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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE
ESTUDO DO EFEITO DE UMA PONTEIRA DE CHAMINÉ
NA VAZÃO MÁSSICA DO ESCOAMENTO
por
Felipe Ramos Coelho
Mauricio Lazzari
Tomás Mallmann Paganin
Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas
Professor Paulo Smith Schneider
Porto Alegre, Novembro de 2013
2
Coelho, F. R., Lazzari, M., Paganin, T. M. Estudo do efeito do perfil de uma chaminé na
vazão mássica do escoamento. 2013. 21 p. Trabalho final da disciplina Medições Térmicas do
curso de Engenharia Mecânica. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do
Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2013.
RESUMO
Este trabalho apresenta uma tentativa de melhoria do escoamento de gases aquecidos no
interior de chaminés. Tendo como premissa que nada mais além da ponteira pode ser alterada, a
proposta aqui é acoplar uma estrutura na extremidade livre de uma chaminé, que interfira
positivamente no escoamento dos gases provenientes de uma fonte quente, podendo esta ser a
representação de um sistema industrial ou simplesmente o calor proveniente da queima do
carvão usado em uma churrasqueira. Por interferência positiva, entende-se maior vazão mássica
extraída pela chaminé quando a ponteira está instalada do que na ausência da mesma. A
metodologia utilizada é baseada no aumento do Efeito Venturi, através da aceleração da corrente
de ar externa perpendicular a ponteira da chaminé, utilizando um perfil aerodinâmico. O sistema
é submetido tanto às situações de ausência e presença de corrente de ar externo quanto a uma
corrente de ar interno com velocidade entre 5m/s e 10m/s, afim de simular situações práticas
possíveis. A ponteira proposta foi testada no LETA-UFRGS (Laboratório de Estudos Térmicos e
Aerodinâmicos) e submetida às condições propostas. Foram utilizados sensores de vazão e de
temperatura, calibrados com base em sensores de referência, no processo de medição das
quantidades físicas envolvidas. Através das medições, foi possível calcular a magnitude e
incerteza da vazão mássica envolvida no escoamento. Notou-se um aumento na vazão mássica
extraída de 12,68% na ausência e de 8,94% na presença de vento externo. Acredita-se que o
aumento com a presença do vento externo é devido ao perfil escolhido, porém a outra situação
foi inesperada. A fim de entender melhor a influência do perfil no escoamento, seria necessário
um método de medição de vazão de maior resolução ou maiores velocidades de escoamento. Por
fim, o perfil estudado mostrou-se eficiente por sua simples construção, baixo custo e melhora
significativa na extração de gases internos.
Palavras-chave: Ponteira, chaminé, vazão mássica, efeito Venturi, sensores de vazão e de
temperatura.
3
Coelho, F. R., Lazzari, M., Paganin, T. M. Study of the effect of a chimney profile on the mass
flow rate of its flow. 2013. 21 p. Final Paper of Thermal Measurements at the Mechanical
Engineering Course – Mechanical Engineering Department, Universidade Federal do Rio Grande
do Sul, Porto Alegre, 2013.
ABSTRACT
This paper presents an attempt to improve the flow of heated gas inside chimneys.
Knowing that nothing beyond the tip could be changed , the proposal here is to assemble a
structure at its free end that interfere positively in the flow of gases from a hot source, which
may be the representation of an industrial system or just the heat from the burning of coal used in
a barbecue. By interfering positively it is meant that a higher mass flow is extracted by the
chimney when the cap is installed than in its absence. The methodology is based on the increase
of the Venturi Effect, by accelerating the external air stream perpendicular to the chimney tip,
using an aerodynamic profile. The system is subjected to both cases of absence and presence of
external air stream as a stream of inner air velocity between 5m/s and 10m/s in order to simulate
possible practical situations. The tip was tested at LETA-UFRGS (Laboratory of Aerodynamic
and Thermal Studies ) and subjected to the proposed conditions . Flow sensors and temperature
sensors were calibrated based on reference sensors and used in the measurement of the physical
quantities involved on the phenomenon. Through the measurements, it was possible to calculate
the magnitude and uncertainty of the mass flow rate involved in the flow. It is observed that there
is an increase in the mass flow rate by 12,68% in the absence and by 8,94% in the presence of
external wind. It is believed that the increase in the presence of external wind is due to the
chosen profile, but the other scenario was unexpected. In order to better understand the influence
of the profile on the flow behavior it would be required a method of flow measurement of higher
resolution and larger flow rates. Finally, the profile studied proved to be efficient for its simple
construction, low cost, and significant improvement in the extraction rate of internal gases.
