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

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

2 Carlos Antunes ; Pedro Martins2 Estrutura Introdução Funcionamento de Termopares Construção de Termopares Limitações dos Termopares Avaliação da Constante de Tempo dos Termopares Referências Bibliográficas

3 Carlos Antunes ; Pedro Martins3 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?

4 Carlos Antunes ; Pedro Martins4 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

5 Carlos Antunes ; Pedro Martins5 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?

6 Carlos Antunes ; Pedro Martins6 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)

7 Carlos Antunes ; Pedro Martins7 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

8 Carlos Antunes ; Pedro Martins8 Funcionamento de Termopares EFEITO DE SEEBACK Vantagens: Simples Vasta gama de temperaturas Variedade Barato Desvantagens: Não-Linear FEM gerada é pequena Necessita de Temp. de Ref. Pouca Sensibilidade

9 Carlos Antunes ; Pedro Martins9 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.

10 Carlos Antunes ; Pedro Martins10 Funcionamento de Termopares Para o estudo de chamas turbulentas tem-se utilizado ligas de rhodium-platinum

11 Carlos Antunes ; Pedro Martins11 Funcionamento de Termopares

12 Carlos Antunes ; Pedro Martins12 Construção de Termopares UTILIZANDO 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.

13 Carlos Antunes ; Pedro Martins13 Construção de Termopares UTILIZANDO 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.

14 Carlos Antunes ; Pedro Martins14 Construção de Termopares

15 Carlos Antunes ; Pedro Martins15 Construção de Termopares

16 Carlos Antunes ; Pedro Martins16 Construção de Termopares DIMENSÕES TÍPICAS DE UM TERMOPAR DE FIO FINO

17 Carlos Antunes ; Pedro Martins17 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.

18 Carlos Antunes ; Pedro Martins18 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.

19 Carlos Antunes ; Pedro Martins19 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.

20 Carlos Antunes ; Pedro Martins20 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.

21 Carlos Antunes ; Pedro Martins21 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?

22 Carlos Antunes ; Pedro Martins22 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 frequência Aumenta a emissividade

23 Carlos Antunes ; Pedro Martins23 Limitações dos Termopares CATÁLISE NAS SUPERFÍCIES DOS TERMOPARES

24 Carlos Antunes ; Pedro Martins24 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:

25 Carlos Antunes ; Pedro Martins25 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.

26 Carlos Antunes ; Pedro Martins26 Limitações dos Termopares EFEITOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR - CONDUÇÃO Admite-se que os erros são desprezáveis para comp/diam>200

27 Carlos Antunes ; Pedro Martins27 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.

28 Carlos Antunes ; Pedro Martins28 Limitações dos Termopares EFEITOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR - RADIAÇÃO

29 Carlos Antunes ; Pedro Martins29 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.

30 Carlos Antunes ; Pedro Martins30 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.

31 Carlos Antunes ; Pedro Martins31 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.

32 Carlos Antunes ; Pedro Martins32 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.

33 Carlos Antunes ; Pedro Martins33 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

34 Carlos Antunes ; Pedro Martins34 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.

35 Carlos Antunes ; Pedro Martins35 Avaliação de τ dos Termopares 1º MÉTODO: 1/E METHOD

36 Carlos Antunes ; Pedro Martins36 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.

37 Carlos Antunes ; Pedro Martins37 Avaliação de τ dos Termopares 2º MÉTODO: PLATEAU METHOD

38 Carlos Antunes ; Pedro Martins38 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.

39 Carlos Antunes ; Pedro Martins39 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


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