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Utilização de Termopares para a Caracterização de Chamas Turbulentas Feito por: Carlos Antunes Pedro Martins

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Page 1: Utilização de Termopares para a Caracterização de Chamas Turbulentas Feito por: Carlos Antunes Pedro Martins

Utilização de Termopares para a Caracterização de Chamas

Turbulentas

Feito por:

Carlos Antunes

Pedro Martins

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Carlos Antunes ; Pedro Martins 2

Estrutura

Introdução

Funcionamento de Termopares

Construção de Termopares

Limitações dos Termopares

Avaliação da Constante de Tempo dos Termopares

Referências Bibliográficas

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Carlos Antunes ; Pedro Martins 3

Introdução

As propriedades do escoamento numa combustão têm sido tradicionalmente medidas utilizando sondas.

• Qual a interferência da sonda?

• Qual a resolução temporal da sonda?

Porque não utilizar técnicas ópticas?

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Carlos Antunes ; Pedro Martins 4

Introdução

A utilização de Técnicas ópticas levantam outros problemas:

• necessidade de acesso óptico;

•Difícil obter informação de alta qualidade em meios fortemente luminosos ou carregados de partículas.

A medição de grandezas escalares está dependente de vários factores como a presença de partículas no escoamento

A precisão dos resultados é ainda questionável

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Carlos Antunes ; Pedro Martins 5

Introdução

Vantagens do uso de sondas:

• barato;

• simples;

• fáceis de usar;

• por vezes os mais fiáveis.

Desvantagens do uso de sondas:

• causam interferência no escoamento;

• qual a menor escala mensurável num escoamento turbulento?

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Carlos Antunes ; Pedro Martins 6

Introdução

Métodos Ópticos ou Intrusívos?

complexidade da análise;

capacidade e experiência do utilizador;

custos dos equipamentos;

(em geral as grandezas escalares são medidas utilizando técnicas intrusívas)

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Carlos Antunes ; Pedro Martins 7

Funcionamento de Termopares

EFEITO DE SEEBACK

-É o resultado combinado dos efeitos de Thomson e Peltier:

Thomson observou a existência de uma FEM devido ao contacto de dois metais diferentes, geralmente pequena e desprezável.

Peltier descobriu que gradientes de temperaturas ao longo de fios condutores geram um FEM

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Carlos Antunes ; Pedro Martins 8

Funcionamento de Termopares

EFEITO DE SEEBACK

Vantagens:Simples

Vasta gama de temperaturasVariedade

Barato

Desvantagens:Não-Linear

FEM gerada é pequenaNecessita de Temp. de Ref.

Pouca Sensibilidade

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Carlos Antunes ; Pedro Martins 9

Funcionamento de Termopares

LEI DOS METAIS INTERMÉDIOS

A inserção de um novo Metal C no circuito não influenciará o valor da FEM desde que as novas junções estejam a

temperaturas idênticas.

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Carlos Antunes ; Pedro Martins 10

Funcionamento de TermoparesPara o estudo de chamas turbulentas tem-se utilizado ligas de

rhodium-platinum

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Carlos Antunes ; Pedro Martins 11

Funcionamento de Termopares

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Carlos Antunes ; Pedro Martins 12

Construção de TermoparesUTILIZANDO UMA DESCARGA ELÉCTRICA

1) O par de fios a serem soldados são fixos e manipulados por dois micromanipuladores e conectados a um dos terminais do gerador de tensão. O fim de cada fio, com cerca de 5 mm é previamente lavado com acetona. As duas pontas são então colocadas em contacto, em forma de V com um ângulo de 45º-60º.

2) Um eléctrodo refractário de grafite é conectado ao outro terminal do gerador de tensão. O eléctrodo entra em contacto com os dois fios, e aplica-se uma descarga eléctrica, controlada em amplitude e duração.

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Carlos Antunes ; Pedro Martins 13

Construção de TermoparesUTILIZANDO UMA DESCARGA ELÉCTRICA

3) Uma vez obtida uma boa junção, atendendo ao seu tamanho (rj/rf<2.0), verifica-se se é suficientemente forte aplicando tracção axial manual.