Keywords: Tip, chimney, mass flow rate, Venturi effect, flow and temperature sensors .
4
LISTA DE FIGURAS
Fig. TÍTULO Pag.
1 Esquema da bancada utilizada. 8
2 Esquematização da medição com tubo de Pitot. 10
3 Esboço da vista frontal da ponteira projetada. 13
4 Ponteira da chaminé. 14
5 Curva de calibração do sensor NTC. 15
6 Curva de utilização do NTC. 16
7 Curva de calibração do Tubo de Pitot. 17
8 Curva de utilização do Tubo de Pitot. 17
5
LISTA DE TABELAS
Fig. TÍTULO Pag.
1 Método das Cotas de Newton. 11
2 Valores da declividade da curva de calibração e sensibilidade e resolução do
sensor.
15
3 Incerteza de medição da vazão mássica 18
4 Resultados da medição realizada na bancada para os quatro ensaios utilizando o
sensor NTC e o Tubo de Pitot
19
5 Resultados do cálculo da vazão para os quatro ensaios utilizando o Tubo de
Pitot.
20
6 Resultados finais da medição utilizando as curvas de utilização do sensor NTC e
do Tubo de Pitot calibrados.
20
7 Incertezas de medição da vazão mássica 21
6
LISTA DE SÍMBOLOS
Símbolo Grandeza Unidade
Massa Específica do ar kg/m³
Massa Específica da água kg/m³
p Pressão do ar Pa
v Velocidade do escoamento de ar m/s
Vazão volumétrica do escoamento m³/s
Vazão mássica do escoamento kg/s
A Área da seção do tubo mm²
Velocidade média determinado pelas Cotas de Newton m/s
Velocidade medida para cada ponto m/s
Fator de peso de cada medida -
x Adimensional para coordenadas retangulares -
r Adimensional para coordenadas polares -
n Número de amostras -
Média aritmética de um conjunto de eventos -
Valor de determinado evento de um conjunto -
s Desvio padrão experimental -
t Valor da distribuição t de Student para uma certa
confiabilidade e grau de liberdade.
-
ω Incerteza de medição de uma grandeza -
Incerteza propagada da vazão -
R Resistência elétrica Ω
T Temperatura °C
S Sensibilidade Ω/°C
7
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .............................................................................................................................8
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ......................................................................................................9
3. FUNDAMENTAÇÃO ...................................................................................................................9
3.1. Mecânica dos Fluidos ...........................................................................................................9
3.2. Tubo de Pitot .........................................................................................................................10
3.2.1. Cotas de Newton ..........................................................................................................11
3.3. Incerteza de Medição ............................................................................................................11
3.3.1. Propagação da Incerteza ..............................................................................................12
3.4. Resolução e Sensibilidade de Instrumentos de Medição ......................................................12
4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS ...................................................................................................13
4.1. Montagem da Ponteira ..........................................................................................................13
4.2. Calibração do NTC ...............................................................................................................14
4.3. Calibração do Tubo de Pitot .................................................................................................16
4.4. Medição na Bancada .............................................................................................................18
5. RESULTADOS..............................................................................................................................19
5.1. Discussão dos Resultados .....................................................................................................21
6. CONCLUSÕES .............................................................................................................................21
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...........................................................................................22
8
1. INTRODUÇÃO
Este trabalho foi apresentado como parte da avaliação da disciplina de Medições
Térmicas do curso de Engenharia Mecânica da UFRGS, que foi realizada como forma de
concurso entre os grupos da turma. O problema se baseia no fato de que, na prática, calor precisa
ser sempre transferido de um ambiente para outro para que se mantenha um equilíbrio da
natureza ou também para se obter conforto ou determinadas condições climáticas em um
determinado ambiente. Para que o trabalho fosse realizado, uma bancada comum a todos os
grupos foi fornecida pelo professor da disciplina, conforme Figura (1).
