Estudo de sistemas de protecção térmica húmidos sujeitos a condições de incêndio

o júri

presidente Reitora da Universidade de Aveiro

Prof. Doutor Paulo Jorge dos Santos Pimentel de Oliveira

professor catedrático do Departamento de Engenharia Electromecânica da Universidade da Beira Interior

Prof. Doutor António Carlos Mendes de Sousa

professor catedrático do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro

Prof. Doutor António Rui de Almeida Figueiredo

professor associado com Agregação do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra, Co-Orientador.

Prof. Doutor Pedro Jorge Martins Coelho

professor associado com Agregação do Departamento de Engenharia Mecânica do Instituto Superior Técnico - Universidade Técnica de Lisboa

Prof. Doutor Vítor António Ferreira da Costa

professor associado com Agregação do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro, Orientador

Prof. Doutor Carlos Manuel Coutinho Tavares de Pinho

agradecimentos Ao Prof. Doutor Vítor Costa desejo manifestar os meus sinceros

agradecimentos por todo empenho e apoio dispensados na orientação da tese, e também pela total disponibilidade e pelos valiosos contributos dados durante a sua realização.

Ao Prof. Doutor Rui Figueiredo pelo empenhado contributo na realização do trabalho experimental e pela transmissão de conhecimentos que se revelaram fundamentais para a realização do trabalho.

À Direcção da Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Águeda, por me ter proporcionado dois anos de dispensa de serviço docente, sem a qual não teria sido possível a realização da tese.

Aos meus colegas da ESTGA, a quem pesou um acréscimo de trabalho, nos dois anos em que estive ausente.

Ao Eng. Gil Castro, pela construção de diversas componentes da instalação experimental.

palavras-chave Barreira témicas húmidas, transferência de calor e massa, meios porosos,

protecções térmicas, condições de incêndios.

resumo O presente trabalho tem como principal objectivo o estudo e a interpretação

dos mecanismos de transferência de calor e massa no interior de um meio poroso húmido actuando como barreira térmica de protecção em condições de incêndio, visando, sobretudo, melhorar o desempenho destes sistemas. A barreira térmica estudada é constituída por camadas de fibra de vidro, cuja face exposta à chama é protegida por uma folha de alumínio perfurada. A realização deste estudo envolveu a concepção, realização e operação de uma montagem experimental, com a qual se obteve a evolução temporal da temperatura e da taxa de evaporação de água no interior de uma amostra da barreira térmica, submetida à acção directa de uma chama. A análise do processo de protecção foi complementada com resultados obtidos por simulação numérica do processo, designadamente a evolução das

propriedades térmicas, que determinam os mecanismos de transferência de calor e massa no interior da barreira. Para esse efeito foi desenvolvido um modelo matemático de simulação do processo de protecção para as barreiras em estudo, que permitiu obter resultados que acompanham bem as evoluções verificadas nos ensaios experimentais.

A barreira térmica estudada mostrou claramente possuir um bom desempenho no processo de protecção, face às barreiras térmicas secas. Com a realização deste estudo identificaram-se e quantificaram-se os mecanismos de

transferência de calor e massa dominantes nas diversas fases do processo de protecção, o que permitiu extrair conclusões valiosas quanto às características dos meios porosos que contribuem para o seu bom desempenho como barreiras térmicas húmidas.

keywords Wet thermal barriers, heat and mass transfer, porous media, fire shelters.

abstract The main objective/purpose of this work is the study and the interpretation of

the mechanisms of heat and mass transfer within a porous medium acting as a wet thermal protection barrier in fire situations, with the aim of improving the performance of these systems. The thermal barrier studied is made up of fiberglass layers, whose face which is exposed to the flame is protected by a sheet of punched aluminium foil.

This study involved the design, implementation and operation of an

experimental assembly, with which the evolutions of temperature and the rate of evaporation of water inside a sample of the thermal barrier, submitted to the direct impact of a flame were obtained. The analysis of the process of

protection was complemented with the results obtained by means of numerical simulation, namely concerning the behaviour of the thermal properties, which determine the heat and mass transfer mechanisms inside the barrier. For this purpose, a mathematical model for simulation of the protection of the barriers under study was developed, which led to results that agrees with those obtained experimentally.

