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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE
PROJETO DA PONTEIRA HEXAGONAL
PARA CHAMINÉS
por
Andressa Gueresi
Vinicius Borges Rigo
Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas
Professor Paulo Smith Schneider
Porto Alegre, Dezembro de 2013
ii
SUMÁRIO
1.INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 1
2.FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................... 1
2.1 CONVECÇÃO NATURAL E FORÇADA ...................................................................... 1
2.2 MEDIÇÃO DE VAZÃO ................................................................................................. 2
2.3 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA......................................................................................2
2.4 INCERTEZAS DE MEDIÇÃO...........................................................................................3
3. METODOLOGIA................................................................................................................3
4. VALIDAÇÃO.......................................................................................................................6
5.RESULTADOS.....................................................................................................................7
5.1 PONTEIRA SEM VENTO TRANSVERSAL....................................................................8
5.2 PONTEIRA COM VENTO TRANSVERSAL...................................................................8
5.3 PONTEIRA COM VENTO TRANSVERSAL DESLOCADO 90° EM RELAÇÃO AO
ITEM 4.2...................................................................................................................................8
6. CONCLUSÕES...................................................................................................................9
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................................10
ANEXOS................................................................................................................................11
iii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: a) medição da pressão estática. b) medição da pressão de estagnação.
c)Esquema de montagem de um tudo de Pitot..................................................................2
Figura 2: Esquema de montagem da bancada para o ensaio..............................................3
Figura 3: Funil utilizado no experimento............................................................................4
Figura 4: Vista superior da ponteira após o acoplamento dos 6 funis................................4
Figura 5: Vista superior da ponteira finalizada...................................................................5
Figura 6: Tubo de Pitot construído para o ensaio...............................................................5
Figura 7: Termopar tipo K utilizado no experimento.........................................................5
Figura 8: Experimento montado na bancada......................................................................6
Figura 9: Disposição do ventilador indicando o vento lateral............................................6
Figura 10 : Tubo de Pitot colocado no tubo PVC pronto para medição de vazão.............7
Figura 11: Calibração do instrumento de medição............................................................7
Figura 12: Multímetro indicando a tensão.........................................................................8
Figura 13: Tubo em U inclinado indicando a variação de pressão....................................9
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Parâmetros encontrados na ponteira, sem vento lateral......................................8
Tabela 2: Parâmetros encontrados na ponteira com vento lateral.......................................8
Tabela 3: Parâmetros encontrados na ponteira, com vento lateral deslocado 90° em relação ao
item 4.2...............................................................................................................................8
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS e LISTA DE SÍMBOLOS
A: Área [m²]
h: Altura [m]
m: Massa [kg]
: Vazão mássica [kg/s]
P: Pressão [Pa]
T: Temperatura [ºC]
U: Tensão [V]
V: Velocidade [m/s]
V: Volume [m³]
: Vazão volumétrica [m³/s]
ρ: Massa específica [kg/m³]
iv
RESUMO
O presente trabalho é realizado com o intuito de elaborar uma ponteira a ser acoplada
em uma chaminé, para auxiliar no escoamento do fluido quando submetido a um vento
transversal. O fluido a ser utilizado no experimento é ar, que escoa com uma velocidade de
8.37 m/s, a uma temperatura de 37.8ºC.
A partir da medição de vazão volumétrica e mássica, com um tubo de Pitot, além da
temperatura, com o auxílio de um termopar do tipo K, é possível verificar que a ponteira
projetada auxilia no escoamento, pois mesmo com o acionamento do vento transversal, o
escoamento do ar continua com uma velocidade de 8.37 m/s e temperatura de 37.8°C.
PALAVRAS-CHAVES: vazão mássica, vazão volumétrica, temperatura, ponteira.
v
ABSTRACT:
This paper is realized in order to prepare a device to be coupled in a chimney to be able
to aid in a fluid flow, when submitted a transversal wind. The fluid measured in this
experiment is the air whose speed is 8,37 m/s, and temperature is 37.8°C.
From the measurements about volumetric and mass flow, whit a Pitot tube, as well as
the temperature measurement, with the assistance of a thermocouple type K, it’s possible
verify that a device designed assists on flow, because, even though the transversal wind, the
flow continues with a speed of 8.37 m/s and temperature of 37.8°C.
KEYWORDS: mass flow, volumetric flow, temperature, device of a chimney.
1
1. INTRODUÇÃO
Atualmente, a fabricação de produtos é dificultada pela competitividade do mercado,
e assim, qualquer diminuição de custos traz um retorno financeiro para a empresa. Pensando
nisso este trabalho tem como motivação a diminuição do custo fixo de uma empresa relativo
à perda de vazão e temperatura do fluido na saída de chaminés através do uso de uma
ponteira com um design que permita aumentar o escoamento do fluido para a atmosfera,
eliminando assim gases ou contribuindo para refrigeração ou aquecimento de tubulações.
