10 – Critérios de instalação de pontos de purga.

Diversos pontos de purga instalados na linha de vapor (RIBEIRO, 2006).

30


3 MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 Túnel de vento

O túnel (Figura 11) utilizado no trabalho foi projetado pelo engenheiro mecânico Elmo

Thiago Lins em sua tese de mestrado e possui as características conforme Tabela 1. A seção

de ensaio possui dimensões de 0,50m X 0,50m. A propulsão do ar é obtida usando um motor

de indução monofásico de 5HP, para mais detalhes, (ver dados eletromecânicos no Anexo 2),

plaqueta de identificação no Anexo 3 e detalhe da instalação física do motor no Anexo 4. O

difusor possui razão de contração de 2:1, ou seja, com seção maior de 1m X 1m, e seção

menor 0,50m X 0,50m (FORD, 2008).

Tabela 1 - Especificações do Túnel Aerodinâmico

Comprimento 4,5m

Altura máxima 1m

Largura máxima 1m

Tipo de túnel Soprador

Potência máxima do motor 5 HP (3,7 kW)

Área da seção de ensaio 0,25 m²

Velocidade máxima da seção de ensaio 9,7 m/s Dados originais do projeto do túnel de vento do laboratório (FORD, 2008).

Figura 11 – Túnel de vento

Túnel aerodinâmico utilizado no projeto: (a) Sistema de acionamento. (b) Coifa anti-vibrações. (c)

Difusor. (d) Contração. (e) Caixa de estabilização. (f) Seção de testes (FORD, 2008).

(a)

(b) (c)

(d)

(e) (f)

31


3.2 Projeto do evaporador de glicerina

Durante o período inicial de pesquisas, foi buscado priorizar a experimentação da

prática de ideias, na esperança de se conseguir fazer com que o sistema funcionasse, porém

sem nenhum dimensionamento matemático efetivo. Apenas na base teórica e no instinto

foram tentados diversos modelos, porém houveram algumas dificuldades de execução de

projeto que, devido à decisões imaturas, foi um fator consumidor de tempo e desgastante. Para

mais informações sobre os modelos praticados, ver Apêndice A. Com base na objetividade e

clareza de ideias, é apresentado na Figura 12, o modelo proposto pelo Prof. Orientador

Rudson de Souza, levando em conta os sistemas que o integram, aqui definidos como:

- Sistema de geração de fumaça: Onde consiste em uma câmara de calefação

pressurizada, com injeção de glicerina atomizada, onde o objetivo da pressurização é de

atingir velocidades da fumaça próximas da velocidade do escoamento no túnel aerodinâmico

na tentativa de diminuir a turbulência da fumaça dentro do túnel, evitando que ela se disperse,

como proposto por Machado (2007, p. 10).

- Sistema de distribuição: Visa minimizar as perdas térmicas e evitar a condensação da

fumaça, buscando aumentar a qualidade da fumaça gerada na seção de testes do túnel.

- Sistema de linearização da fumaça: Composto por uma cabeça de distribuição de uma

entrada e várias saídas, com o intuito de produzir uma cortina de fumaça, com linhas paralelas

de fumaça, possibilitando a visualização final do escoamento.

Figura 12 – Esquema de montagem do sistema.

(a) Compressor de ar. (b) Mangueiras flexíveis. (c) Válvula agulha. (d) Reservatório de glicerina. (e)

Câmara de calefação. (f) Fogão elétrico. (g) Cabeça de distribuição (FONTE: o próprio autor).

(a)

(d)

(e)

(f)

(g) (b)

(c)

32


3.2.1 Sistema de geração de fumaça

A fonte de calor utilizada foi um fogão elétrico resistivo (1000 Watts) e uma panela de

pressão foi utilizada como câmara de calefação. A vedação original da panela necessita de

pressão interna maior que a pressão externa. Sendo assim, a tampa da panela foi montada

invertida e parafusada para garantir a perfeita vedação (evitando desperdício de fumaça), pois

o dispositivo iria trabalhar com a saída de fumaça aberta para a atmosfera (pressão interna

menor que a externa).

