UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

PONTEIRA PARA CHAMINÉ TIPO BALÃO ÁRABE

por

Thiago Andrei Wenzel

Leandro Mesquita Mold

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas

Professor Paulo Smith Schneider

pss@mecanica.ufrgs.br

Porto Alegre, Dezembro de 2013

2

RESUMO

Este trabalho apresenta um modelo de uma ponteira de chaminé do tipo conhecido como

“balão árabe”. Ao ser instalado na descarga de uma tubulação vertical, tem como objetivo auxili-

ar a descarga de ar aquecido. Testes experimentais são realizados com a ponteira acoplada à ex-

tremidade do tubo vertical, simulando uma chaminé. Ar ambiente é soprado por um ventilador

com uma frequência pré-estabelecida, propiciando aproximadamente 10 m/s de velocidade que

escoa através de uma caixa com resistências elétricas, responsáveis pelo aquecimento do ar a

40ºC. A ponteira da chaminé é sujeita a uma corrente de ar forçada externa e transversal, produ-

zida por um ventilador externo, simulando efeitos climáticos e, assim, interferindo no escoamen-

to do ar da chaminé. Medições de temperatura e de vazão do escoamento de ar são feitas na pon-

teira. Um sensor de temperatura do tipo PT-100, fixado na ponteira, mede a temperatura. A va-

zão é obtida indiretamente, através da medição da pressão cinética com suas tomadas também

instaladas na ponteira. Fazendo um estudo de seu uso, a ponteira mostra-se mais vantajosa para o

caso em que há vento lateral na parte fechada da mesma, aumentando em aproximadamente 1,11

vezes a velocidade do escoamento e sua vazão.

PALAVRAS-CHAVE: chaminé, ponteira de chaminé, balão árabe

3

ABSTRACT

This paper presents a tip of chimney model of the type known as "Arab balloon". When in-

stalled in a vertical discharge pipe, aims to assist the discharge of heated air. Experimental tests

are performed with the tip coupled to the end of the vertical tube, simulating a chimney. A fan

blows ambient air with a preset frequency, providing approximately 10 m/s speed, flowed

through a box with electrical resistors responsible for heating the air at 40°C. The tip of the

chimney is subjected to a stream of forced air and transverse external produced by an external fan

to simulate climatic effects and, thus, interfering with the air flow from the chimney. Measure-

ments of temperature and flow of the air flow in the tip is made. A temperature sensor of the type

PT-100 fixed in the tip measured the temperature. The mass flow was obtained indirectly by

measuring the kinetic pressure with their sockets also installed in the tip. Making a study of its

use, the tip is beneficial for the case where there is wind shear in the closed part of it, increasing

by approximately 1.11times the flow speed and its flow.

KEYWORDS: chimney, tip of chimney, arab ballon

4

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 – Ponteira para chaminés do tipo “balão árabe” 8

Figura 2 – Procedimento de Pitot para a determinação da vazão de um fluido 10

Figura 3 – Dimensões da ponteira 13

Figura 4 – Descarga da tubulação da bancada 13

Figura 5 – Tubo de Pitot 14

Figura 6 – Sensor de temperatura do tipo PT-100 14

Figura 7 – Ponteira 15

Figura 8 - Medição da vazão na placa de orifício 16

Figura 9 – Medição da vazão na descarga da chaminé, sem ponteira 17

Figura 10 – Curva de calibração do PT-100 da ponteira 18

Figura 11 – Curva de utilização do PT-100 da ponteira 18

Figura 12 – Medição da vazão com a ponteira, sem vento transversal 19

Figura 13 – Medição da vazão com a ponteira, com vento transversal 20

Figura 14 – Esquema da bancada montada para ensaiar as ponteiras (LETA) 21

5

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1 – Resultados das medições 22

Tabela 2 – Análise do impacto do uso da ponteira em relação à vazão 23

6

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO 8

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 8

3. FUNDAMENTAÇÃO 9

3.1 PRESSÃO EM FLUIDOS 9

3.1.1 MEDIÇÃO DE PRESSÃO EM FLUIDOS 10

3.2 VAZÃO EM FLUIDOS 10

3.2.1 MEDIÇÃO DE VAZÃO EM FLUIDOS 12

4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 12

4.1 CONSTRUÇÃO DA PONTEIRA 12

4.2 MEDIÇÕES 15

4.2.1 MEDIÇÕES DE VAZÃO SEM A PONTEIRA 15

4.2.2 MEDIÇÃO DA TEMPERATURA 17

4.2.3 MEDIÇÃO DA VAZÃO COM A PONTEIRA

SEM VENTO TRANSVERSAL 18

4.2.4 MEDIÇÃO DA VAZÃO COM A PONTEIRA

COM VENTO TRANSVERSAL 19

4.2.5 MEDIÇÃO DA VAZÃO COM A PONTEIRA

ROTACIONADA 90º COM VENTO TRANSVERSAL 20

5. VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO 20

6. RESULTADOS 22

7. CONCLUSÕES 23

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 24

APÊNDICE 25

7

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS e LISTA DE SÍMBOLOS

F: Força [N]