Desde a antiguidade o homem tem interesse em projetar chaminés que permitam
melhorar a vazão do escoamento. Durante a revolução industrial (1800 D.C) foram projetadas
chaminés circulares com grandes alturas, a fim de utilizar o efeito chaminé ao seu favor. Com
o advento da Revolução Técnico-Científica Informacional (meados do século XX) começou-
se a utilizar ventiladores para escoar os fluidos das indústrias. Faz-se necessário uma nova
abordagem para a construção de chaminés, pois a forma da tubulação e a “ponteira” da
chaminé serão decisivas para melhorar a vazão.
As chaminés são dutos que comunicam dois meios diferentes, levando as
propriedades indesejáveis, tais como fumos, vapores d’água, fumaça de um ambiente interno
para outro ambiente. São indispensáveis não só nas casas para lareiras e churrasqueiras, como
também na indústria.
O grande problema das chaminés são as condições climáticas que podem interferir na
evacuação do fluído. Assim, é necessário utilizar ponteiras que protejam as chaminés de
chuvas e ventos, tais como Sputniks, em H, chapéu chinês, dentre outras. Dentre esses
problemas, o enfoque dado ao projeto, é o vento lateral que atrapalha o escoamento.
O trabalho foi proposto com o objetivo de aplicar os conhecimentos adquiridos na
disciplina de medições térmicas para a construção de uma ponteira que será acoplada
fisicamente à extremidade de um tubo vertical, simulando assim uma chaminé. Com o intuito
de melhorar a ponteira a fim de auxiliar a vazão de descarga de gases quentes que são
lançados para o meio exterior por meio de um ventilador, além de utilizar sistemas de
medições que comprovem o funcionamento da mesma.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
As chaminés são utilizadas nas mais diversas situações, como é o caso de indústrias,
lareiras, churrasqueiras. Através destas, o ar quente sobe e é eliminado do ambiente. Porém,
os fatores meteorológicos podem afetar a evacuação do ar. Grande parte das ponteiras
comerciais encontradas hoje tem por finalidade proteger a chaminé de chuvas, e do vento,
porém estas não se preocupam com o ganho de vazão do escoamento.
2.1 CONVECÇÃO NATURAL E FORÇADA
Existem dois modos de convecção. A natural, onde o movimento do fluido é gerado
apenas por diferença de densidade do fluido, ocorrendo devido aos gradientes de temperatura.
Um exemplo deste fenômeno é o ar que quando aquecido torna-se menos denso,
consequentemente, mais leve, e sobe de forma natural. Ou então a convecção forçada, com
forças externas que facilitam o escoamento do fluido, como ventiladores e exaustores. Fica
evidente que a convecção forçada é mais eficiente que a natural, por possuir mecanismos que
facilitam o processo.
2
2.2 MEDIÇÃO DE VAZÃO
Existem diversas maneiras de medir vazão volumétrica. Dentre as mais simples está a
utilização de um tubo de Pitot, seu princípio é baseado através da medição por pressão
diferencial, onde um elemento provoca uma diferença de pressão e através dessa variação é
possível medir a vazão, como mostra a figura abaixo.
Figura 1 - a) medição da pressão estática. b) medição da pressão de estagnação.
c)Esquema de montagem de um tudo de Pitot.
(Fonte: Departamento de química, universidade de Coimbra)
Portanto, é necessário ter duas pressões bem definidas e comparadas. A primeira fonte de
pressão é a pressão de estagnação e a segunda tomada de pressão é de pressão estática, que é
a pressão atuante nas paredes do tubo. A diferença de pressão é conhecida como pressão
dinâmica [SHNEIDER, 2007].
Através da equação de Bernoulli, com as devidas simplificações, é possível descobrir a
velocidade do escoamento através da equação abaixo:
√
(1)
Sendo Po a pressão de estagnação e P a pressão estática. Também, sabe-se que a
diferença de pressão pode ser encontrada através da expressão abaixo:
(2)
Com o valor da velocidade é possível calcular a vazão volumétrica do ar através de:
(3)
Também, pode-se calcular a vazão mássica através da equação:
(4)
2.3 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA
Um sensor muito utilizado para medição de temperatura é o termopar, pois são de
simples utilização, robustos e de baixo custo.
O termopar é constituído de dois metais distintos que unidos por sua extremidade formam
um circuito fechado. O termopar desta maneira gera uma força eletromotriz (FEM), que
quando conectada a um instrumento de aquisição de dados consegue ler uma diferença de
tensão gerada pela diferença entre as temperaturas da junta. Através desta tensão, é possível
3
encontrar o valor da variação de temperatura correspondente em tabelas de calibração que o
próprio fabricante disponibiliza.
