A transferência de calor proveniente de fios quentes depende da velocidade local. Este efeito tem sido usado para estudar velocidades de jactos e medir níveis de turbulência. As sondas de fio quente com diâmetro de 1 μm eram produzidas com fio Wollaston mas, actualmente, a preferência recai na utilização do tungsténio. Este método pode ser aplicado em chamas, embora as elevadas temperaturas e gradientes de composição e temperatura venham a necessitar de correcções elaboradas e o método se encontre limitado a temperaturas inferiores ao ponto de fusão do metal utilizado, que no caso da platina é próximo de 2040 K, mas no caso do tungsténio já se aproxima de 3695 K.
O escoamento passa pelo fio e produz, sobre o mesmo um efeito de arrefecimento. Como a resistência eléctrica da maioria dos metais é dependente da sua temperatura, pode-se obter uma relação entre a resistência do fio e a velocidade do escoamento.
Existem diversos equipamentos para implementar este método, de forma que este tipo de anemómetros se pode classificar como CCA (anemómetro de corrente constante), CVA (anemómetro de voltagem constante) e CTA (anemómetro de temperatura constante). A informação de saída destes equipamentos traduz-se num voltagem como resultado de um circuito electrónico existente no anemómetro, que tenta manter constante uma variável específica.
Adicionalmente, ainda se podem encontrar os anemómetros PWM (de modulação por duração de impulso) que são utilizados, principalmente, onde a velocidade é determinada pela duração de um impulso de corrente que se repete. Este impulso afecta a resistência do fio levando-o a atingir um valor predeterminado. Em seguida, o impulso cessa, deixando que um patamar crítico venha a ser alcançado, altura em que o impulso é enviado novamente.
Processo
Os anemómetros de fio quente, embora extremamente delicados, têm uma resposta de frequência extremamente elevada e uma resolução espacial fina quando comparados com outros métodos de medida, e como tal, são utilizados de forma quase universal para o estudo detalhado de escoamentos turbulentos, ou de qualquer outro escoamento onde as flutuações rápidas de velocidade possam ser de interesse.
2.3.2 Métodos ópticos
A utilização de processos ópticos apresenta, actualmente, vantagens inegáveis relativamente aos processos intrusivos de medição em chama. Existem diferentes níveis de processos ópticos, no que respeita aos objectivos e potencialidade. Para Durão & Heitor (1992), que consideram a amostragem intrusiva como uma preocupação principal no que respeita às perturbações aerodinâmicas, térmicas ou químicas, a utilização de técnicas ópticas oferece uma série de vantagens em relação aos métodos intrusivos de amostragem.
Segundo os mesmos autores, devido à possibilidade de tolerar a agressividade do meio e o calor existente nos locais de trabalho, as técnicas ópticas são utilizadas de forma remota e adequadas à utilização em zonas de recirculação, camadas limite finas e escoamentos confinados, o que abrange um enorme número de aplicações desde a chama laminar de laboratório até às câmaras de combustão de turbinas a gás e motores de combustão interna.
Espécies
Os vários processos não intrusivos de análise e determinação de espécies químicas baseiam-se todos na mesma tecnologia: a espectroscopia. No entanto, a espectroscopia, de per si, apresenta limitações bastante significativas. Estas limitações colocam-se quer ao nível da quantificação de resultados, quer ao nível das espécies que tem capacidade de detectar.
Se o problema da quantificação dos resultados pode tentar ser resolvido através do método do padrão interno, já o limite relacionado com a capacidade de detecção só se consegue resolver através da utilização de uma fonte externa de excitação das moléculas.
Surge, então, a possibilidade de agrupar estas técnicas como activas ou passivas, em função da utilização de lasers, que conseguem excitar as espécies químicas e permitir, assim, aumentar as capacidades inerentes à técnica da espectroscopia. Entendeu-se, assim, pertinente apresentar as definições base da espectroscopia, visto que é uma técnica utilizada com ou sem laser, bem como os fundamentos da Fluorescência Induzida por Laser (LIF), um método bastante mais completo e com resultados mais fiáveis, mas também, bastante mais caro. A complexidade e
Processo
custo deste último método advém dos lasers a utilizar, normalmente dois, e de uma ou mais câmaras, de alta velocidade, para captação de imagem, sincronizadas com o laser principal.