P: Pressão estática [Pa]

Po: Pressão de estagnação

P : Diferença de pressão [Pa]

v : Vetor velocidade [m/s]

nv : Componente normal à seção transversal do vetor velocidade [m/s]

v: Velocidade local do escoamento [m/s]

v : velocidade média [m/s]

A : Vetor área orientada [m2]

A: Área [m²]

At: Área transversal [m²]

ρ: Massa específica ou densidade [kg/m3]

Q: Vazão volumétrica [m3/s]

ṁ: Vazão mássica [g/s]

K: Coeficiente de vazão [adimensional]

D: Diâmetro da tubulação [m]

h : Diferença de altura entre dois pontos da coluna de líquido manométrico [m]

g: Aceleração da gravidade [m/s2]

8

1. INTRODUÇÃO

O condicionamento de escoamento de ar possui diversas aplicações, como a secagem de pro-

dutos agrícolas, dispersão de particulados, obtenção de conforto térmico e geração de energia. A

indução do fluxo de ar para obtenção de conforto térmico remonta às primeiras civilizações. En-

tre os sistemas desenvolvidos na época, destacam-se a torre de ventilação, a parede de Trombe e

a chaminé solar (OLIVEIRA, 2012). Com o passar do tempo, foram-se aprimorando essas cha-

minés, de forma com que dispositivos chamados popularmente de “ponteiras” têm sido utilizados

para melhorar seu desempenho. Elas evitam com que a água da chuva ou vento lateral possa in-

terferir na vazão da chaminé. Entre alguns exemplos de ponteira, citam-se a de “perfil T”, a de

“perfil H”, a de “chapéu chinês”, a de perfil “Sputnik” e a de “balão de origem árabe”, esta últi-

ma mostrada na Figura 1 (a) e (b):

Figura 1 – Ponteira para chaminés do tipo “balão árabe”: (a) Casa antiga na aldeia de Alte (Por-

tugal); (b) Casa antiga à norte de Bordeira (Portugal)

(Fonte: http://www.sitiodaslareiras.com/chamines_ideais.htm,acessado em 25/11/2013)

Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de apresentar os resultados obtidos no proje-

to e construção de uma ponteira do tipo “balão árabe”, bem como de uma instrumentação para as

medições da temperatura e vazão do escoamento.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

CHIARELLO, 2006, descreve o efeito chaminé, explicitado no emprego no projeto da venti-

lação natural em pavilhões industriais.

ADAM, 2003, disserta de forma ampla o funcionamento e utilização da chaminé solar.

OLIVEIRA, 2012, faz uma análise da indução de fluxo de ar por convecção livre em chaminé

solar, através de um estudo do efeito do acabamento de superfície. Ainda no âmbito das chami-

nés solares, NEVES et al., 2012, discute procedimentos estimativos do potencial de uso dessas

chaminés para edificações de baixa altura.

MESQUITA, et al., 2008, avalia a altura do efeito chaminé e da convecção natural em um re-

ator nuclear de pesquisa.

9

Com base nisso, esse trabalho faz o elo entre o estudo da chaminé em si e seu funcionamento

à estruturação de uma análise dos benefícios do uso de ponteiras.

3. FUNDAMENTAÇÃO

3.1 PRESSÃO EM FLUIDOS

Para fluidos em repouso, a pressão P, em Pa, é definida como:

dA

dFP (1)

onde F (N) é a força exercida pelo fluido perpendicularmente a uma área A (m²).

Sendo a pressão é uma propriedade local do fluido, e para uma situação estática, apresenta

forte dependência da posição, apesar de não ser dependente da direção (SCHNEIDER, 2007). A

pressão em um fluido estático uniforme varia apenas com a distância vertical, não importando a

forma do recipiente, ou seja, a pressão é a mesma em todos os pontos em um plano horizontal no

fluido, variando apenas com a profundidade do mesmo (WHITE, 2002).

