UTILIZAÇÃO DE MICRO TERMOPARES PARA IDENTIFICAR E CARACTERIZAR OSCILAÇÕES EM CHAMAS

UTILIZAÇÃO DE MICRO TERMOPARES PARA IDENTIFICAR E

CARACTERIZAR OSCILAÇÕES EM CHAMAS

Alan Gimenez Ribeiro – IC, Pedro Teixeira Lacava– PQ

Instituto Tecnológico de Aeronáutica - Divisão de Engenharia Aeronáutica

Pça. Mal. Eduardo Gomes, n

50, Vila das Acácias

CEP: 12228-901, S. José dos Campos - SP

alan@ribeiros.net , lacava@aer.ita.cta.br

Resumo

O presente trabalho apresenta a caracterização do termopar como um instrumento de detecção de instabilidades acústicas durante um processo de combustão, e a observação da influência da presença de um campo acústico no perfil de temperatura na chama. Para o presente estudo experimental utilizou-se um termopar de fio fino tipo K com 300 µm de diâmetro e para obter o perfil radial de temperatura da chama em diferentes condições de oscilação.

Abstract

The present work shows the characterization of the thermocouple as an instrument to detect acoustics instabilities during a combusting processe, and the observation of the influence of an acoustic field in the flame temperature profile. In the present experimental study a K

fine wire

thermocouple

1.INTRODUÇÃO 1.1.Combustão Pulsante

Entende-se por combustão pulsante o processo de queima que apresenta como característica principal o fato das variáveis de estado que descrevem as condições na zona de queima (pressão, temperatura, etc.) ocorrerem sob condições oscilatórias [1]. Enquanto nos processos convencionais não há correlação entre as flutuações existentes em um determinado ponto da câmara de combustão e outro ponto, com exceção da própria turbulência inerente à chama, a combustão pulsante apresenta uma estrutura coerente.

A presença de uma instabilidade acústica em um dispositivo de combustão pode ser vantajosa ou não. Alguns dispositivos que fazem uso da energia térmica liberada pelas reações de combustão, utilizados para fins propulsivos, industriais ou domésticos, sob condições controladas podem se beneficiar das vantagens de que um escoamento reativo pulsado pode ter em relação à combustão convencional. Entre essas vantagens, pode-se citar a redução no consumo de combustível e a menor formação de poluentes. Isto ocorre em razão das oscilações incrementarem o processo de mistura entre o combustível e o oxidante, resultando num processo de combustão mais eficiente. Por outro lado, a presença de instabilidades de combustão em alguns sistemas propulsivos com o motor foguete, pode comprometer ou limitar a aplicabilidade desses sistemas. As oscilações de pressão e temperatura podem causar fadiga no material do sistema, limitando sua vida útil; além disso, uma amplitude de oscilação mais forte pode vir a comprometer a combustão, causando o repentino apagamento da chama.

1.2.Termopar

Um dispositivo clássico e intrusivo para medição de temperatura em escoamentos é o termopar, que para aplicações diretas em chamas, além de ter que minimizar os efeitos intrusivos, deve ser capaz de responder aos gradientes espaciais e temporais de temperatura.

Um termopar ou par termoelétrico é um dispositivo no qual dois metais diferentes são unidos de forma que se as junções destes metais são mantidas a temperaturas diferentes desenvolve-se uma diferença de potencial (ddp) neste circuito. Essa ddp aparece devido ao efeito Seebeck, o qual se deve ao fato que a densidade de elétrons livre num metal difere de um condutor para o outro e depende da temperatura.

Os termopares são extensivamente utilizados em pesquisas e experimentos relacionados à combustão, podendo ser aplicados na obtenção da temperatura média, instantânea ou flutuações [2]. Entre as vantagens da utilização dos termopares está a sua facilidade de uso, ser uma técnica econômica, além de possuir boa resolução temporal e espacial. No entanto, para que os erros nas medidas decorrentes dos efeitos intrusivos sejam minimizados, faz-se necessário utilizar termopares cujo diâmetro dos fios seja da ordem de dezenas de micrômetros, denominados por termopares de fio fino.

2.MONTAGEM DO EXPERIMENTO

Para a realização do experimento utilizou-se um queimador de escala laboratorial operando

com vazão volumétrica de 9 cm3.min-1 de Gás Liqüefeito de Petróleo (GLP). Na extremidade do

queimador, ou seja, na saída do jato de gás, foi provido um disco com 11,5 mm de diâmetro para facilitar o ancoramento da chama nas proximidades do mesmo.