O problema tratado neste trabalho é o de remover os contaminantes, neste caso gases
aquecidos, através da convecção gerada pelo empuxo dos gases a diferentes temperaturas afim de
simular condições encontradas industrialmente e no nosso cotidiano, tal como a extração dos
gases provenientes da queima do carvão em uma churrasqueira ou de uma lareira, por exemplo.
Afim de se simular essas condições, o carvão foi substituído por uma resistência elétrica e ar foi
soprado através de um ventilador em direção à resistência. O ar aquecido sobe por uma chaminé,
passando por um sistema que direciona o fluxo afim de reduzir um pouco sua turbulência e
depois se direciona à extremidade livre da mesma. Para verificação da eficiência da ponteira
acoplada, medidores de temperatura e de vazão foram acoplados ao sistema original, conforme
mostra a Figura 1.
Figura 1 – Esquema da bancada utilizada[Edital do projeto].
O objetivo do trabalho é, então, projetar um sistema que aumente a vazão mássica que
flui através da chaminé, bem como realizar corretamente as medições de temperatura dos gases e
da vazão através da utilização de medidores estudados ao longo do semestre letivo.
9
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Chaminés são dispositivos utilizados para expulsar gases indesejados e fazer a ventilação
interna de um determinado ambiente, preservando a qualidade do ar interior. Sendo assim, é de
grande interesse otimizar a vazão de uma chaminé, tendo em vista aumentar a eficiência do
equipamento.
Segundo Chiarello, 2006, a vazão de ar que passa por uma chaminé devido a ventilação
natural é causada por dois mecanismos: o efeito chaminé e o efeito dos ventos, podendo os dois
ocorrer simultanemente.
Amado, 2011, realizou um estudo numérico através de simulações computacionais afim
de compreender melhor como um fluido escoa desde o interior da chaminé até a sua interação
com um escoamento externo. Seus resultados mostram que o escoamento ocorre de forma
simétrica em pontos onde a velocidade não é nula ou muito baixa.
3. FUNDAMENTAÇÃO
3.1. Mecânica dos Fluidos
A primeira intuição que se poderia ter é que a ponteira da chaminé não teria grande
influência sobre a vazão mássica que sai da mesma, pois esta estaria sendo regulada pelo
ventilador principal. Porém, é um fato bem conhecido que perdas de carga, sendo elas no início
ou no fim de um duto, determinam o comportamento do escoamento ao longo de toda a
tubulação, pois a lei fundamental da conservação da massa deve ser sempre satisfeita, ou seja, a
vazão mássica que passa através de uma seção de um duto deve obrigatoriamente ser a mesma
que aquela que passa em qualquer outra seção do mesmo.
Outro efeito interessante que está presente neste problema e que ocorre especialmente na
ponteira da chaminé é o Efeito Venturi. Esse efeito é explicado pela equação de Bernoulli
(Equação 1), de [Fox 2001], apresentada na sua forma já simplificada para este problema através
da negligência da variação da massa específica do ar, que diz que quando a velocidade de um
escoamento aumenta (escoamento principal), sua pressão cinética aumenta e, consequentemente,
a pressão estática naquele ponto diminui. Esse ponto com menor pressão estática pode ser usado
para succionar fluido de uma outra tubulação instalada nesse ponto, gerando um escoamento
secundário, que se une ao escoamento principal. Maior será o Efeito Venturi quanto maior for a
aceleração dos gases do escoamento principal.
(1)
10
O cálculo da vazão volumétrica é feito através da Equação 2,de [Schneider 2011], a seguir,
utilizando a velocidade do escoamento calculada pela Equação 1 acima.
(2)
Por fim, como objetivo do trabalho, a vazão mássica pode ser determinada se dá através
da Equação 3, de [Schneider 2011] a seguir. Segundo [Fox, 2001], a massa específica do ar para
temperaturas entre 40 e 45 graus celsius pode ser considerada como ρ=1,12kg/m³.