Escoamentos de fluidos dentro de um tubo, com certa velocidade, estão sujeitos a três pres-

sões atuantes, conforme explica (SCHNEIDER, 2007), as quais são: a pressão de estagnação ou

total, a pressão dinâmica ou cinética e a pressão estática ou termodinâmica.

A pressão estática é aquela que atua nas paredes da estrutura pelo qual o fluido escoa. Conhe-

cê-la é de extrema importância para obter a velocidade e direção de um escoamento, e principal-

mente para identificar o estado termodinâmico do fluido em análise.

A pressão de estagnação é medida quando o fluido desacelera até a velocidade zero por meio

de um processo sem atrito (FOX et al, 2012). Assim, em um escoamento incompressível, com

mesma elevação em todo o trajeto, e sabendo que a velocidade na estagnação é zero, tem-se a

equação de Bernoulli reduzida a:

2

2

1vPpO (2)

onde Po é a pressão de estagnação (Pa), P é a pressão estática (Pa), ρ é a densidade (kg/m3) e v a

velocidade local do escoamento (m/s). O termo 2

2

1v é a pressão dinâmica, que pode ser equa-

cionada, também, da seguinte forma:

PPv o 2

2

1 (3)

Dessa relação pode-se encontrar a expressão da velocidade local do escoamento, dada por:

)(2 PPv o (4)

Assim, se a pressão de estagnação e a pressão estática puderem ser medidas em um ponto, a

Equação (4) dará a velocidade local do escoamento.

10

3.1.1 MEDIÇÃO DE PRESSÃO EM FLUIDOS

Segundo FOX e MCDONALDS, 2012, a diferença de pressão entre dois pontos num fluído

estático pode ser determinada pela diferença de elevação entre esses dois pontos. Os dispositivos

utilizados com esse propósito são chamados de manômetros e a equação que permite calcular essa

diferença de pressão P , em Pa, é dada abaixo.

ghPPP o (5)

onde h (m) é a diferença de altura entre dois pontos da coluna de líquido manométrico e g

(m/s2) é o valor da aceleração da gravidade.

Mais comumente, são usados os chamados manômetros de tubo em U e os manômetros de

tubo inclinado.

Classicamente, as pressões em escoamento são medidas através do experimento de Pitot

(1732), que montou o experimento da Figura 2:

Figura 2 – Procedimento de Pitot para a determinação da vazão de um fluido

(Fonte: http://cincovezesfenomenos.blogspot.com.br/2010/11/medidores-de-pressao-4-x-deu-

zebra.html, acessado em 25/11/2013)

No escoamento do fluido, é colocado o tubo 1, com seção perpendicular aberta a direção do

escoamento, indicando a pressão estática do fluido O tubo 2, com seção aberta norma ao fluxo,

comumente chamado de tubo de Pitot, provoca a estagnação do escoamento indicando sua pres-

são total. A diferença entre as pressões indicadas nos dois tubos é a pressão cinética.

3.2 VAZÃO EM FLUIDOS

Segundo SCHNEIDER, (2007), as grandezas associadas à medição do escoamento em fluidos

são a taxa de massa por unidade de tempo ṁ e de volume por unidade de tempo Q.

11

Segundo FOX et al., (2012), um fluido escoando em um tubo tem a sua taxa ou vazão volu-

métrica Q, em m3/s, definida como:

AvQ (6)

onde v é o vetor velocidade (m/s) e A é o vetor área orientada (m2).

Considerando um volume de controle (VC) pré-estabelecido para o sistema em avaliação, é

possível aprimorar essa equação levando em consideração alguns parâmetros, como a conserva-

ção de massa. A massa que entra nesse VC deve ser igual à massa que sai dele, o que nos leva a

equação da continuidade:

VCdAv

t0 dV

SC (7)

A primeira parcela da soma é a taxa de variação de massa dentro do VC e a segunda parce-

la representa a taxa líquida de fluxo de massa através da superfície de controle (SC). Pela defini-

ção da constância de massa, tem-se a soma resulta em zero.