Com o decorrer do trabalho e a constante necessidade de redução de gastos, a análise de

material disponível fez com que a ideia apresentada na Figura 12 fosse adaptada pelo autor

para que o sistema de injeção de glicerina e de ar fosse feito em uma única linha, através do

efeito idêntico ao utilizado em pistolas de pintura por sucção (Figura 13).

O fluido de fumaça utilizado foi o DRAGON FOG® de 1 litro, fabricado pela empresa

Meyerman. Este fluido comercial é próprio para máquinas de fumaça e possui em sua

composição água, glicerina, álcool e aromatizantes. Anteriormente foi usada glicerina pura

(95%) encontrada em farmácias e foi percebido que a sua vaporização gerou uma fumaça de

densidade muito superior ao fluido de fumaça comercial, porém devido ao ponto de ebulição

da glicerina ser elevado (290ºC) o sistema de geração de fumaça teria que fornecer mais

energia para vaporizar a glicerina. Devido à presença de água na mistura do fluido comercial,

o ponto de ebulição é menor que à glicerina pura e o álcool tem função de desimpregnar os

resíduos de glicerina depositados pela fumaça (LINS, 2007).

Figura 13 – Pistola de pintura por sucção.

(a) Pistola de pintura por sucção (b) Corte transversal ( GOOGLE, 2012).

33


O dispositivo desenvolvido (Figura 14) foi fabricado a partir de uma luva de alumínio,

com conexões de latão, em formato de “Y”, determinando duas entradas (ar + glicerina) e

uma saída (fluido de fumaça pressurizado).

Medições preliminares revelaram temperaturas no fundo da câmara de calefação em

torno de 230ºC, na tampa da panela de 100ºC, na válvula agulha de 45ºC (o recartilhado da

válvula foi revestido com borracha para que o operador não necessite usar luvas durante o

manuseio) e os gases na saída da panela mediram 180ºC. Na Figura 15, pode-se ver a

disposição dos equipamentos utilizados.

Figura 14 – Dispositivo de injeção de glicerina.

Ar comprimido é injetado na entrada “A” e glicerina é succionada pela entrada “B”. A glicerina é

então pulverizada no interior da câmara de calefação pela saída “C” (FONTE: o próprio autor).

A

B

C

34


Figura 15 – Sistema de geração de fumaça.

Detalhe para o isolamento térmico(a), o fogão elétrico(b) e o reservatório de glicerina(c) (FONTE: o

próprio autor).

A alimentação do ar comprimido foi através do compressor SCHULZ® de pressão

máxima de 120 psi e vazão de 150 L/min, disponível no laboratório (LABMECFLU), com

pressostato configurado na faixa de 70-90 psi (Figura 16).

Figura 16 – Compressor de ar utilizado

Equipamento pneumático disponível no laboratório para alimentar o sistema com ar comprimido

(FONTE: o próprio autor).

(a)

(b)

(c)

35


3.2.2 Sistema de distribuição

Na canalização da fumaça, para mudança de direção foram usadas conexões de CPVC

Aquatherm da Tigre, que de acordo com o fabricante, suportam temperaturas acima de 100ºC

sob baixas pressões (Figura 17). Para trechos mais longos foi usada mangueira especial para

vapor frigorífero JASON® com temperatura de trabalho de até 145ºC. Toda a linha de

distribuição foi isolada termicamente com tubo de espuma elastomérica utilizada em

instalações de ar-condicionado. Tal isolamento visa à diminuição da perda térmica ao longo

da linha, amenizando o efeito do condensamento, porém como sugerido por Ribeiro (2006),

não há possibilidade de se evitar 100% tal efeito e o sistema necessita de um purgador de

condensado, para desobstrução da linha e aumento da eficiência na entrega da fumaça no

túnel.