No experimento foi utilizado um termopar que utiliza ligas de níquel-cromo e níquel-
alumínio (Cromel/Alumel), popularmente conhecido por de tipo K. Este tipo de termopar é
muito utilizado na indústria, principalmente pela resistência a oxidação, e seu baixo custo,
sendo que podem ser utilizado em grandes faixas de temperaturas (-270 °C a 1200 °C). A
tabela de calibração deste termopar encontra-se no Anexo 1.
2.4 INCERTEZAS DE MEDIÇÃO
A incerteza define um intervalo em torno do resultado de medição no qual se espera
abranger grande parte dos resultados encontrados. Geralmente, o nível de confiabilidade
utilizado é de 95.45% [Shneider, 2007]. Alguns dados dependem dos resultados
experimentais, e geram assim, uma incerteza combinada, onde os resultados calculados
geram uma incerteza devido à incerteza do valor medido.
O procedimento para medir a incerteza de medição é chamado de Propagação da
Incerteza de Medição, dado por:
((
)
(
)
)
⁄
(5)
Sendo até as variáveis dependentes, até os desvios padrão das variáveis
dependentes e V a equação para chegar no dado esperado.
3. METODOLOGIA
Para a realização do experimento, foi utilizado um tubo de PVC simulando uma
chaminé, onde na parte superior do tubo encontra-se a “ponteira”. O ar aquecido através de
uma resistência elétrica escoa dentro desta tubulação a uma determinada vazão e temperatura,
que serão medidas durante o ensaio. A figura 2 ilustra a chaminé.
Figura 2 - Esquema de montagem da bancada para o ensaio
(Fonte: Edital de trabalho final da disciplina de medições térmicas. Edição 2013-2)
4
Primeiramente, na saída do escoamento não haverá corrente de ar perpendicular. Em um
segundo momento haverá uma corrente de perpendicular ao tubo. Para o procedimento, foi
necessário criar uma ponteira para a chaminé que minimizasse o efeito do vento na fumaça.
A ponteira da chaminé baseia-se no princípio de funcionamento de um tubo de Venturi,
que possui uma grande abertura para recolher mais vento lateral, e com a diminuição da área,
aumentar a velocidade de saída do vento, para que este não influencie no escoamento do ar
quente advindo da chaminé.
Essencialmente, para a montagem da ponteira, foram acoplados ao cano PVC de 100 mm
de diâmetro, 6 funis para canalizar o vento transversal ao cano. A Figura 3 mostra o tipo de
funil utilizado.
Figura 3 - Funil utilizado no experimento
Com ajuda da massa epóxi foram acoplados os 6 funis ao tubo de PVC, como mostra
a Figura 4.
Figura 4 - Vista superior da ponteira após o acoplamento dos 6 funis
Depois de fixados, foram vedados todos os possíveis orifícios entre os furos, e entre
os funis, como pode ser visto na Figura 5.
5
Figura 5 - Vista superior da ponteira finalizada.
Para a medição da vazão foi construído um tubo de Pitot como mostrado na Figura 6,
e utilizado um termopar tipo K para medir a temperatura, mostrado na Figura 7.
Figura 6 - Tubo de Pitot construído para o ensaio
Figura 7 - Termopar tipo K utilizado no experimento
A Figura 8 mostra o experimento montado na bancada, aonde foram coletados os
dados para análises posteriores.
6
Figura 8 - Experimento montado na bancada
É importante ressaltar a posição do ventilador utilizado para simular o vento lateral. O
ventilador foi utilizado em duas posições diferentes, sendo a da Figura 9 a de referência, e a
outra, 90° em relação a esta posição.
Figura 9 - Disposição do ventilador indicando o vento lateral
4. VALIDAÇÃO
Para a medição da temperatura, sabe-se que o termopar do tipo K possui uma
incerteza de medição de mais ou menos 2.2°C para baixas temperaturas como é definido pelo
fabricante. Já na medição de vazão, tem-se a incerteza do manômetro de tubo em U
inclinado, chega-se a medidas de mais ou menos 0,254 mm de incerteza , mas também é
preciso levar em consideração a posição do Tubo de Pitot, que deve ser posicionado centrado,
e paralelo ao escoamento para não gerar erros maiores de leitura.
7
Abaixo, tem-se a foto do Tubo de Pitot dentro do tubo PVC, indicando a posição
correta para sua utilização.
Figura 10 - Tubo de Pitot colocado no tubo PVC pronto para medição de vazão
Além disso, os instrumentos foram aferidos e calibrados, como mostra a figura abaixo.
Figura 11 - Calibração do instrumento de medição.