Em casos especiais, a Equação (7) pode ser simplificada. No caso de um escoamento in-

compressível, onde a densidade ρ permanece constante, o primeiro termo pode ser reduzido à

zero, já que a integral de dV sobre todo o volume de controle é simplesmente o volume total do

VC. Dessa forma, para um VC constante, a simplificação da Equação (7) resulta em:

0SCdAv (7)

Assim, para um escoamento incompressível, a vazão que entra em um VC deve ser igual à

vazão que sai do mesmo. Sendo a área transversal A (m²) do tubo a superfície de controle, a

vazão volumétrica Q (m³/s) é definida como:

AdAvQ (8)

Em escoamentos de fluidos em tubulação, muitas vezes há o interesse de se saber a quantida-

de do fluido que atravessa determinada região transversal do duto em uma determinada unidade

de tempo. Essa é a chamada vazão mássica ṁ, dada em g/s, grandeza que caracteriza a taxa de

matéria de um determinado fluido em um escoamento e é definida por:

ṁ = ρQ (9)

Considerando que a densidade é a mesma ao longo da seção transversal do escoamento, e

utilizando a definição da velocidade média do fluido v , em m/s:

S

ndAvA

v1

(10)

onde nv (m/s) é a componente normal à seção transversal do vetor velocidade v , SCHNEIDER,

(2007), apresenta a seguinte expressão para o cálculo da vazão mássica:

12

ṁ Av (11)

No entanto, essa vazão não varia somente conforme a velocidade do fluido, já que, como

explica RIBEIRO, (1997), a densidade do mesmo depende muito da pressão e da temperatura a

que está submetido. Dessa forma, é necessária a correção da densidade conforme as propriedades

termodinâmicas forem alteradas. Em líquidos, este efeito pode ser geralmente desprezado, uma

vez que estas variações são pequenas. Já em gases, a densidade se altera consideravelmente com

uma mudança de temperatura.

3.2.1 MEDIÇÃO DE VAZÃO EM FLUIDOS

Com o procedimento de Pitot, é possível se medir a velocidade de um fluido em um ponto

do escoamento, e a sua vazão pode ser calculada a partir da medição em diferentes pontos. Em

tubulações cilíndricas, segundo SCHNEIDER, (2007), deve-se explorar a medição da velocidade

em diferentes raios de um mesmo plano, espaçados por raios iguais, sendo recomendado o míni-

mo de quatro raios, isto é, dois ângulos igualmente espaçados. DELMÉE, (1983), expõe quatros

métodos de realizar esse procedimento, “centroides de áreas iguais”, “cotas de Newton”,

“Chebyshef” e “Gauss”.

Outra maneira usual de medição de vazão é através dos chamados medidores por obstru-

ção, mais especificamente do tipo placa de orifício. Seu princípio de medição é baseado na varia-

ção da pressão provocada pela obstrução que o equipamento oferece, e é então relacionada à va-

zão da seguinte forma:

)(2 PKAQ t

(12)

onde K é o coeficiente de vazão (adimensional), P é a diferença de pressão produzida pela pla-

ca e At é a área transversal da tubulação (m2), dada por:

4

2DAt

(13)

onde D é o diâmetro (m) da tubulação a qual a placa de orifício está acoplada.

O valor de K depende das dimensões relativas do orifício e de sua geometria. Segundo

DELMÉE, (1983), esse coeficiente pode ser calculado por fórmulas empíricas ou encontrado em

tabelas.

4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS

4.1 CONSTRUÇÃO DA PONTEIRA

A ponteira de chaminé escolhida foi do tipo “balão árabe”. Empiricamente é tida como solu-

ção garantida em quase todos os casos, mesmo em zonas de muito vento. Logo, tendo em vista as

condições dadas, em que um ventilador externo simula vento exterior, possivelmente sendo fator

importante no desempenho da ponteira, escolheu-se o balão árabe. Além disso, normalmente, o

balão árabe é fechado em sua parte superior devido à intempéries como chuva. Como o caso não

possui essa restrição, a parte superior foi mantida aberta.

13

A caixa de papelão foi montada de forma a possuir as seguintes dimensões, dadas na Figura

3:

Figura 3 – Dimensões da ponteira

A ponteira possui um furo de 10 cm, centrado na sua base, o qual serve para a fixação da

caixa de papelão (balão árabe) com o tubo de PVC. Além disso, para facilitar a saída do escoa-

mento, abriu-se cinco frestas de 1,5 cm, espaçadas entre si por 2,5 cm, em dois lados opostos do

dispositivo, deixando os outros dois intactos. Esse tubo de PVC, que possui 28,5 cm de compri-

mento, por sua vez, é acoplado à bancada do laboratório.

A saída da tubulação da bancada foi preenchida por diversos tubos de plástico de pequeno

diâmetro, conforme Figura 4:

Figura 4 – Descarga da tubulação da bancada

14

Isso é feito com o objetivo de garantir que o escoamento na ponteira se desenvolva de for-

ma mais comportada.

