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Utilização de Termopares para a Caracterização de Chamas
Turbulentas
Feito por:
Carlos Antunes
Pedro Martins
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 2
Estrutura
Introdução
Funcionamento de Termopares
Construção de Termopares
Limitações dos Termopares
Avaliação da Constante de Tempo dos Termopares
Referências Bibliográficas
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 3
Introdução
As propriedades do escoamento numa combustão têm sido tradicionalmente medidas utilizando sondas.
• Qual a interferência da sonda?
• Qual a resolução temporal da sonda?
Porque não utilizar técnicas ópticas?
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 4
Introdução
A utilização de Técnicas ópticas levantam outros problemas:
• necessidade de acesso óptico;
•Difícil obter informação de alta qualidade em meios fortemente luminosos ou carregados de partículas.
A medição de grandezas escalares está dependente de vários factores como a presença de partículas no escoamento
A precisão dos resultados é ainda questionável
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 5
Introdução
Vantagens do uso de sondas:
• barato;
• simples;
• fáceis de usar;
• por vezes os mais fiáveis.
Desvantagens do uso de sondas:
• causam interferência no escoamento;
• qual a menor escala mensurável num escoamento turbulento?
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 6
Introdução
Métodos Ópticos ou Intrusívos?
complexidade da análise;
capacidade e experiência do utilizador;
custos dos equipamentos;
(em geral as grandezas escalares são medidas utilizando técnicas intrusívas)
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 7
Funcionamento de Termopares
EFEITO DE SEEBACK
-É o resultado combinado dos efeitos de Thomson e Peltier:
Thomson observou a existência de uma FEM devido ao contacto de dois metais diferentes, geralmente pequena e desprezável.
Peltier descobriu que gradientes de temperaturas ao longo de fios condutores geram um FEM
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 8
Funcionamento de Termopares
EFEITO DE SEEBACK
Vantagens:Simples
Vasta gama de temperaturasVariedade
Barato
Desvantagens:Não-Linear
FEM gerada é pequenaNecessita de Temp. de Ref.
Pouca Sensibilidade
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 9
Funcionamento de Termopares
LEI DOS METAIS INTERMÉDIOS
A inserção de um novo Metal C no circuito não influenciará o valor da FEM desde que as novas junções estejam a
temperaturas idênticas.
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 10
Funcionamento de TermoparesPara o estudo de chamas turbulentas tem-se utilizado ligas de
rhodium-platinum
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 11
Funcionamento de Termopares
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 12
Construção de TermoparesUTILIZANDO UMA DESCARGA ELÉCTRICA
1) O par de fios a serem soldados são fixos e manipulados por dois micromanipuladores e conectados a um dos terminais do gerador de tensão. O fim de cada fio, com cerca de 5 mm é previamente lavado com acetona. As duas pontas são então colocadas em contacto, em forma de V com um ângulo de 45º-60º.
2) Um eléctrodo refractário de grafite é conectado ao outro terminal do gerador de tensão. O eléctrodo entra em contacto com os dois fios, e aplica-se uma descarga eléctrica, controlada em amplitude e duração.
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 13
Construção de TermoparesUTILIZANDO UMA DESCARGA ELÉCTRICA
3) Uma vez obtida uma boa junção, atendendo ao seu tamanho (rj/rf<2.0), verifica-se se é suficientemente forte aplicando tracção axial manual.
4) Monta-se o termopar nos fios do suporte, por forma a que a junção fique centrada, utilizando os micromanipuladores.
Nota: Em todas as operações o operador utiliza um microscópio.
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 14
Construção de Termopares
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 15
Construção de Termopares
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Construção de Termopares
DIMENSÕES TÍPICAS DE UM TERMOPAR DE FIO FINO
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 17
Limitações dos Termopares
• O Termopar não é um sensor ideal.
• O Termopar indica a sua temperatura, que é, em geral, diferente da do gás.
Perturbações induzidas no escoamento pela sonda; Contaminação dos fios dos termopares; Efeitos Catalíticos; Transferências de Calor (condução e radiação); Determinação de valores médios.
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 18
Limitações dos Termopares
PERTURBAÇÕES INDUZIDAS PELA SONDA
A introdução de um termopar de fio fino no escoamento causa perturbações locais e globais, que podem ser de natureza:
aerodinâmica (podem ser as mais severas); térmica; química.
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 19
Limitações dos Termopares
PERTURBAÇÕES INDUZIDAS PELA SONDA
Perturbações aerodinâmicas globais:• São minimizadas para escoamentos sem recirculações;• No caso de “pre-mixed flames”:
Pode alterar as características da mistura “ar+ fuel”Pode servir como “flame holder”
Perturbações aerodinâmicas locais:• Resulta da conversão de energia cinética em energia térmica na camada limite ao longo do termopar;• mostra-se que o erro é desprezável para escoamentos de combustão em que M<0,1.
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 20
Limitações dos Termopares
PERTURBAÇÕES DE NATUREZA QUÍMICA
• Em atmosferas reduzidas (hidrogénio, vapor de água, CO, metano,...) a platina e as suas ligas reagem com espécies químicas activas.
Acelerando a decomposição da cerâmica refractária usada para isolar os elementos térmicos
• Acima dos 1200ºC ocorre a formação dos Silicatos de Platina, tornando os fios quebradiços.
Nota: A contaminação ocorre ainda que não haja contacto directo da sílica com os fios, pois esta encontra-se inicialmente
noutros compostos.
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 21
Limitações dos Termopares
CATÁLISE NAS SUPERFÍCIES DOS TERMOPARES
• Em contacto com atmosferas reduzidas, a superfície da platina actua como catalisador de reacções exoenergéticas, em particular nas recombinações de radicais, dando origem a erros sistemáticos.