O purgador (Figura 18) foi confeccionado com um pote de vidro, onde o operador tem

plena visão do nível de condensado formado, sendo necessário o descarte do condensado

quando o nível atingir o volume máximo do pote. Ele evita o acúmulo de condensado e

possível obstrução na linha (calço hidráulico) o que geraria acúmulo de pressão na câmara de

calefação, podendo causar acidentes.

Figura 17 – Pressão de serviço dos tubos de CPVC.

Gráfico Temperatura X Pressão de trabalho da linha Aquatherm (TIGRE, 2012).

36


Figura 18 – Purgador instalado na linha.

Purgador instalado no ponto mais baixo do sistema (FONTE: o próprio autor).

3.2.3 Sistema de linearização de fumaça

Para o sistema de distribuição, é preferido que se projetasse um dispositivo capaz de

linearizar a fumaça, distribuindo-a em um plano paralelo ao escoamento e perpendicular à

vista do observador na seção de testes, tornando possível a visualização das linhas de corrente

no interior do escoamento do túnel aerodinâmico. Uma ideia inicial está representada na

Figura 19. Na busca de reduzir as perdas térmicas, foi utilizado tubos de canetas (polietileno

de alta densidade), como isolante térmico.

Em seguida o distribuidor foi coberto por espuma expansível de poliuretano, em

formato aerodinâmico para diminuir o coeficiente de arrasto e amenizar as possíveis

turbulências que fossem causadas com a instalação deste dispositivo no túnel de vento.

Sobre o formato do revestimento, é desejável que possua uma geometria tal que interfira

o mínimo possível no escoamento do túnel, visto que devido às características construtivas do

túnel, permite instalação do distribuidor apenas na seção imediatamente após a caixa de

estabilização, ou seja, o distribuidor precisa ter um formato aerodinâmico para minimizar as

turbulências no escoamento recém linearizado pela caixa estabilizadora. Esta exigência é

imperativa, pois aumenta a confiabilidade do experimento visto que tende a manter a

fidelidade do escoamento modelado, com o mínimo de perturbações possíveis.

37


Figura 19 – Distribuidor de fumaça.

(a) esboço inicial do distribuidor. (b) Utilização de tubos de caneta para direcionar a fumaça. (FONTE:

o próprio autor).

Em um primeiro momento, a peça foi fabricada com tubos de cobre pelo fato de ser o

material disponível comercialmente que mais se aproximasse da exigência geométrica do

projeto (ver Apêndice A- Modelo inicial do distribuidor: Nos primeiros protótipos(Figura 30),

foi buscado utilizar tubos de cobre embutidos em perfil aerodinâmico para não gerar

turbulências no interior do túnel. A única justificativa para o uso do tubo de cobre foi sua

geometria, pois na fase inicial de pesquisa houveram dificuldades em encontrar um tubo de

geometria semelhante, porém de material isolante térmico.

Motivo da falha: o cobre é bom condutor térmico, o que aumentou a taxa de

condensado gerado no interior do distribuidor, independente da qualidade do isolante térmico

externo utilizado.

Figura 30). Embora o cobre seja um bom condutor térmico (o que não é desejável no

projeto), foi buscado isolar termicamente ao redor dos tubos de cobre. Inicialmente o

isolamento se mostrou satisfatório, porém foi necessária a mudança do material dos tubos

devido à grande formação de condensado por perdas térmicas elevadas no cobre.

Com o novo material adotado (tubos de caneta), foi feito um sistema para que o

operador tenha a opção de escolher com quantas linhas de corrente do escoamento ele quer

visualizar. Para isso foram adaptados tampões-puxadores (Figura 20) na saída de cada tubo.

(a) (b)

38


Figura 20 – Tampões nas saídas do distribuidor de fumaça

Detalhe para o ajuste do número de linhas de corrente a serem visualizados (a) e para a caixa de

estabilização (b) localizada próxima ao distribuidor (FONTE: o próprio autor).