(3)
Afim de se maximizar a extração de gases, pode-se reduzir as perdas de carga do sistema
ou então melhorar a ponteira da chaminé. Como as perdas de carga da estrutura anterior à
extremidade livre não puderam ser alteradas, pois esta devia ser a mesma para todos os grupos, o
problema resumiu-se à instalação de uma ponteira que melhore o escoamento. A abordagem
escolhida pelo grupo foi a utilização do Efeito Venturi na extremidade da chaminé. Para tanto,
foi necessário projetar uma ponteira com geometria tal que acelere o ar soprado pelo ventilador
auxiliar.
3.2. Tubo de Pitot
O tubo de pitot é um instrumento de medição de pressão que, pelo equacionamento (1) e
hipóteses desenvolvidas por Bernoulli, também pode-se encontrar a velocidade do escoamento.
Tal instrumento consiste em um tubo orientado na direção do movimento do fluido, mas sentido
oposto, um segundo tubo perpendicular à orientação do escoamento, e por fim um terceiro tubo
em U, com um fluído interno diferente do fluido medido, no qual é conectado os dois primeiros
tubos. Os dois primeiros tubos devem ser instalados de forma que as pressões estátitcas de ambos
sejam aproximadamente iguais, de acordo com a Figura 2.
Figura 2 - Esquematização da medição com tubo de Pitot.[Schneider, 2011]
11
A diferença de altura deste segundo fluido complementará a equação de bernoulli,
fornecendo a diferença entre a pressão estática e a estagnada, que permite o cálculo da
velocidade do escoamento e por sua vez, a vazão do mesmo [Schneider, 2011].
3.2.1. Cotas de Newton
Como o escoamento em uma tubulação pode apresentar diferentes velocidades ao longo
da mesma secção, tem se o problema adicional de definir qual a velocidade média deste
escoamento. Dentre diversos métodos utilizados para este problema, tem-se as Cotas de Newton,
que consiste em escolher diferentes pontos ao longo do raio para se obter as medições, dando
para os valores medidos diferentes fatores de peso, dependendo em qual ponto foi medido, para
um cálculo ponderado da média da velocidade do fluido. Segundo a Equação 4, a velocidade
média do escoamento é a média dos valores medidos multiplicados pelos fatores de peso
definidos pelo método.
(4)
Tais pesos podem ser encontrados na Tabela 1, que apresenta as cotas de newton para 2 a
3 pontos de medições, onde w é o fator de peso dado para cada ponto, r, que varia entre 0 e 1, é a
um valor adimensional que é determinado pela razão entre a distancia do centro até o valor de
medição e o raio da tubulação, e o mesmo serve para a variável x, que trabalha com coordenadas
retangulares [Schneider, 2011].
Tabela 1 - Método das Cotas de Newton [Schneider 2011].
Quantidade de pontos
de medição (m)
x r w
2 0
1
0
1
1,2
3 0
0,5
1
0
0,707
1
0,1667
0,6667
0,1667
3.3. Incerteza de medição
Em qualquer procedimento experimental, os valores medidos podem ou não divergir do
valor verdadeiro. Quando se obtém algum dado por medição, deve-se considerar não apenas o
valor da grandeza medida, mas também o quanto este valor difere do valor real. Considera-se
assim, a incerteza de medição como quanto o melhor valor da grandeza pode diferir do valor
verdadeiro, em termos de probabilidade [Schneider, 2007].
12
Sendo n o numero de eventos, cada um com um valor obtido experimentalmente, tem-
se de acordo com a Equação 5 a média aritmética, , da grandeza medida.
(5)
Para casos em que se tem uma pequena amostra, como neste experimento, tem-se o
desvio padrão experimental definido pela Equação 6 e a incerteza da grandeza definida pela
Equação 7.
(6)
(7)
Onde ω é a incerteza de medição, s é o desvio padrão de cada medida, t é o valor da
distribução t de Student, e n é o número de amostras.
3.3.1. Propagação da incerteza
Segundo [Schneider, 2007], ‘é muito comum a determinação de uma grandeza e de sua
incerteza de medição a partir do conhecimento de outras grandezas determinadas
experimentalmente, juntamente com suas incertezas’. Tal incerteza propagada é calculada pela
Equação 8, que utiliza da derivada da equação que define a tal grandeza em função de suas
variáveis junto das incertezas destas. Neste caso, a Equação 8 já é desenvolvida para o problema
de vazão mássica do experimento.