A indução das oscilações ao escoamento de combustível é feita por meio de um alto-falante estrategicamente posicionado na base do queimador. A 3,2 cm do alto-falante, um transdutor de pressão do tipo “strain gage” foi acoplado ao queimador para referência das condições de atuação (frequência e amplitude) que o escoamento de gás está sendo submetido. O sinal do transdutor passa por um amplificador de carga e é lido em um osciloscópio. É importante observar que o transdutor de pressão está posicionado a 20,6cm da saída do queimador; desta forma, a amplitude do sinal obtido pelo transdutor não exatamente a mesma da que está submetido o jato de gás ao emergir do queimador e adentrar à frente de chama. No entanto, o sinal do transdutor é uma referência qualitativa.

Além do alto-falante, o sistema de atuação acústica conta com gerador de sinais e um amplificador. No primeiro ajusta-se uma onda senoidal com a frequência desejada e no segundo atribui-se o valor da amplitude tendo como referência o sinal do transdutor de pressão. O sinal de tensão que chega ao alto-falante também é lido no osciloscópio, para que não se ultrapasse o limite que é suportado pelo alto-falante.

Para medição da temperatura utilizou-se um termopar de fio fino tipo K com 300 µm de

diâmetro e junta exposta. O sinal do termopar passa por um amplificador de carga e finalmente é lido em um sistema de aquisição de dados instalado em um PC. A taxa de aquisição foi de um ponto por segundo, sendo que os resultados apresentados são uma média de algo em torno de sessenta pontos adquiridos.

O termopar foi acoplado na extremidade de uma sonda que o posiciona na direção do fluxo de gás, perturbando o menos possível o escoamento. Tal sonda foi instalada em um sistema de posicionamento que permite o movimento da sonda nas direções radial e axial em relação ao queimador.

A Figura 1 mostra um diagrama esquemático da montagem experimental completa. Todo experimento foi montado e realizado nas dependências do Laboratório Prof. Feng da Divisão de Engenharia Aeronáutica do ITA.

3.RESULTADOS 3.1Ensaios Iniciais

Com o propósito de se obter resultado confiável, ao início da pesquisa realizou-se ensaios para avaliação da montagem experimental. Obteve-se o mapeamento do perfil radial de temperatura

da chama sem excitação acústica, para as distâncias axiais de 5 mm, 10 mm e 15 mm a jusante do queimador. Os resultados estão plotados na Figura 2 e nota-se que o comportamento é o típico de uma chama difusiva laminar sem atuação acústica.

Figura 1: Esquema da montagem experimental.

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 200 400 600 800 1000 h=05mm h=10mm h=15mm T e m p e ratu ra( o C)

Distância em relação ao centro do queimador(mm)

Figura 2: Perfil radial de temperatura da chama para três distâncias axiais (o valor zero corresponde ao centro do queimador).

Feito isso, realizou-se um teste comparativo para avaliar a resposta dinâmica do

microtermopar utilizado no experimento. Constituiu-se de uma comparação entre o

micro-termopar com junção exposta e fios de 300

µ

m, utilizado no experimento, e outro termopar

tipo K comercial com bainha metálica de aproximadamente 3 mm de diâmetro. Os

termopares foram posicionados em regiões próximas no interior de uma chama não

excitada, sendo que em um determinado instante a alimentação de gás foi cortada, a cerca

de 40s de aquisição, ocasionando uma queda brusca de temperatura. A Figura 3 apresenta a

resposta dos termopares para essa situação. A partir da figura acima se pôde concluir que o

termopar de junção exposta e com fios de 300

µ

m tem uma melhor resposta às variações de

temperaturas. Quando ainda havia a presença da chama, o termopar de fio fino caracterizou

melhor às flutuações temporais de temperatura típicas da chama. Como é de fundamental

relevância no estudo das oscilações de temperaturas na chama pulsada que o termopar

responda rapidamente às variações de temperaturas, justifica-se a escolha do termopar de

junta exposta para o experimento.

0 50 100 150 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar 1 Termopar 2 T e m per atur a( o C) Tempo(s)

Figura 3: Comparação de tomada de temperatura dos dois termopares sendo que o termopar 1 é o de junção exposta e o termopar 2 é o de junção isolada.

3.2.Resultados Finais

Neste experimento variou-se a frequência e a amplitude do sinal. As freqüências analisadas foram; 200Hz, 400Hz, 600Hz e 700Hz. A amplitude variou baseada na medida de oscilação da pressão do escoamento interno ao queimador, que é induzida pelo alto-falante posicionado na sua base. As amplitudes de pressão (pico a pico) analisadas foram: 20mbar, 30mbar e 40mbar. Cabe ressaltar que se tentou estudar atuações com amplitude de pressão de 10mbar, porém a leitura do sinal do transdutor de pressão apresentava um ruído tal que não permitia determinar com exatidão o valor da amplitude. Também não se pode estudar a amplitudes de 40mbar para 700Hz, pois nesta condição a instabilidade da chama era tal que ela se extinguia. Determinou-se o perfil radial de temperatura variando-se a posição do termopar com passo de 1 mm, a partir do eixo de centro até 20 mm, para os planos (h) 5 mm, 40 mm e 70 mm a jusante do queimador. As Figuras 16 a 24 mostram os resultados obtidos.