Após o revestimento de poliuretano, foi percebido que a rugosidade final estava

elevada, devido à alta porosidade da espuma de poliuretano, o que poderia ser um agente

causador de perturbações no escoamento. Para contornar o problema, foi realizado um

segundo revestimento, com gesso polido, no distribuidor para que houvesse uma rugosidade

mínima, contribuindo assim para a melhoria da performance do equipamento. Após o

lixamento do gesso, a peça inteira recebeu pintura preto fosco, para não interferir na

visualização da fumaça. O resultado final é apresentado na Figura 21.

Figura 21 – Distribuidor instalado no túnel.

Distribuidor posicionado no interior do túnel. Revestido internamente com poliuretano e externamente

com gesso. Pintura de acabamento em preto fosco (FONTE: o próprio autor).

(a)

(b)

39


4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Após a fase de montagem e testes, o aparato foi executado para fins qualitativos do

resultado final. No objeto de estudo foi utilizado um perfil aerodinâmico, cedido pelo

laboratório de mecânica dos fluidos (LABMECFLU-UFRN). O experimento foi rodado

inicialmente com o soprador desligado, com o intuito de se observar a qualidade da fumaça

entregue no túnel (Figura 22).

Os tampões-puxadores foram configurados alternadamente (1-sim, 1-não) para

aumentar o espaçamento entre as linhas de corrente. O número total de linhas de corrente

utilizados no experimento final foi de seis linhas, distribuídas na mediana do distribuidor de

fumaça.

Outro fator importante a ser considerado foi a velocidade da fumaça ainda ter sido

inferior à velocidade do escoamento no túnel, o que não atendeu o proposto por Machado

(2007, p. 10). Essa incompatibilidade gerou turbulências ao longo da trajetória da fumaça, o

que pode ser exemplificado pelo formato triangular das linhas de corrente (Figura 23). Apenas

à critério comparativo, na Figura 24, um túnel de vento que utiliza um sistema de visualização

de escoamento também por fumaça, locado em laboratório do Instituto de Tecnologia da

Georgia, EUA. Detalhe para excelente visualização das linhas de corrente, sem turbulência,

caracterizando a equivalência de velocidades da fumaça versus escoamento do túnel.

Figura 22 – Fumaça sendo entregue no túnel com soprador desligado

Em testes de montagem, a fumaça entregue no túnel de vento, com soprador desligado (FONTE: o

próprio autor).

40


No dispositivo desenvolvido, é notável a boa qualidade da fumaça entregue inicialmente

(branca e densa), porém é dever do operador monitorar o aspecto da fumaça com o decorrer

do experimento, respeitando o tempo de pré-aquecimento da câmara de calefação e realizando

ajustes de injeção de ar e de glicerina sempre que possível, visto que pouca injeção de ar não

causa o efeito de sucção da glicerina, fazendo com que haja limpeza da câmara de calefação

(toda a glicerina no sistema será eliminada até que saia apenas ar aquecido no distribuidor),

ou o contrário, injeção máxima de ar que garante a sucção da glicerina, porém demasiada, o

que irá resfriar a câmara de calefação, acumulando glicerina líquida em seu interior e

diminuindo a qualidade final da fumaça. Um manual de operação foi criado no Apêndice B

para uma boa operação do sistema.

Figura 23 – Visualização de escoamento em perfil aerodinâmico

Turbulência na fumaça logo após a saída do distribuidor, evidenciando velocidade incompatível com a

velocidade do túnel (FONTE: o próprio autor).

Figura 24 – Linhas de corrente bem definidas pela fumaça

Visualização por fumaça do escoamento em túnel de vento em perfil aerodinâmico no laboratório do

Instituto de Tecnologia da Georgia (MCMAHON, 2002)

41


A fixação do perfil aerodinâmico foi manual, com variação de posições: ângulo de

ataque positivo (Figura 25-1), ângulo de ataque nulo (Figura 25-2) e ângulo de ataque

negativo (Figura 25-3). Tal mudança na posição do perfil foi capaz de demonstrar o

surgimento de vórtices na parte superior da asa na posição 1 e 2, o que evidencia as regiões de

baixa pressão, responsáveis pela sustentação aerodinâmica do perfil. Já na posição 3, o

surgimento dos vórtices puderam ser visualizados no lado oposto do perfil, o que ocasionaria

perda de sustentação no modelo real (RIBEIRO, Fernanda, 2011).