ω
ρωρ
ω
(8)
3.4. Resolução e Sensibilidade de Instrumentos de medição
Segundo [Schneider, 2007], resolução é o menor incremento da ari el a ser medida
que pode ser detectada pelo sistema de medição".
inda segundo [Schneider, 2007], sensi ilidade é a ariação do sinal de sa da de um
sistema de medição em resposta ariação da grandeza a ser medida", que para um termistor,
por exemplo, se traduziria na Equação 9.
Onde dR é a variação da resistência elétrica do sensor e dT é a variação da temperatura
que está sendo medida.
13
4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS
4.1. Montagem da Ponteira
A fim de acelerar o escoamento do ar proveniente do ventilador externo, partiu-se da
ideia de usar um perfil aerodinâmico que usasse o mesmo princípio que o utilizado nas asas de
aviões, ou seja, acelerar o escoamento na parte superior da mesma devido à curvatura do perfil.
Um esboço da vistas frontal do perfil pode ser visualizado na Figura 3.
Figura 3 - Esboço da vistas frontal da ponteira projetada.
Para a confecção da ponteira foram necessários: Furadeira de bancada, serra, lima, lixa,
cano de PVC diâmetro 100mm, Cascola, tigela caseira de plástico e papelão.
Para a medição das grandezas qualificadoras da ponteira foram utilizados um tubo de
Pitot, feito a partir de um tu o de co re com diâmetro ¼” e dobrado com um dobrador de tubos,
ambos cedidos pelo LETA, para medição da vazão mássica e um termistor do tipo NTC 50R
para medição da temperatura dos gases.
De maneira simples, foi utilizada uma tigela caseira de plástico, visto que a mesma já
apresentava uma curvatura aparentemente interessante.
A parte central da tigela foi cortada com uma broca serra copo com diâmetro 100mm
acoplada a uma furadeira de bancada, instalada no LETA (Laboratório de Estudos Térmicos e
Aerodinâmicos) da UFRGS, resultando em um furo na parte central da tigela. Um tubo de PVC
também com diâmetro 100mm e 150mm de altura foi colado no furo central da tigela. Aletas de
papelão foram coladas a 45º, afim de direcionar o fluxo de ar que escoaria pelas lateriais da
chaminé para a extremidade da ponteira, melhorando o efeito venturi.
Após o procedimento de montagem, a ponteira ficou como ilustrado na Figura 4.
14
Figura 4 - Ponteira da chaminé montada com as aletas.
4.2. Calibração do NTC
Para calibrar o NTC foi utilizado como referência o PT100 previamente calibrado presente na
bancada do experimento e conectado a um sistema de aquisição de dados. O sistema de aquisição de
dados registra o valor de resistência medido pelo PT100 e converte esse valor automaticamente para
temperatura em graus celsius. O procedimento consiste em ajustar uma frequência de rotação do
ventilador e, para essa frequência, medir o valor de resistência do sensor a ser calibrado e de temperatura
do sensor de referência, para diferentes temperaturas setadas no aquecedor resistivo. Para esse trabalho,
calibrou-se o NTC para a faixa de temperatura em torno da temperatura utilizada nos ensaios realizados
de 40 ºC.
A partir dos valores de temperatura de referência e resistência do NTC, determinou-se a
curva de calibração do sensor através de um ajuste de curva utilizando o software CurveExpert.
O software indicou quais curvas se ajustaram melhor aos dados obtidos, sendo a logarítimica a
de maior correlação. Outras curvas que apresentaram boa correlação foram a exponencial, que
obedece o modelo normalmente proposto para termoresistores do tipo NTC, e a linear, que
simplifica a posterior utilização do sensor e facilita a obtenção de parâmetros de medição como
resolução, sensibilidade, entre outros. Sendo assim, o ajuste de curva linear foi escolhido devido
suas vantagens e pode ser visualizado na Figura 5.
15
Figura 5 - Curva de calibração do sensor NTC.