A Figura 4 apresenta o perfil da chama sem excitação e na Tabela 1 estão resumidos os resultados para as diversas situações de excitação acústica.

0 5 10 15 20 200 400 600 800 1000 _h=05mm h=40mm h=70mm T e m per at ur a( o C)

Distânciarelativa ao centro do queimador(mm)

Tabela 1: Perfis radiais de temperatura das chamas para diferentes excitações (h = 05mm
, h = 40mm  e h = 70mm
). 200Hz e 20mbar 200Hz e 30mbar 0 5 10 15 20 200 400 600 800 T e m p er atu ra ( oC)

Distância relativa ao centro do queimador(mm)

0 5 10 15 20 200 400 600 800 Tempe ra tu ra ( o C)

Distância relativa ao centro do queimador(mm)

400Hz e 20mbar 400Hz e 30mbar 0 5 10 15 20 200 400 600 800 1000 Te mp er at u ra ( oC)

Distância relativa ao centro do queimador(mm)

0 5 10 15 20 200 400 600 800 1000 Te mpera tura( oC)

Distância relativa ao centro do queimador(mm)

400Hz e 40mbar 600Hz e 20mbar 0 5 10 15 20 200 400 600 800 1000 T e m per at ur a( oC)

Distância relativa ao centro do queimador(mm)

0 5 10 15 20 200 400 600 800 1000 T e m p er at ur a( oC)

Distância relativa ao centro do queimador(mm)

600Hz e 30mbar 700Hz e 20mbar 0 5 10 15 20 200 400 600 800 1000 T e mper atura( oC)

Distância relativa ao centro do queimador(mm)

0 5 10 15 20 200 400 600 800 1000 T e m per at ura( oC)

4.ANÁLISE DOS RESULTADOS E CONCLUSÕES

A Figura 4 mostra o resultado para situação sem atuação acústica. Os perfis

levantados são típicos de uma chama difusiva, onde nas proximidades do queimador (h = 5

mm) há um forte gradiente espacial de temperatura, indicando claramente a região de maior

presença das reações químicas e, como conseqüência, da chama. A medida que se caminha

axialmente a jusante do queimador, a temperatura na região interna da chama aumenta

consideravelmente, em função da forte presença dos produtos de combustão nessa região.

Analisando os resultados para 200Hz apresentados na Tabela1, nota-se que a

atuação acústica com 20mbar altera consideravelmente o campo de temperatura em relação

à situação sem atuação acústica. Por outro lado, para 30 mbar o perfil radial de temperatura

se altera consideravelmente, principalmente nas proximidades do queimador (h = 5mm). A

presença do campo acústico nessa combinação de atuação (200Hz e 30mbar), aumentou a

temperatura na região interna da chama, indicando que as flutuações de velocidade e

pressão intensificaram a mistura entre os o jato de combustível que emerge do queimador e

o ar ambiente, de tal forma que as reações aconteceram melhor distribuídas ao longo do

raio.

Para as excitações na freqüência de 400Hz, o comportamento qualitativo dos perfis

de temperatura foi o e mesmo da situação sem atuação. No entanto, nota-se que há um

aumento da temperatura de pico para h = 5mm, destacando a excitação com amplitude de

30mbar, onde se atingiu um valor próximo a 1000

C; enquanto que para situação sem

excitação, nessa mesma altura, o valor máximo foi de 750

C. Isso indica uma melhor

mistura entre os reagentes na fronteira do jato de combustível com ar, nas proximidades do

queimador.

Para 600Hz, poucas alterações foram observadas em relação à situação sem

excitação. No entanto, para 700Hz e 20mbar, nota-se valores muito baixos para o perfil de

temperatura em h = 5mm e valores mais elevados do que se tinha anteriormente nas outras

condições aqui estudadas para h igual a 40mm e 70mm. Esse comportamento é típico de

uma situação onde há um descolamento da chama das imediações do queimador,

ocasionando o ancoramento da chama mais a jusante com sua base extremamente instável e

turbulenta, causando um aumento da taxa de mistura entre os reagentes, decorrendo em

temperaturas mais elevadas nessa região.

A partir dos resultados experimentais, pode-se concluir que a presença da atuação acústica interfere fortemente no processo de combustão, pois os perfis de temperatura na chama variaram fortemente de um caso para outro. Também, deve-se destacar que o termopar de fio fino foi bastante adequado para o levantamento desses perfis.

AGRADECIMENTOS

Ao programa CNPq/PIBIC que concedeu a bolsa de iniciação científica ao aluno, aos engenheiros Carlos Guedes Neto e Luis Alberto Zambrano Lara e aos técnicos do laboratório Prof. Feng.

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

[1]L

[2]Ballantyne, A., Boon, D.J., Moss J.B.; Measurements of Fluctuating Temperature in Open