5. RESULTADOS
Para o presente experimento, foram utilizadas três situações diferentes, sendo uma
sem vento lateral, e as outras duas com vento. É importante destacar, que para o teste, foi
utilizada uma frequência de 45Hz no ventilador, o que gera uma vazão consideravelmente
alta. O ar foi aquecido, devido à resistência elétrica, a uma temperatura de aproximadamente
38°C, sendo que o ambiente estava a uma temperatura de 22.8°C, como mostra a figura no
anexo 2.
8
5.1 PONTEIRA SEM VENTO TRANSVERSAL
Tabela 1 – Parâmetros encontrados na ponteira, sem vento lateral
Temperatura
[°C]
Variação de
altura [mmCa]
Velocidade
[m/s]
Vazão
volumétrica
[m³/s]
Vazão
mássica
[kg/s]
Resultado 37.8 4 8.37 0.065 0.0728
Incerteza 2.2 0.254 0.265 0.0021 0.00233
5.2 PONTEIRA COM VENTO TRANSVERSAL
Tabela 2 – Parâmetros encontrados na ponteira com vento lateral
Temperatura
[°C]
Variação de
altura [mmCa]
Velocidade
[m/s]
Vazão
volumétrica
[m³/s]
Vazão
mássica
[kg/s]
Resultado 37.8 4 8.37 0.065 0.0728
Incerteza 2.2 0.254 0.265 0.0021 0.00233
5.3 PONTEIRA COM VENTO TRANSVERSAL DESLOCADO 90° EM
RELAÇÃO AO ITEM 4.2
Tabela 3 – Parâmetros encontrados na ponteira, com vento lateral deslocado 90° em relação
ao item 4.2
Temperatura
[°C]
Variação de
altura [mmCa]
Velocidade
[m/s]
Vazão
volumétrica
[m³/s]
Vazão
mássica
[kg/s]
Resultado 37.8 4 8.37 0.065 0.0728
Incerteza 2.2 0.254 0.265 0.0021 0.00233
A Figura 12 mostra o multímetro indicando a tensão encontrada, e a Figura 13 mostra
a variação da altura do tubo em U inclinado.
Figura 12 – Multímetro indicando a tensão
9
Figura 13 – Tubo em U inclinado indicando a variação de pressão
Os resultados encontrados demonstram que mesmo com o vento lateral, o escoamento
do fluido não foi afetado, pois a medida da vazão foi a mesma encontrada.
6. CONCLUSÕES
A partir das análises realizadas neste trabalho foram constatados resultados
satisfatórios.
A medida obtida de temperatura foi de 37.8 ± 2.2 ºC, sendo bastante similar aquele
estabelecido no ensaio que era de 38°C como mostra o Anexo 3.
A velocidade do escoamento obtida no experimento com vento e sem vento
perpendicular foi a mesma de 8.37±0.35 m/s e a vazão mássica de 0.0728 ± 0.0033 Kg/s. Conclui-se portanto que os resultados foram satisfatórios pois verificou-se que a ponteira foi
de suma importância para a manter a vazão constante na tubulação, ou seja a ponteira ajudou
no melhoramento do escoamento quando submetida a ventos perpendiculares. Além disso,
devido a sua geometria hexagonal radial verifica-se que não importa o sentido do vento a
mesma continuara melhorando o desempenho da chaminé.
Para trabalho futuros, deve-se utilizar instrumentos de medição com resoluções
maiores e com menores incertezas para que se possa verificar com mais detalhes a influencia
da ponteira na chaminé, como também estudar a viabilidade econômica da instalação da
ponteira em chaminés industriais.
10
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
MINIPA, especificações do termopar. Disponível em:
http://www.minipa.com.br/Produtos/Caracteristicas.aspx?ID_Sec=9&ID_Sub_Cat=76&ID=9
5, acessado em 10/12/2013
SCHNEIDER, P. S., 2011, Medição de Pressão em fluidos. Departamento de
Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível
no site http://143.54.70.55/medterm/pressaovazao.html.
SCHNEIDER, P. S., 2011, Medição de Velocidade e Vazão de fluidos.
Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto
Alegre. Disponível no site http://143.54.70.55/medterm/pressaovazao.html.
SCHNEIDER, P. S., 2011, Termometria e Psicrometria Departamento de
Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível
no site http://143.54.70.55/medterm/temperatura.html.
http://wiki.sj.ifsc.edu.br/wiki/images/f/fe/Apostila_TCL_2010_Parte_3.pdf, acessado
em 05/12/2013
http://www.smar.com/newsletter/marketing/index40.html, acessado em 06/12/2013
http://www.geste.mecanica.ufrgs.br/medterm/edital_mt.pdf, acessado em 10/12/2013
11
Anexo 1- Tabela do termopar fornecida pela empresa Thermomax
12
13
Anexo 2 – Foto do termômetro do laboratório indicando temperatura ambiente.
Anexo 3 – Foto do termômetro do laboratório indicando temperatura do escoamento.