De acordo com a figura, nota-se que a correlação linear da curva de calibração é muito
boa. Isso ocorre pois, apesar da natureza exponencial do comportamento da resistência de um
NTC em função da temperatura, a faixa de calibração está contida na faixa menos acentuada da
exponencial, aproximando-se muito de uma reta para faixas pequenas como a utilizada. Através
da declividade da reta de calibração, foi possível extrair o valor de sensibilidade, e
consequentemente, a resolução do sensor. A resolução no entanto, depende do menor valor que
pode ser lido no multímetro digital, que para a escala de 400 Ω usada é 0,01 Ω. Esses valores de
declividade, sensibilidade e resolução podem ser visualizados na Tabela 2.
Tabela 2. Valores da declividade da curva de calibração e sensibilidade e resolução do sensor.
Declividade da Reta de Calibração Sensi ilidade (Ω/°C) Resolução (°C)
-1.34 1.34 0.00746
No entanto, ao utilizar o sensor para futuras medições, é interessante possuir a curva de
utilização do sensor, que está na Figura 6.
16
Figura 6 - Curva de utilização do NTC.
A incerteza de medição associada ao NTC é devida somente à incerteza de medição do
multímetro utilizado para medir a resistência elétrica do termistor, pois assume-se o valor obtido
pelo sensor PT100 de referência como o valor real da variável. De acordo com o fabricante, a
incerteza do multímetro para a faixa de medição em que o mesmo foi utilizado é dada por
+(0,3%+8d)+test leads short circuit, onde test leads short circuit é a resistência de curto circuito
das ponteiras do multímetro. No ensaio as ponteiras apresentaram uma resistência de curto
circuito de 0,05 Ω, os digitos são de 0,01 Ω e o fundo de escala usado foi de 400 Ω. A incerteza
total resulta em + 1,33 Ω.
4.3. Calibração do Tubo de Pitot
Na calibração do Tubo de Pitot usou-se como vazão de referência a vazão obtida através
da medição utilizando a placa de orifício calibrada pelo LETA. A vazão de referência foi
comparada com a vazão obtida pelo Tubo de Pitot para cinco valores diferentes de rotação do
ventilador principal. Essas vazões foram calculadas a partir de alturas manométricas que foram
obtidas pelo mesmo manômetro. Foram utilizadas as Cotas de Newton para calcular as vazões no
Tubo de Pitot gerando a curva de calibração da Figura 7.
17
Figura 7 - Curva de calibração do Tubo de Pitot.
De maneira semelhante à feita com o sensor NTC, obtém-se a curva de utilização do
Tubo de Pitot para facilitar o processo de medição com o sensor, como na Figura 8.
Figura 8 - Curva de utilização do Tubo de Pitot.
18
A incerteza de medição associada à medição com tubo de Pitot deve-se à combinação das
incertezas de medição devido ao uso do paquímetro e da leitura da altura manométrica do tubo
em U inclinado.
A incerteza da medição do diâmetro do tubo, relativa à utilização do paquímetro, resultou
em um valor de +0,01 mm devido a resolução do paquímetro de 0,02 mm. Como foi utilizada
uma amostra de cinco diâmetros, através da Equação 7 foi definida a incerteza do paquímetro e
utilizada no cálculo da incerteza total.
A resolução do tubo de Pitot presente no laboratório é de 0,5 mm, resultando em uma
incerteza de +0,25 mm.
Com essas incertezas, através da utilização da Equação 8 calculou-se a incerteza de
medição da vazão mássica para cada velocidade do ventilador. Os resultados estão mostrados na
Tabela 3.
Tabela 3. Incerteza de medição da vazão mássica.
Incertezas dm/dH dm/dD Incerteza total (kg/s)
Rotação 1 0.00016 0.88 0.0063
Rotação 2 0.00016 0.88 0.0063
Rotação 3 0.00012 1.02 0.0073
Rotação 4 0.00009 1.13 0.0082
Rotação 5 0.00008 1.25 0.0090
4.4. Medição na Bancada
Ao realizar a medição da vazão e temperatura na ponteira da chaminé, deseja-se uma
velocidade do escoamento interno entre 5 m/s e 10 m/s e uma temperatura em torno de 40 °C.
Escolheu-se um valor de velocidade em torno de 5 m/s para que a influência do vento externo
seja mais pronunciada, simulando melhor as condições reais de operação de uma chaminé. Para
obter esse valor de velocidade, ajustou-se a frequência de rotação do ventilador principal até que
a velocidade do vento sem ponteira e sem ventilador auxiliar chegasse próxima de 5 m/s. Já a foi
temperatura foi mantida em torno de 40 °C ajustando o aquecedor resistivo para operar nessa
temperatura.