The wet thermal barrier studied clearly demonstrated that it has good performance rates in fire conditions. The prevailing heat and mass transfer mechanisms, throughout the different stages of the protection process, were identified and quantified. This allowed valuable conclusions to be drawn concerning the characteristics of the porous media that most contribute towards the performance of wet porous medium acting as thermal barriers.

ÍNDICE

2 Breve revisão bibliográfica... 4

3 Objectivos e descrição da abordagem do problema ... 10

4 Estrutura e organização da dissertação ... 14

CAPÍTULO 2-ESTUDO EXPERIMENTAL 1 Introdução ... 17

2 Ensaios de Protecção ... 18

2.1 Descrição das amostras e da montagem experimental ... 18

2.2 Medições efectuadas e análise de incertezas ... 23

2.3 Condições dos ensaios ... 29

2.4 Análise dos resultados experimentais... 30

2.4.1 Interpretação do processo de protecção em barreiras térmicas húmidas . 30 2.4.2 Avaliação da influência da instalação experimental nos resultados obtidos ... 35

2.4.4 Influência da intensidade da chama... 39

2.4.5 Influência teor de água inicial ... 43

2.4.6 Influência número de camadas de fibra de vidro... 43

2.4.7 Curva de secagem adimensional da barreira térmica ... 47

3 Coeficiente de transferência de calor por convecção na superfície exposta... 49

3.1 Determinação de h: método experimental e resultados ... 52

4 Determinação experimental da permeabilidade ... 55

4.1 Metodologia experimental ... 56

4.2 Montagem e procedimento experimental ... 58

4.3 Resultados experimentais ... 59

CAPÍTULO 3-MODELO MATEMÁTICO 1 Introdução ... 61

2 Conceitosgeraisrelativos à modelação de escoamentos em meio poroso ... 62

2.1 Caracterização de um meio poroso... 62

2.2 Modelação dos fenómenos de transferência em meio poroso ... 65

3 Equações de conservação ... 68

3.1 Equações diferenciais de conservação para um meio homogéneo ... 68

3.2 Sistema de equações de conservação para meio multifásico... 71

3.2.1 Condições de fronteira nas interfaces ... 71

3.2.2 Equação de conservação de massa de água no meio poroso ... 72

3.2.3 Equação de conservação de massa de ar no meio poroso... 75

3.2.4 Equação de conservação de energia no meio poroso ... 76

4 Relações termodinâmicas e relações constitutivas ... 82

4.1 Relações termodinâmicas ... 82

4.2 Fluxo advectivo: lei de Darcy, capilaridade e permeabilidade relativa... 82

4.3 Transferência de massa por difusão... 85

6.2 Equações do modelo ... 93

CAPÍTULO -4SIMULAÇÃO NUMÉRICA E INTERPRETAÇÃO DOS RESULTADOS 1 Introdução ... 97

2 Descrição dos procedimentos numéricos ... 98

3 Estudo numérico do processo de protecção... 103

3.1 Parâmetros do modelo físico e condições de ensaio... 103

3.2 Comparação dos resultados numéricos com os resultados experimentais ... 108

3.3 Interpretação dos resultados ... 111

3.4 Influência dos parâmetros das barreiras térmicas no seu desempenho ... 117

CAPÍTULO 5-CONCLUSÕES... 125

NOMENCLATURA

As Área da superfície exposta da amostra [m2]

Aαβ Área da interface entre as fases α e β [m

2

]

Bi Número de Biot

c Calor específico [J/kg.K]

C1 Coeficiente adimensional da Eq. (3.100)

cP Calor específico a pressão constante [J/kg.K]

d Declive da recta descrita pela Eq. (2.15)

Deff Coeficiente de difusão efectivo [m2/s]

Di Coeficiente de difusão do constituinte i [m2/s]

e Espessura da barreira térmica [m]

fσ Coeficiente adimensional da Eq. (3.100)

g Aceleração da gravidade [m/s2]

h Entalpia específica [J/kg]

hconv Coeficiente de transferência de calor por convecção [W/(m

2 .K)] hfg Entalpia de vaporização [J/kg] J Matriz Jacobiana α i

j Fluxo difusivo do constituinte i na fase α

k Condutibilidade térmica [W/(m.K)]