Figura 25 – Posições utilizadas no perfil aerodinâmico

1- Ângulo de ataque positivo-; 2- Posição normal; 3- Ângulo de ataque negativo (FONTE: o próprio

autor).

Segundo as recomendações de Ribeiro (2006), o purgador desempenhou sua função

como esperado, acumulando o condensado, de coloração amarelada, com proporção em

volume de cerca de 1:10 em relação à quantidade de fluido de fumaça incialmente utilizada

(Figura 26).

Figura 26 – Condensado no purgador

Coleta do condensado no purgador instalado na linha de distribuição da fumaça (FONTE: o próprio

autor).

(1)

(2)

(3)

42


5 CONCLUSÕES

Através das referências bibliográficas consultadas e com o decorrer do desenvolvimento

do projeto do equipamento de fumaça na visualização do escoamento no interior do túnel de

vento, pode-se concluir que:

O uso de fluido glicerinado à base de água é vantajoso por ter baixa toxicidade,

descartando uso de máscaras de gás.

Devido ao túnel ser do tipo circuito aberto, a fumaça na saída do túnel se espalha e se

acumula rapidamente em ambiente fechado.

O acúmulo demasiado da fumaça baseada em fluido glicerinado pode causar ligeira

irritação aos olhos e garganta.

É imperativo o uso de um sistema de exaustão para expelir a fumaça do local, a fim de que

se evitem os efeitos citados anteriormente.

Recomenda-se o uso de equipamentos de proteção individual (EPI’s) para os olhos,

quando estiver posicionado na saída do túnel, pois partículas de poeira podem ser

arremessadas pelo túnel; e proteção auricular, pois o equipamento produz elevados níveis

de ruído e com a exposição prolongada, poderá haver danos permanentes na audição do

operador.

Com uma autonomia de mais de 20 minutos de produção de fumaça em regime

permanente, o equipamento tem plenas condições de ser utilizado pelo corpo docente do

laboratório para fins didáticos e de pesquisa.

Considerando um consumo mensal constante de glicerina a ser utilizado em aulas no

laboratório de mecânica dos fluidos, conclui-se que é possível obter uma economia

significativa na aquisição em larga escala de glicerina, aliado ao seu baixo custo no

mercado;

43


O perfeito funcionamento do sistema dependente da harmonia de parâmetros como:

pressão do ar comprimido, vazão de glicerina, tempo de pré-aquecimento da câmara de

calefação e velocidade do motor do túnel. Sem a devida regulagem, o operador poderá não

obter resultados satisfatórios da visualização do escoamento.

O superaquecimento da fumaça é necessário para fornecer energia suficiente à fumaça

para que haja a garantia de que ela permaneça na fase gasosa durante toda a canalização e

entrega no túnel de vento, onde a formação de condensando seja o mínimo possível. O

isolamento térmico da tubulação e a instalação do purgador foram de fundamental

importância para que fossem amenizadas as perdas térmicas no decorrer da linha de

distribuição.

É possível inferir que o sistema de visualização de escoamento por fumaça é aplicável a

qualquer modelo geométrico que se deseje estudar, sem necessidade de modificações

adicionais que outros métodos de visualização exigem (como a instalação de mangueiras,

fios de lã, etc.), tornando assim o experimento mais prático e rápido.

44


6 SUGESTÕES

Com o decorrer do desenvolvimento do trabalho, houve momentos em que alguns

problemas não foram completamente solucionados, mas sem comprometer o funcionamento

mínimo do equipamento. Este capítulo busca por meio de tópicos sugerir ao leitor alguns

procedimentos para futuras melhorias do equipamento, visando maior facilidade na operação

e qualidade final da fumaça.

O motor necessita de sistema de variação de velocidade, possivelmente por inversor de

frequência, buscando assim equalizar as velocidades do túnel e da fumaça para evitar a

dispersão da mesma na seção imediatamente após sua entrega.