Com a bancada nessas condições e após ocorrer a estabilização da temperatura no
escoamento, iniciou-se o processo de medição sem a presença da ponteira e do ventilador
auxiliar, chamado ensaio 1. A medição da temperatura foi feita utilizando o sensor NTC
calibrado anteriormente e a vazão foi medida com um tubo de pitot e o método das cotas de
19
Newton. As cotas de Newton foram utilizadas para três pontos distintos e esses pontos foram
marcados no tubo de pitot.
A média ponderada das velocidades medidas nesses pontos gerou a velocidade média do
escoamento, que foi usada para achar a vazão. Repetiu-se esse procedimento de medição nas
mesma condições para a saída sem ponteira e com ventilador auxiliar (ensaio 2), com ponteira e
sem ventilador auxiliar (ensaio 3) e com ponteira e com ventilador auxiliar (ensaio 4).
5. RESULTADOS
Os resultados das medições realizadas na bancada utilizando o sensor NTC e o Tubo de
Pitot previamente calibrados pode ser visualizado na Tabela (4).
Tabela 4 - Resultados da medição realizada na bancada para os quatro ensaios utilizando o
sensor NTC e o Tubo de Pitot.
Resistência do
NTC (Ω)
Altura manométrica
em r=0 (mmCA)
Altura manométrica
em r=0,7071 (mmCA)
Altura manométrica
em r=1 (mmCA)
Ensaio
1
35.09 1.5 2 2
Ensaio
2
35.19 1.5 2 2
Ensaio
3
34.89 2 2.5 2
Ensaio
4
34.80 2.5 2.5 2.5
Com os valores de altura manométrica para cada Cota de Newton em cada ensaio e
utilizando a Equação (4) e a Tabela (1), foi possível calcular a velocidade média de cada ensaio.
Tendo o diâmetro interno do tubo sem a chaminé de 98,30 mm e o diâmetro interno médio do
tubo com chaminé de 97,90 mm, pode-se finalmente calcular a vazão no Tubo de Pitot. Esses
dados estão presentes na Tabela (5).
20
Tabela 5 - Resultados do cálculo da vazão para os quatro ensaios utilizando o Tubo de Pitot.
Velocidade Média (m/s) Área (mm²) Vazão no Tubo de Pitot (m³/s)
Ensaio 1 5.78 7589.22 0.0439
Ensaio 2 5.78 7589.22 0.0439
Ensaio 3 6.38 7528.19 0.0480
Ensaio 4 6.61 7528.19 0.0498
No entanto, esses valores de vazão para o Tubo de Pitot não são os valores finais da
vazão, pois é necessário ajustá-los utilizando a calibração previamente estabelecida. Sendo
assim, os valores finais de vazão e temperatura medidas para cada ensaio são obtidos corrigindo
os valores de resistência do NTC e de vazão no Tubo de Pitot através de suas respectivas curvas
de utilização, e estão presentes na Tabela (6).
Tabela 6 - Resultados finais da medição utilizando as curvas de utilização do sensor NTC e do
Tubo de Pitot calibrados.
Temperatura (°C) Vazão (m³/s) Vazão Mássica (kg/s)
Ensaio 1 42.66 0.0481 0.0539
Ensaio 2 42.59 0.0481 0.0539
Ensaio 3 42.81 0.0524 0.0587
Ensaio 4 42.88 0.0542 0.0607
A Tabela (7) a seguir apresenta as incertezas de medição da vazão mássica para os quatro
ensaios realizados. No cálculo da incerteza, foram desprezadas as incertezas da massa específica
do ar e da água e da gravidade, restando apenas a incerteza do diâmetro medido com o
paquímetro e a incerteza da altura manométrica devido à resolução do manômetro.
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Tabela 7- Incertezas de medição da vazão mássica.