K Permeabilidade intrínseca [m2]

km Condutibilidade térmica média [W/(m.K)]

krg Permeabilidade relativa da fase gasosa

krl Permeabilidade relativa da fase líquida

L Espessura da barreira térmica [m]

m Massa [kg]

m& Taxa de evaporação [kg/s]

*

P Pressão [Pa]

q Taxa de transferência de calor por condução [W]

' '

,i

r

Q& Fluxo de calor por radiação [W/m2]

R Constante particular dos gases perfeitos [J/(kg.K)]

S Saturação

t Tempo [s]

T Temperatura [ºC, K]

t* Tempo adimensional

u Velocidade [m/s]

u Energia interna específica [J/kg]

v Velocidade da água através da fibra de vidro, no ensaio de

determinação da permeabilidade Eq. (2.8)

[m/s]

V Volume [m3]

Vα Velocidade média global do escoamento da fase α [m/s]

α

i

V Velocidade do componente i relativa à velocidade média

global do escoamento

[m/s]

i

V Velocidade a que se desloca o constituinte i, em relação à

fase sólida

[m/s]

wαβ Velocidade da interface entre as fases α e β [m/s]

x Coordenada linear [m]

X Teor de humidade em base seca [kgH20/kgsolido]

Caracteres gregos

γ Coeficiente de extinção

∆Pc Depressão capilar [Pa]

ε Emissividade

θ Diferença de temperatura adimensional

µ Viscosidade [kg/(m.s)]

ρ Massa específica [kg/m3]

σ Tensão superficial Eq. (3.100) [N/m]

τc coeficiente de capilaridade dinâmica (Eq. 3.101)

τ Tortuosidade Eq. (3.106)

τrad Transmissividade do meio poroso

Φ Taxa de transferência de calor [W]

φ Porosidade

φl Fracção volúmica da fase líquida

φg Fracção volúmica da fase gasosa

ψ Função genérica Índices Al alumínio a ar b fronteira ch chama g Gás l Líquido m Valor médio

atm Valor relativo à atmosfera

conv Convecção b Fronteira e Lado exterior f Formação i Lado interior i Constituinte i inic Inicial

fg Mudança de fase líquido-vapor

N Número total de variáveis dependentes

v Vapor

sat Condições de saturação

tp Termopar

0 Valor de referência

∞ Valor relativo ao meio envolvente exterior à chama

vazio Volume do meio poroso ocupado pelas fases líquida e gasosa

α Fase genérica _α

refl Reflectido

Super-índices

0 Valor de referência (entalpia)

α Fase genérica _α

Acrónimos e Abreviaturas

VER Volume elementar representativo

Operadores

ψ Valor médio espacial de uma função ψ, definido num VER

α α

ψ Valor intrínseco da função ψ da fase α

α

ψi Valor médio espacial da função ψ de um constituinte i,

C

APÍTULO

1

I

NTRODUÇÃO

1 Introdução

Os meios porosos são usualmente utilizados como materiais isolantes. A inclusão de água no seu interior afigura-se como uma forma expedita de aumentar o seu desempenho, quando utilizados como barreiras de protecção térmica em situações de exposição a solicitações térmicas intensas, como sejam as condições de incêndio. A mudança de fase a que a água é submetida, quando a barreira é exposta a fluxos térmicos muito intensos, permite garantir a manutenção dos níveis de temperatura da superfície da barreira que contacta com o meio a proteger, ou seja, a superfície interior da barreira térmica, dentro de limites aceitáveis. Nos sistemas em que não é adicionada água ao meio durante o processo, designados de sistemas passivos, a duração da protecção térmica é, em grande medida, ditada pela quantidade de água contida inicialmente na barreira térmica. Embora seja sempre limitada a capacidade da barreira térmica em reter água, espera-se que a elevada energia absorvida pelo processo de evaporação possa permitir melhorias muito significativas na eficácia das barreiras de protecção térmica.