Pequenos furos foram realizados na mesma seção do tubo de PVC da ponteira, para inser-

ção do nipple plástico - com seção aberta perpendicular à direção do escoamento, a fim de se

tornar uma tomada de medição de pressão estática - e do tubo de Pitot, mostrado na Figura 5:

Figura 5 – Tubo de Pitot

Com seção aberta normal ao fluxo, o tubo de Pitot acoplado a um manômetro objetiva me-

dir a pressão total do escoamento naquele local.

Uma vez que os tubos estavam fixos e instalados, a vedação das tomadas foi realizada com

resina epóxi.

O sensor de temperatura PT-100, mostrado na Figura 6, foi instalado na ponteira com auxí-

lio de silicone para fixação:

Figura 6 – Sensor de temperatura do tipo PT-100

15

Assim, depois de pronta, é mostrada na Figura 7:

Figura 7 – Ponteira

4.2 MEDIÇÕES

4.2.1 MEDIÇÃO DA VAZÃO SEM PONTEIRA

Para medição da vazão da tubulação sem a ponteira, uma placa de orifício estava instalada na

tubulação da bancada, conforme a Figura 8:

16

Figura 8 – Medição da vazão na placa de orifício

Nessa etapa, seriam usadas as duas tomadas de pressão estática, à montante (B) e à jusante

(A) da placa, conectadas ao manômetro. Seria, então, feita a medição, com o auxílio do manôme-

tro, da variação de pressão P e, por conseguinte, obter-se-ia a vazão volumétrica Q, conforme

Equação (12). Para utilização dela, o K da placa de orifício foi calculado segundo procedimento

feito pela equipe do laboratório e fornecido aos autores deste trabalho, sendo seu valor 0,6962. A

área transversal At é dada pela Equação (13), usando-se um diâmetro de tubulação D de 0,05 m, a

massa específica ρ do ar e, por fim, a variação de pressão P , que seria dada pelo valor da altura

de coluna de água (mm) lida no manômetro multiplicado pelo valor da aceleração da gravidade

g, 9,81 m/s2.

Porém, por questões práticas, optou-se por inserir o tubo de Pitot na descarga da chaminé

sem ponteira, com a outra ponta do manômetro aberta para a atmosfera possibilitando a medição

da pressão cinética, baseado no fato de que a tomada de pressão estática na descarga é a pressão

atmosférica, conforme a Figura 9:

17

Figura 9 – Medição da vazão na descarga da chaminé, sem ponteira

Com a rotação do ventilador principal em 57,7 Hz e a temperatura do escoamento a 40ºC, ob-

teve-se uma diferença de altura de coluna de água h . Considerando a massa específica ρ do ar

de 1,1272 kg/m3 [BEYER, 2012] nessas condições, a pressão dinâmica do escoamento foi, então,

encontrada através da Equação (5) que, colocada na Equação (4), fornece o valor da velocidade

local do escoamento v. De posse desse valor, facilmente foram calculados os valores de vazão

volumétrica Q e de vazão mássica ṁ.

4.2.2 MEDIÇÃO DA TEMPERATURA

A primeira etapa de medições destinou-se à geração das curvas de calibração e de utilização

do sensor de temperatura presente na ponteira, do tipo PT-100 com faixa de 200 graus.

O sensor de temperatura da bancada estava instalado na chaminé e sua resposta era mostrada

na tela de um PC. Com o PT-100 instalado na ponteira e essa, por sua vez, acoplada à descarga

da tubulação da bancada, ajustou-se o ventilador centrífugo para uma rotação de 57,5 Hz. Em

seguida, o banco de resistências elétricas aquecedoras foi ligado e ajustado até chegar à tempera-

tura de 28ºC, indicados na tela do computador do laboratório.

Um multímetro de escala automática foi colocado no modo resistência (ficando na escala de

400 Ohms quando ligado no PT100 da ponteira). Uma ponta de prova do multímetro foi coloca-

da no terminal vermelho e a outra no terminal branco (ambos no PT100 da ponteira).

Quando a temperatura do sensor estabilizou, foi coletado o valor da resistência indicada no

multímetro e a temperatura correspondente indicada na tela do PC.

O procedimento foi repetido para mais 6 amostras de temperatura, sempre incrementando o

aquecimento das resistências da bancada. A excursão de temperatura foi de 28°C até 40°C.