Se possível, seria desejável fabricar outro distribuidor de fumaça com diâmetro interno

menor e distância entre linhas de corrente maiores na seção de entrega. O modelo atual

apresentou interferências nas linhas de correntes vizinhas, devido à pequena distância

entre eles.

Para trabalhos futuros, no que diz respeito à linha de distribuição de fumaça e suas

conexões, é recomendável que sejam inclusas pelo menos 2(duas) uniões roscáveis, uma

na saída da câmara de calefação e outra no ponto de entrega de fumaça no túnel, para

facilitar operações de manutenção e montagem do equipamento.

De preferência, buscar instalar um termostato no fogão elétrico para controlar o

aquecimento da câmara de calefação, pois a exposição prolongada sem injeção de

glicerina causa superaquecimento da tubulação, ultrapassando os limites dos materiais da

linha acarretando sua fusão e posterior vazamento de fumaça.

Em relação ao purgador, poderia ser estudado um método de retorno automático de

condensado para o reservatório de glicerina, simplificando a operação e descartando a

necessidade de parada do equipamento para descarregar o excesso de condensado.

45


REFERÊNCIAS

ALHANATI, Lucien Silvano. Estudo do Calor. Disponível em

<http://alfaconnection.net/pag_avsf/calor.htm>. Acesso em 10 nov. 2012, 21:35:41.

BORGNAKKE, Claus. SONNTAG, Richard E. Fundamentos da Termodinâmica.

Tradução da 7ª ed. americana. São Paulo: Edgard Blucher, 2009. 659 p.

FORD, Elmo Thiago Lins Cöuras. Análise Quali-Quantitativa do Deslocamento da

Camada-Limite em Carrocerias Veiculares. Natal, 2008. Dissertação (Mestrado) –

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN.

FOX, Robert. McDONALD, Alan. Introdução à Mecânica dos Fluidos. Rio de

Janeiro: LTC, 2001.

GOOGLE, Site de busca de imagens. Disponível em

<https://www.google.com.br/imghp>. Acessado em 22 nov. 2012. 19:17:22.

H. MCMAHON.et al. AE3051 Experimental Fluid Dynamics- Flow visualization.

Georgia, US – 2002. Georgia Tech College of Engineering – School of Aerospace

Engineering. Disponível em

<http://soliton.ae.gatech.edu/classes/ae3051/AE3051Labflowvis.pdf>. Acesso em : 22 out.

2012, 22:03:41.

INCROPERA, Frank P. et al. Fundamentos de transferência de calor e de massa.

Tradução e revisão técnica Eduardo Mach Queiroz, Fernando Luiz Pellegrini Pessoa. 6. ed.

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Apêndice A – Primeiras tentativas

Os modelos aqui apresentados foram frutos de muito trabalho e frustração, pois apesar

da simplicidade e praticidade envolvida na montagem, não foram capazes de atender os

requisitos do projeto, sendo posteriormente desmontados e arquivados para alertar o leitor,

caso venha a ter alguma ideia semelhante às aqui apresentadas. Inicialmente foram feitos três

modelos, que serão apresentados a seguir, junto com suas respectivas configurações básicas e

o motivo da falha.

1ª tentativa: Acumulador de baixa pressão (bombona), ferro de solda (2x70w) e

serpentina dupla helicoidal, injeção de glicerina por bomba elétrica de limpador de para-brisa

de automóvel, conforme Figura 27. Todo o aparato foi montado dentro de uma bombona de

20 litros.

Motivo da falha: Pouca vazão de fumaça, muita perda de carga e térmica, ausência de

purgador.

Figura 27 – Acumulador de baixa pressão.

Detalhe do aparato montado no interior da bombona (a); visão geral pós-montagem (b); canalização da

fumaça (c) e o distribuidor (d) no interior do túnel (FONTE: o próprio autor).

(a) (b)

(c) (d)

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2ª tentativa: Acumulador de baixa pressão (cuscuzeira), fogão elétrico (1000 w), com

injeção de gotas de glicerina por gravidade. A ideia deste modelo era de diminuir a vazão

mássica no trocador de calor, garantindo que toda a glicerina injetada fosse vaporizada

(Figura 28).