Incertezas dm/dH dm/dD Incerteza total (kg/s)
Ensaio 1 0.00016 0.88 0.0063
Ensaio 2 0.00016 0.88 0.0063
Ensaio 3 0.00012 1.02 0.0073
Ensaio 4 0.00009 1.14 0.0082
5.1. Discussão dos Resultados
Primeiramente, nota-se que as vazões do ensaio 1 e 2 mantiveram-se iguais. Esse
resultado foi surpreendente, pois esperava-se que com a adição do vento transversal causado pelo
ventilador auxiliar haveria um aumento na vazão devido ao efeito do vento. A explicação para
esse valor de vazão permanecer inalterado é que o efeito do vento não foi grande o suficiente
para ser notado com a resolução disponível no manômetro utilizado. Outra explicação seria o
fato de que o vento interno proveniente do ventilador principal possui velocidade muito grande
se comparado com a velocidade do vento externo, fazendo com que o efeito do vento seja
minimizado.
A ponteira foi projetada para proporcionar um ganho de vazão mássica na condição de
vento transversal externo aplicado, visto que opera através do Efeito Venturi, acelerando o
escoamento externo. Conforme esperado, houve um ganho máximo de vazão mássica de 8,94%
para o ensaio 4 com relação ao ensaio 2.
Houve também um ganho de vazão mássica da ponteira para a condição de não aplicação
do vento externo, que era totalmente inesperado. Inicialmente a expectativa era de que qualquer
ponteira que fosse colocada na extremidade da chaminé ou reduziria a vazão ou não interfereria
em nada no escoamento, visto que a perda de carga tende a ser maior do que a saída livre para o
reservatório atmosférico. Porém, notou-se um aumento de 12,68% na vazão mássica extraída
para este caso com relação ao Ensaio 1.
Uma grande limitação do cálculo de vazão foi a resolução do manômetro, que apesar de
ser de tubo inclinado, pode ter afetado os ganhos de vazão de maneira significativa.
As temperaturas não sofreram grande alteração como esperado e a variação entre elas se
deve principalmente a incerteza de medição.
6. CONCLUSÕES
Com a confecção da ponteira proposta pelo grupo, pode-se perceber que é possível
melhorar o desempenho do escoamento de chaminés, podendo ser tanto residenciais como
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industriais através de uma solução relativamente simples e sem custo energético mensal fixo,
como energia elétrica, por exemplo.
Os ganhos observados foram de fato significativos. Através de uma confecção artesanal
já se conseguiram melhorias da ordem de 10% na extração de vazão mássica, e com certeza com
ferramentas, materiais e processos de fabricação mais sofisticados esse ganho pode ser muito
maior para a mesma geometria de ponteira. Conclui-se, portanto, que a geometria proposta
poderia ser facilmente implementada na indústria.
A solução proposta pelo grupo certamente não é uma solução otimizada, pois foi
projetada somente pelas intuições físicas que os componentes do grupo tinham a respeito da
situação a ser resolvida. A fim de melhorar ainda mais o desempenho da ponteira, seria possível
simular o escoamento através de métodos computacionais afim de compreender melhor o
comportamento do ar, campos de pressões e temperaturas, podendo assim chegar-se a uma
geometria ainda mais eficiente. Além disso, a utilização de métodos de medição que permitam
uma maior resolução e de um ventilador externo que permita uma maior velocidade de
escoamento, podem aumentar a precisão dos resultados, permitindo um estudo mais aprofundado
do efeito do perfil no escoamento.
Como proposta para trabalhos futuros, se poderia, além de realizar as simulações
computacionais, considerar o efeito de uma possível chuva externa, sendo necessário assim, se
projetar uma cobertura para evitar a infiltração de água para o interior da chaminé.
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AMADO, F. B. G., 2011. "Estudo numérico do escoamento numa chaminé como ventilador
estático", Faculdade de Ciências e Tecnologia, Lisboa, Portugal.
CHIARELLO, A. J. 2006. “Ventilação Natural por Efeito Chaminé:Estudo em Modelo
Reduzido de Pavilhões Industriais”, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre,
Brasil.
FOX, McDonald, 2001. "Introdução a Mecânica dos Fluidos", LTC, 5ª ed, pp. 63-106, Rio de
Janeiro, Brasil.
SCHNEIDER, P., 2007. "Incertezas de Medição e Ajuste de dados", Departamento de
Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil.
SCHNEIDER, P., 2011. "Medição de Velocidade e Vazão de Fluidos", Departamento de
Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil.