Os dados coletados foram inseridos no software "CurveExpert", onde foi gerada a curva de

calibração, apresentada na Figura 9:

18

Figura 10 – Curva de calibração do PT-100 da ponteira

Devido à alta linearidade do sensor e por praticidade matemática e de utilização, optou-se pe-

lo ajuste linear como função de comportamento, em detrimento do modelo melhor colocado no

ranking.

Invertendo-se o domínio e a imagem da função, obteve-se a função de utilização bem como a

curva de utilização do sensor da ponteira, conforme a Figura 10:

Figura 11 – Curva de utilização do PT-100 da ponteira

4.2.3 MEDIÇÃO DA VAZÃO COM A PONTEIRA SEM VENTO TRANSVERSAL

19

Para análise dos efeitos da colocação da ponteira, ela é inserida na descarga da tubulação

da bancada, conforme a Figura 11:

Figura 12 – Medição da vazão com a ponteira, sem vento transversal

Mantendo-se as mesmas condições de rotação do ventilador principal em 57,7 Hz e da

temperatura do escoamento a 40ºC, obteve-se, uma diferença de altura de coluna de água h de 6

mm. Considerando a massa específica ρ do ar de 1,1272 kg/m3 [BAYER, 2012] nessas condições,

a pressão dinâmica do escoamento foi, então, encontrada através da Equação (5), que, colocada

na Equação (4), forneceu o valor da velocidade local do escoamento v. De posse desse valor,

facilmente foram calculados os valores de vazão volumétrica Q e de vazão mássica ṁ.

4.2.4 MEDIÇÃO DA VAZÃO COM A PONTEIRA COM VENTO TRANSVERSAL

Para análise dos efeitos da influência do vento transversal na face com as frestas da pontei-

ra, um ventilador auxiliar externo foi ligado, conforme a Figura 12:

20

Figura 13 – Medição da vazão com a ponteira, com vento transversal

Mantendo-se as mesmas condições de rotação do ventilador principal em 57,7 Hz e da

temperatura do escoamento a 40ºC, obteve-se, uma diferença de altura de coluna de água h .

Considerando a massa específica ρ do ar de 1,1272 kg/m3 [BAYER, 2012] nessas condições, a

pressão dinâmica do escoamento foi, então, encontrada através da Equação (5), que, colocada na

Equação (4), forneceu o valor da velocidade local do escoamento v. De posse desse valor, facil-

mente foram calculados os valores de vazão volumétrica Q e de vazão mássica ṁ.

4.2.5 MEDIÇÃO DA VAZÃO COM A PONTEIRA ROTACIONADA 90º COM VENTO

TRANSVERSAL

Para análise dos efeitos da influência do vento transversal na face fechada da ponteira, o

ventilador auxiliar externo foi ligado, conforme a Figura 12, porém, com a ponteira sendo rotaci-

onada 90º em torno do seu eixo vertical, em relação à condição anterior.

Mantendo-se as mesmas condições de rotação do ventilador principal em 57,7 Hz e da

temperatura do escoamento a 40ºC, obteve-se, uma diferença de altura de coluna de água h .

Considerando a massa específica ρ do ar de 1,1272 kg/m3 [BAYER, 2012] nessas condições, a

pressão dinâmica do escoamento foi, então, encontrada através da Equação (5), que, colocada na

Equação (4), forneceu o valor da velocidade local do escoamento v. De posse desse valor, facil-

mente foram calculados os valores de vazão volumétrica Q e de vazão mássica ṁ.

5. VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO

A validação ponteira de chaminé do tipo “balão árabe” foi realizada em uma bancada de

testes no Laboratório de Estudos Térmicos e Aerodinâmicos (LETA). O esquema da bancada de

testes é visto na Figura 13:

21

Figura 14 – Esquema da bancada montada para ensaiar as ponteiras (LETA)

Ar ambiente, soprado pelo ventilador principal, flui até uma caixa com resistências elétri-

cas, responsáveis pelo aquecimento do ar cuja temperatura escolhida foi de 40°C. A velocidade

média do escoamento na descarga da chaminé foi prescrita, através do ajuste do ventilador centrí-

fugo da bancada para uma frequência de rotação de 57,5 Hz, resultando algo em torno de 10 m/s

na velocidade do ar na descarga (sem a ponteira). Uma placa de orifício é posta na tubulação da

bancada, onde é possível ser realizada a medição de vazão.

A ponteira foi instalada na extremidade da chaminé padrão, onde um segundo ventilado

simulou, em um segundo momento, condições de vento exterior perpendicular ao eixo da chami-

né.