4) Monta-se o termopar nos fios do suporte, por forma a que a junção fique centrada, utilizando os micromanipuladores.

Nota: Em todas as operações o operador utiliza um microscópio.

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Construção de Termopares

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Construção de Termopares

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Construção de Termopares

DIMENSÕES TÍPICAS DE UM TERMOPAR DE FIO FINO

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Limitações dos Termopares

• O Termopar não é um sensor ideal.

• O Termopar indica a sua temperatura, que é, em geral, diferente da do gás.

Perturbações induzidas no escoamento pela sonda; Contaminação dos fios dos termopares; Efeitos Catalíticos; Transferências de Calor (condução e radiação); Determinação de valores médios.

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Limitações dos Termopares

PERTURBAÇÕES INDUZIDAS PELA SONDA

A introdução de um termopar de fio fino no escoamento causa perturbações locais e globais, que podem ser de natureza:

aerodinâmica (podem ser as mais severas); térmica; química.

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Limitações dos Termopares

PERTURBAÇÕES INDUZIDAS PELA SONDA

Perturbações aerodinâmicas globais:• São minimizadas para escoamentos sem recirculações;• No caso de “pre-mixed flames”:

Pode alterar as características da mistura “ar+ fuel”Pode servir como “flame holder”

Perturbações aerodinâmicas locais:• Resulta da conversão de energia cinética em energia térmica na camada limite ao longo do termopar;• mostra-se que o erro é desprezável para escoamentos de combustão em que M<0,1.

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Limitações dos Termopares

PERTURBAÇÕES DE NATUREZA QUÍMICA

• Em atmosferas reduzidas (hidrogénio, vapor de água, CO, metano,...) a platina e as suas ligas reagem com espécies químicas activas.

Acelerando a decomposição da cerâmica refractária usada para isolar os elementos térmicos

• Acima dos 1200ºC ocorre a formação dos Silicatos de Platina, tornando os fios quebradiços.

Nota: A contaminação ocorre ainda que não haja contacto directo da sílica com os fios, pois esta encontra-se inicialmente

noutros compostos.

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Limitações dos Termopares

CATÁLISE NAS SUPERFÍCIES DOS TERMOPARES

• Em contacto com atmosferas reduzidas, a superfície da platina actua como catalisador de reacções exoenergéticas, em particular nas recombinações de radicais, dando origem a erros sistemáticos.

Nota: “Pre-mixed flames” são particularmente propícias à ocorrência deste fenómeno, devido à recombinação de OH na camada limite dos fios

Como evitar este efeito?

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Limitações dos Termopares

CATÁLISE NAS SUPERFÍCIES DOS TERMOPARES

Cobrindo os fios com material não catalítico: Material de Sílica : sofrem redução e contaminam os fios; Cerâmica de Berílio+Ítrio : o berílio é extremamente tóxico e venenoso; Cerâmica com base em Alumina

Aumenta o diâmetro dos fios

Deteora a resposta em frequênciaAumenta a emissividade

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Limitações dos Termopares

CATÁLISE NAS SUPERFÍCIES DOS TERMOPARES

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Limitações dos Termopares

EFEITOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Outros dos efeitos que contribui para que a temperatura do termopar não seja igual à do gás é a transferência de calor entre a junção, os fios e o meio circundante.

Realizando um balanço e desprezando a radiação entre o termopar e o gás, vem:

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Limitações dos Termopares

EFEITOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR - CONDUÇÃO

Erros sistemáticos são obtidos devido à condução de calor através dos fios quando estes estão sujeitos a gradientes de temperatura.

A condução do calor não é afectada:• pelo diâmetro da junção;• velocidade de chama.

Verifica-se que os erros são principalmente função do comprimento do fio.