Nota: “Pre-mixed flames” são particularmente propícias à ocorrência deste fenómeno, devido à recombinação de OH na camada limite dos fios
Como evitar este efeito?
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 22
Limitações dos Termopares
CATÁLISE NAS SUPERFÍCIES DOS TERMOPARES
Cobrindo os fios com material não catalítico: Material de Sílica : sofrem redução e contaminam os fios; Cerâmica de Berílio+Ítrio : o berílio é extremamente tóxico e venenoso; Cerâmica com base em Alumina
Aumenta o diâmetro dos fios
Deteora a resposta em frequênciaAumenta a emissividade
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 23
Limitações dos Termopares
CATÁLISE NAS SUPERFÍCIES DOS TERMOPARES
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 24
Limitações dos Termopares
EFEITOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Outros dos efeitos que contribui para que a temperatura do termopar não seja igual à do gás é a transferência de calor entre a junção, os fios e o meio circundante.
Realizando um balanço e desprezando a radiação entre o termopar e o gás, vem:
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 25
Limitações dos Termopares
EFEITOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR - CONDUÇÃO
Erros sistemáticos são obtidos devido à condução de calor através dos fios quando estes estão sujeitos a gradientes de temperatura.
A condução do calor não é afectada:• pelo diâmetro da junção;• velocidade de chama.
Verifica-se que os erros são principalmente função do comprimento do fio.
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 26
Limitações dos Termopares
EFEITOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR - CONDUÇÃO
Admite-se que os erros são desprezáveis para comp/diam>200
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 27
Limitações dos Termopares
EFEITOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR - RADIAÇÃO
Erros de maior grandeza podem surgir da troca de calor por radiação entre o termopar e as paredes envolventes.
Estimativas dos erros são difíceis e pouco precisas. Note-se que, por exemplo, a emissividade da liga Pt-10%Rh pode variar 40% entre os 600ºC e os 900ºC.
Em geral verifica-se que o erro aumenta com o aumento da temperatura, podendo atingir 10% do valor medido com o termopar.
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 28
Limitações dos Termopares
EFEITOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR - RADIAÇÃO
![Page 29: Utilização de Termopares para a Caracterização de Chamas Turbulentas Feito por: Carlos Antunes Pedro Martins](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062700/552fc130497959413d8d4e48/html5/thumbnails/29.jpg)
Carlos Antunes ; Pedro Martins 29
Limitações dos Termopares
EFEITOS DO USO DE PIRÓMETROS DE SUCÇÃO
Numa tentativa de diminuir os erros associados à radiação utilizam-se estes instrumentos, por forma a proteger os Termopares das paredes circundantes.
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 30
Limitações dos Termopares
EFEITOS DO USO DE PIRÓMETROS DE SUCÇÃO
Surgem outras fontes de erro:
• geometria da sonda;
• a posição da junção do termopar;
• geometria do escudo protector;
• velocidade de sucção dos gases.
Maiores velocidades Maiores coeficientes de transferência de calor
O valor medido estabiliza para v=200m/s.
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 31
Limitações dos Termopares
ERROS NA AVALIAÇÃO DA TEMPERATURA MÉDIA
Os Termopares não têm resolução espacial nem temporal para fornecer valores instantâneos.
O termopar não é um sensor ideal. A junção tem massa, pelo que necessita de tempo para mudar de temperatura.
A capacidade de aquecimento da junção é caracterizada pela constante de tempo da sonda “τ”, que é uma medida da resposta em frequência da sonda.
f=1/ τ Para variações de temperatura associadas a frequências supeiores a f o termopar não consegue detectar.
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 32
Limitações dos Termopares
ERROS NA AVALIAÇÃO DA TEMPERATURA MÉDIA
O termopar actua inicialmente como um filtro passa-baixo, pelo que pode ser necessário utilizar um circuito compensador.
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 33
Avaliação de τ dos Termopares
Fazendo um balanço de energia à junção do termopar vem:
Note-se que os coeficientes de transferência de calor variam com a temperatura. Logo, também a constante de tempo dos termopares varia com a temperatura
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 34
Avaliação de τ dos Termopares
1º MÉTODO: “1/E METHOD”
• τ é determinado (tradicionalmente) aquecendo o termopar com uma corrente eléctrica e fazendo-o arrefecer através de uma convecção forçada;
• τ é designado como o tempo que a temperatura leva decair para 1/e do seu valor inicial.
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 35
Avaliação de τ dos Termopares
1º MÉTODO: “1/E METHOD”
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 36
Avaliação de τ dos Termopares
2º MÉTODO: “PLATEAU METHOD”
Na realidade, a diminuição de temperatura não é exponencial devido a:
• diferença de temperatura entre a junção e os fios;
• efeito de Peltier.
Assim τ pode ser determinado, plotando a evolução da resolução temporal da constante de tempo.
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 37
Avaliação de τ dos Termopares
2º MÉTODO: “PLATEAU METHOD”
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 38
Avaliação de τ dos Termopares
INCERTEZAS NA DETERMINAÇÃO DE τ
Estimação do nível do “plateau”;
Envelhecimento do termopar devido à contaminação com partículas e outras impurezas inerentes ao processo de combustão;
dependência de τ com a velocidade e a temperatura.
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Carlos Antunes ; Pedro Martins 39
Referências Bibliográficas
[1] M. V. Heitor and A. L. N. Moreira “Thermocouples and Sample Probes for Combustion Studies”, 1993
[2] Moneib, Hany Ahmed “Experimental Study of the Fluctuating Temperature in Inert and Reacting Turbulent Jets”, 1980
Azinheira, J.R. “Acetatos das aulas de Instrumentação”
Moreira, Lucia, “Medição de Temperatura usando-se Termopar”
http://www.nist.gov