Realizaram-se medições de temperatura com um sensor do tipo PT-100 e de vazão mássica

do escoamento, de modo indireto, através da aferição da pressão dinâmica com o auxílio de um

tubo de Pitot construído artesanalmente.

Existem diversas fontes de incertezas e erros com relação aos valores obtidos nas medições

de vazão e temperatura. Como exemplo podemos citar os erros de capilaridade e de leitura com

menisco, erros relacionados ao posicionamento do tubo de Pitot, erros relacionados ao multíme-

tro digital, incertezas com relação ao manômetro e erros relacionadas ao sensor PT100.

Erros de capilaridade são causados pela propriedade física que os fluidos têm de subirem

ou descerem em tubos. Essa ação pode fazer com que líquidos fluam mesmo contra a força da

gravidade e podem afetar a leitura através da formação de um “menisco” devido à tensão superfi-

cial.

22

Para a medição da vazão do escoamento, por questões práticas, optou-se por inserir o tubo

de Pitot na descarga da chaminé sem ponteira, com a outra ponta do manômetro aberta para a

atmosfera, baseado no fato de que a tomada de pressão estática na descarga é a pressão atmosfé-

rica. Isso, certamente, acarreta em um erro em relação ao ideal, que seria fazer a medição da va-

zão na placa de orifício.

Também se sabe que, devido a certa dificuldade na fixação correta do tubo de Pitot, uma

vez que ficou extremamente difícil à visualização da sua posição, nossas medições também apre-

sentam erros relacionados ao posicionamento do Pitot. Quanto maior o ângulo de ataque formado

entre a velocidade do escoamento e o eixo longitudinal da sonda, maiores são os desvios na me-

dição. A pressão estática apresenta desvios positivos, pois a sua tomada de medição estará sujeita

aos componentes transversais de velocidade do escoamento, e simultaneamente a pressão de es-

tagnação diminui, com desvios negativos em relação ao valor esperado.

Além disso, sabe-se que se deve explorar a medição da velocidade de escoamento em dife-

rentes raios de um mesmo plano, espaçados por raios iguais, sendo recomendado o mínimo de

quatro raios, isto é, dois ângulos igualmente espaçados. Por questões de praticidade e repetibili-

dade, o tubo de Pitot foi fixado na ponteira e a coleta de velocidade do ar foi feita apenas no cen-

tro da seção perpendicular do cano, o que certamente acarreta em um erro dessas medições.

Erros relacionados ao multímetro digital referem-se à exatidão que vem especificada nos

respectivos manuais. Esta exatidão é normalmente apresentada em duas partes:

• Percentagem da leitura - erro relativo à medição

• Erro de resolução em número de unidades do dígito menos significativo - erro absoluto

independente do valor da medição.

A incerteza de medição presente no manômetro é a incerteza combinada de diversas fontes,

dentre as quais podemos destacar a incerteza devido à histerese, a incerteza devido a resolução

do manômetro e a incerteza devido a repetitividade.

Erros presentes em nossas medições devido aos sensores PT-100s referem-se à qualidade

dos mesmos. A maioria das normas classifica os PT-100s industriais em Classe A e Classe B, de

acordo com seu limite de erro.

6. RESULTADOS

Os valores das medições da diferença de altura de coluna de água h , da velocidade local

do escoamento v, da vazão volumétrica Q e da vazão mássica ṁ são explicitados na Tabela 1:

Tabela 1 – Resultados das medições

A B C D

Δh (mm) 6 6 6 7,5

v (m/s) 10,21 10,21 10,21 11,42

Q (m3/s) 0,0766 0,0766 0,0766 0,0856

ṁ (kg/s) 0,0863 0,0863 0,0863 0,0965

Onde cada medição foi realizada para cada uma das seguintes situações:

A: sem a ponteira (descrita em 4.2.1);

B: com a ponteira e sem vento lateral (descrita em 4.2.3);

C: com a ponteira e com vento lateral (descrita em 4.2.4);

D: com a ponteira rotacionada 90º e com vento lateral (descrita em 4.2.5).

23

Pode-se ser perceber que, para as situações A, B e C, todos os valores mantiveram-se cons-

tantes, o que não se manteve na situação D.