Espectroscopia
A espectroscopia, ciência que utiliza linhas espectrais para determinação da constituição da matéria, é utilizada como diagnóstico do processo de combustão. Existem diversos tipos de espectroscopia, donde se podem destacar a espectroscopia de emissão e a de absorção.
Segundo Atkins (1994), a espectroscopia fornece informação detalhada sobre a identidade, a estrutura e os níveis de energia das espécies químicas. A origem das linhas espectrais na espectroscopia molecular é a emissão ou absorção de um fotão quando a energia de uma molécula é alterada. A diferença relativamente à espectroscopia atómica é que a energia da molécula pode ser alterada não só como resultado de transições electrónicas, mas também devido às alterações de estado vibracional e rotacional da molécula. No entanto, é possível encontrar informação relacionada com outras propriedades e a sua análise poderá indicar valores de forças de ligação, comprimentos e ângulos. Chega, inclusivamente, a fornecer indicações de como determinar propriedades como dimensões da molécula, formas e momentos dipolares.
Um gás quente emite fotões com comprimento de onda correspondente à transição entre diferentes níveis de energia dos átomos ou moléculas no gás. Este fenómeno tem correspondência no espectro electromagnético através das linhas brilhantes, denominadas linhas de emissão, que se podem observar na Figura 2.14. Portanto, no caso da espectroscopia de emissão, uma molécula passa do estado de energia E1 para um estado de energia mais baixo E2 e emite o
excesso de energia sob a forma de um fotão.
Figura 2.14: Linhas de emissão provenientes de um gás quente (Strobel, 2004).
No caso de se estudar uma fonte quente que emita um espectro contínuo e exista a interferência de um gás frio entre a fonte e a observação, então, o gás frio absorve fotões com comprimento de onda correspondente à transição entre diferentes níveis de energia dos átomos ou moléculas no gás. Esta situação conduz a linhas escuras no espectro contínuo, denominadas linhas de absorção,
Processo
que permitem identificar os elementos constituintes do gás, como se mostra na Figura 2.15.
Figura 2.15: Linhas de absorção resultantes da interferência de gás frio no espectro contínuo (Strobel, 2004).
Atkins (1994) entende a absorção como uma resultante, visto que quando uma amostra é radiada, são estimuladas quer a absorção, quer a emissão a uma dada frequência e o detector mede a diferença entre ambas. Esta situação é mostrada na Figura 2.16 com a aplicação da primeira lei de Kirchhoff5.
Figura 2.16: Esquema ilustrativo da aplicação da primeira lei de Kirchhoff (Chaisson & McMillan, 2003).
A energia h de um fotão emitido ou absorvido e, consequentemente, a frequência da radiação emitida ou absorvida são dadas pela condição de frequência de Bohr (Eq. 2.22).
2 1 E E
h Eq. 2.22
5 Num circuito eléctrico, sem variação de densidade de carga, a soma da corrente eléctrica a aproximar-se de
Processo
Apesar de trazer bastantes vantagens, a espectroscopia tem aplicabilidade reduzida, visto que, apenas, permite a detecção de espécies químicas e com resolução limitada. No entanto, esta técnica quando conjugada com uma fonte externa de excitação de moléculas tem possibilidades bastante mais amplas. Desta forma, entende-se a espectroscopia como uma técnica passiva, onde apenas se torna necessário medir a radiação emitida de determinadas zonas da chama, para se ter uma detecção qualitativa de algumas das espécies presentes. Em teoria, qualquer fonte de luz pode ser utilizada para excitar o objecto de estudo, no entanto, a conveniência e potência dos lasers fazem deles a escolha mais frequente. Uma análise completa necessita de diversas técnicas complementares para abranger a gama alargada de concentrações e tipos de espécies encontrados nas chamas. Esta situação tem o inconveniente de utilizar diversos lasers, ou utilizar um único laser, de comprimento de onda variável. Ainda assim, o comprimento de onda adequado para muitas espécies pode ser encontrado na região dos ultravioletas, o que cria diversas dificuldades à utilização de lasers. Segundo Eckbreth (1981), este problema pode ser ultrapassado com a utilização de técnicas de absorção multifotão. Para este investigador, uma combinação comum é utilizar a espectrometria de Raman ou CARS para as espécies mais importantes, a espectroscopia fluorescente para espécies radicais em quantidades vestigiais, como o OH ou o NO (Durão & Heitor, 1992) e a espectroscopia de absorção de infravermelhos para hidrocarbonetos intermédios (Farrow & Rahn, 1981).