Motivo da falha: Dificuldade de acoplamento na saída da fumaça, panela não

suportava pressão, vazamento de fumaça, ausência de purgador.

Figura 28 – Acumulador utilizando uma cuscuzeira.

(a) Vista geral do modelo. (b) Detalhe para o ajuste do conta-gotas. (c) Vista traseira do dispositivo

utilizando equipo de soro (FONTE: o próprio autor).

3ª tentativa: Sem acumulador, fogão elétrico (1000 w), Serpentina helicoidal plana, com

tubos de cobre, posicionados diretamente no fogão. Detalhe para isolante térmico de argila na

Figura 29-a com intuito de aumentar a temperatura na serpentina e garantir total vaporização

da glicerina passando em seu interior.

Motivo da falha: Condensado obstruindo tubulação, ausência de purgador.

Figura 29 – Modelo com serpentina plana

(a) Testes com mangueira flexível. (b) Detalhe para acionamento da bomba elétrica por controle

remoto (FONTE: o próprio autor).

(a) (b) (c)

(a)

(b)

50


Modelo inicial do distribuidor: Nos primeiros protótipos(Figura 30), foi buscado utilizar

tubos de cobre embutidos em perfil aerodinâmico para não gerar turbulências no interior do

túnel. A única justificativa para o uso do tubo de cobre foi sua geometria, pois na fase inicial

de pesquisa houveram dificuldades em encontrar um tubo de geometria semelhante, porém de

material isolante térmico.

Motivo da falha: o cobre é bom condutor térmico, o que aumentou a taxa de

condensado gerado no interior do distribuidor, independente da qualidade do isolante térmico

externo utilizado.

Figura 30 – Modelo do distribuidor com tubos de cobre

Modelo inicial do distribuidor, ainda sem isolamento térmico (FONTE: o próprio autor).

Figura 31 – Revestimento isolante no distribuidor

Modelo fabricado inicialmente. Os espaços vazios foram preenchidos com espuma de poliuretano

(FONTE: o próprio autor).

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Apêndice B – Manual de operação do gerador de fumaça

Este manual básico de operação se resume em 5(quatro) passos para produção de

fumaça de forma efetiva. O operador deverá seguir cada passo na ordem e só passar para o

próximo passo quando o anterior tiver sido completado. A Tabela 2 reúne os possíveis

problemas e medidas a serem tomadas.

1. Ligar o compressor e verificar se ele está com carga de no mínimo 70 psi, caso

contrário aguardar que o mesmo atinja a marca;

2. Ligar o fogão elétrico e aguardar um período mínimo de 5 minutos para pré-

aquecimento da câmara de calefação;

3. Ligar o motor de propulsão do túnel de vento;

4. Abrir lentamente a válvula de injeção de ar comprimido observando o efeito de sucção

da glicerina;

5. Observar se há incidência de fumaça no interior do túnel, caso contrário, aumentar a

vazão de ar comprimido até que a glicerina seja pulverizada na câmara de calefação.

Tabela 2 – Solução de problemas

Problema Causa Solução

Fumaça pouco densa

Pouca glicerina sendo evaporada

Verificar se a glicerina está sendo succionada efetivamente no bico injetor

Fumaça dispersando no

túnel

Velocidades (fumaça/escoamento)

incompatíveis

Diminuir a rotação do motor ou aumentar a vazão de ar comprimido

Fumaça amarelada

Temperatura excessiva na câmara de calefação

Cortar o fornecimento de glicerina e injetar apenas ar comprimido para limpar o sistema e promover seu

resfriamento; Desligar o fogão elétrico por alguns minutos, religando-o novamente.

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Anexo 1 - Ficha de informação da glicerina

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Anexo 2 - Dados eletromecânicos do motor

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Anexo 3 – Plaqueta de identificação do motor

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Anexo 4 – Instalação física do motor

tcc-edivan

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