Para uma análise do impacto que a instalação da ponteira causa no escoamento, utilizou-se

os valores calculados nas situações B, C e D em relação à situação A, sem ponteira. Seus resulta-

dos são mostrados na Tabela 2:

Tabela 2 – Análise do impacto do uso da ponteira em relação à vazão

B C D

v (m/s) 1 1 1,11851

Q (m3/s) 1 1 1,11749

ṁ (kg/s) 1 1 1,11819

Assim, percebeu-se que a ponteira nas situações B e C não alteram as propriedades estuda-

das do escoamento. Já na situação D, o uso da ponteira é benéfico, aumentando em aproximada-

mente 1,11 vezes a velocidade do escoamento e sua vazão.

7. CONCLUSÕES

Neste trabalho foi construída uma ponteira de tipo balão árabe e, juntamente a esse, um

aparato de instrumentação necessária para as medições da vazão do escoamento e sua temperatu-

ra.

A ponteira mostrou-se benéfica para o caso em que há vento lateral na parte fechada da

mesma, aumentando em aproximadamente 1,11 vezes a velocidade do escoamento e sua vazão.

Porém, para um futuro aprofundamento do uso dessa ponteira específica, um estudo mais

aprofundado na geometria da mesma seria necessário. Para isso, a otimização do tamanho e do

número de frestas, a mudança do número de lados fechados e abertos, entre outros, renderia, cer-

tamente, melhoria no desempenho da ponteira.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] ADAM, Z., 2003. “On the Performance of Solar Chimneys”. Departamento de Arquite-

tura, Faculdade de Engenharia, Universidade de Osaka, Osaka.

[2] BEYER, P. O., 2012. “Polígrafo de Climatização”. Departamento de Engenharia Mecâni-

ca, UFRGS, Porto Alegre.

[3] CHIARELLO, J.A., 2006. “Ventilação Natural por Efeito Chaminé – Estudo em Mode-

lo Reduzido de Pavilhões Industriais”, UFRGS, Dissertação de Mestrado, Porto Alegre.

[4] DELMÉE, G.J., 1983. “Manual de Medição de Vazão”. Editora Edgard Blücher Ltda,

São Paulo.

[5] FOX, R. W.; MCDONALD, A. T.; PRITCHARD, P. J., 2012. “Introdução à Mecânica

dos Fluidos”, Editora LTC, Rio de Janeiro.

[6] MESQUITA, A.Z., 2008. “Avaliação Experimental de Convecção Natural e da Altura

do Efeito Chaminé no Reator Nuclear de Pesquisa TRIGA IPR-R1”, V Congresso Nacional

de Engenharia Mecânica, Salvador.

[7] NEVES, L. de O.; RORIZ, M., 2012. “Procedimentos Estimativos do Potencial de Uso

de Chaminés Solares para Promover a Ventilação Natural em Edificações de Baixa Altu-

ra”, Revista da Associação Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído, v. 12, n. 1, p. 177-

192, jan./mar. 2012, Porto Alegre.

[8] OLIVEIRA, H.S.M., 2012. “Análise da Indução de Fluxo de ar por Convecção Livre

em Chaminé Solar”, UFRN, Dissertação de Mestrado, Natal.

[9] RIBEIRO, M. A., 1997. “Medição de Vazão Fundamentos e Aplicações”. Tek, Treina-

mento e Consultoria Ltda, Salvador.

[10] SCHNEIDER, P. S., 2007, “Medição de Pressão”. Departamento de Engenharia Mecâni-

ca, UFRGS, Porto Alegre.

[11] WHITE, F.M., 2002. “Mecânica dos Fluidos”, McGraw-Hill Interamericana do Brasil,

Ltda., Rio de Janeiro.

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APÊNDICE

Para a confecção da ponteira e medição dos dados experimentais utilizou-se:

Tubo PVC tipo esgoto de 100 mm de diâmetro nominal;

Caixa de papelão;

Tubo de latão de 4,7 mm (3/16”) de diâmetro externo e 2,4 mm de diâmetro interno;

Sensor de temperatura do tipo PT-100 (com faixa de 200°C);

Multímetro do tipo digital, modelo UT71 C/D/E com incerteza de 0,3% + 8 dígitos;

Mangueiras de borracha para ligação ao manômetro;

Manômetro de tubo inclinado fornecido pelo laboratório com escala em mm de colu-

na de água;

Nipples plásticos obtidos em casas de peças automotivas;

Silicone quente;

Resina epóxi;

Fita adesiva.

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Capacidade

de leitura na

faixa indicada

Perda de car-

ga

Incertezas

Criatividade

Conformidade

com as nor-

mas de reda-

ção do con-

curso