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Limitações dos Termopares

EFEITOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR - CONDUÇÃO

Admite-se que os erros são desprezáveis para comp/diam>200

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Limitações dos Termopares

EFEITOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR - RADIAÇÃO

Erros de maior grandeza podem surgir da troca de calor por radiação entre o termopar e as paredes envolventes.

Estimativas dos erros são difíceis e pouco precisas. Note-se que, por exemplo, a emissividade da liga Pt-10%Rh pode variar 40% entre os 600ºC e os 900ºC.

Em geral verifica-se que o erro aumenta com o aumento da temperatura, podendo atingir 10% do valor medido com o termopar.

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Limitações dos Termopares

EFEITOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR - RADIAÇÃO

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Carlos Antunes ; Pedro Martins 29

Limitações dos Termopares

EFEITOS DO USO DE PIRÓMETROS DE SUCÇÃO

Numa tentativa de diminuir os erros associados à radiação utilizam-se estes instrumentos, por forma a proteger os Termopares das paredes circundantes.

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Carlos Antunes ; Pedro Martins 30

Limitações dos Termopares

EFEITOS DO USO DE PIRÓMETROS DE SUCÇÃO

Surgem outras fontes de erro:

• geometria da sonda;

• a posição da junção do termopar;

• geometria do escudo protector;

• velocidade de sucção dos gases.

Maiores velocidades Maiores coeficientes de transferência de calor

O valor medido estabiliza para v=200m/s.

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Limitações dos Termopares

ERROS NA AVALIAÇÃO DA TEMPERATURA MÉDIA

Os Termopares não têm resolução espacial nem temporal para fornecer valores instantâneos.

O termopar não é um sensor ideal. A junção tem massa, pelo que necessita de tempo para mudar de temperatura.

A capacidade de aquecimento da junção é caracterizada pela constante de tempo da sonda “τ”, que é uma medida da resposta em frequência da sonda.

f=1/ τ Para variações de temperatura associadas a frequências supeiores a f o termopar não consegue detectar.

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Limitações dos Termopares

ERROS NA AVALIAÇÃO DA TEMPERATURA MÉDIA

O termopar actua inicialmente como um filtro passa-baixo, pelo que pode ser necessário utilizar um circuito compensador.

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Avaliação de τ dos Termopares

Fazendo um balanço de energia à junção do termopar vem:

Note-se que os coeficientes de transferência de calor variam com a temperatura. Logo, também a constante de tempo dos termopares varia com a temperatura

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Avaliação de τ dos Termopares

1º MÉTODO: “1/E METHOD”

• τ é determinado (tradicionalmente) aquecendo o termopar com uma corrente eléctrica e fazendo-o arrefecer através de uma convecção forçada;

• τ é designado como o tempo que a temperatura leva decair para 1/e do seu valor inicial.

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Avaliação de τ dos Termopares

1º MÉTODO: “1/E METHOD”

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Avaliação de τ dos Termopares

2º MÉTODO: “PLATEAU METHOD”

Na realidade, a diminuição de temperatura não é exponencial devido a:

• diferença de temperatura entre a junção e os fios;

• efeito de Peltier.

Assim τ pode ser determinado, plotando a evolução da resolução temporal da constante de tempo.

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Avaliação de τ dos Termopares

2º MÉTODO: “PLATEAU METHOD”

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Avaliação de τ dos Termopares

INCERTEZAS NA DETERMINAÇÃO DE τ

Estimação do nível do “plateau”;

Envelhecimento do termopar devido à contaminação com partículas e outras impurezas inerentes ao processo de combustão;

dependência de τ com a velocidade e a temperatura.

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Carlos Antunes ; Pedro Martins 39

Referências Bibliográficas

[1] M. V. Heitor and A. L. N. Moreira “Thermocouples and Sample Probes for Combustion Studies”, 1993

[2] Moneib, Hany Ahmed “Experimental Study of the Fluctuating Temperature in Inert and Reacting Turbulent Jets”, 1980

Azinheira, J.R. “Acetatos das aulas de Instrumentação”

Moreira, Lucia, “Medição de Temperatura usando-se Termopar”

http://www.nist.gov