Em aplicações práticas que o possibilitem, a utilização de barreiras térmicas activas, nas quais é injectada água pelo interior durante o processo de protecção, permite o prolongamento da protecção térmica, enquanto for mantida a injecção de água. Nestes

protecção térmica é também o resultado da acção convectiva do escoamento interno do fluido injectado, em sentido oposto ao fluxo de calor, e que reduz a profundidade de penetração térmica. A eliminação do fluxo térmico através da barreira térmica é mesmo possível recorrendo à injecção de caudais de água suficientemente elevados.

O recurso à injecção de um fluido num meio poroso é actualmente utilizado na protecção térmica de materiais expostos a ambientes de temperatura muito elevada, mantendo-os dentro de valores de temperatura admissíveis (como, por exemplo, em pás de turbinas de gás). Quando o material a proteger não é um meio poroso, o escoamento faz-se através de perfuração efectuada no material especificamente para esse efeito. Neste método de protecção térmica, designado por método de arrefecimento por transpiração, o fluido injectado é um gás, geralmente o ar. Os caudais de gás necessários são, geralmente, elevados e, em consequência disso, a camada limite pode sofrer um aumento de espessura, originando a diminuição do coeficiente de transferência de calor por convecção na superfície exposta. Este efeito adicional representa mais um contributo para a protecção térmica do meio. Embora no processo de protecção térmica com recurso a barreiras térmicas húmidas estejam em jogo caudais muito inferiores aos utilizados nestes sistemas, não é de excluir que este mecanismo de arrefecimento possa estar presente no processo de protecção térmica.

Em determinadas aplicações que envolvem a exposição a fluxos térmicos muito intensos (da ordem de 5MW/m2), recorre-se à protecção activa através da injecção de um gás que sofre uma reacção de dissociação, endotérmica, em consequência do aquecimento a que é submetido, que contribui para o arrefecimento do meio poroso, através da energia

absorvida pela reacção de dissociação (Maruyama et al. 1990; Kuryachii, 2001).

Os mecanismos que participam no processo de transferência de calor e massa no interior de barreiras térmicas húmidas podem ser diversos. A influência que exercem no desempenho destas barreiras depende de um conjunto de factores, que estão associados tanto às características físicas da barreira como às condições de exposição das barreiras térmicas húmidas ao meio exterior. A análise da forma como as variáveis envolvidas interferem no processo de protecção térmica, e a importância relativa de cada uma delas no seu desempenho requer, necessariamente, a realização de um estudo aprofundado dos

meio poroso.

A realização desse estudo pode ser efectuada por uma via experimental ou através da simulação do processo de protecção. A simulação numérica é um método poderoso na análise da transferência de calor e massa no interior de meios porosos, já que possibilita a determinação da evolução de todas as propriedades em jogo. No caso de um meio sujeito a condições térmicas severas, a simulação numérica apresenta ainda a vantagem adicional de trabalhar, sem problemas, com temperaturas e taxas de transferência de calor elevadas. Embora limitada em relação às propriedades que permite determinar, a realização de ensaios experimentais é indispensável, já que é a única forma de determinar alguns parâmetros do modelo e de validar os resultados obtidos por simulação numérica do processo.

As barreiras térmicas de protecção contra fluxos térmicos muito intensos têm aplicação num vasto conjunto de situações, tais como: protecção de elementos estruturais de construções; protecção de equipamentos de auxílio ao combate de incêndios, cujos tempos de actuação, operacionalidade e integridade podem ser muito prolongados por esta via; protecção de pessoas, seja por meio de vestuário de características apropriadas, seja pelo uso de tendas ou abrigos termicamente protegidos.

Algumas destas aplicações requerem apenas a protecção por períodos de tempo limitados. É o caso da protecção à passagem de uma frente de fogo florestal, que ocorre quando pessoas ou equipamentos ficam encurralados, durante o combate a um incêndio, em que, tipicamente, é necessária protecção por períodos de apenas alguns minutos. As barreiras térmicas passivas poderão fornecer a protecção necessária para estas situações, constituindo a solução mais indicada, já que a simplicidade, facilidade de utilização, rapidez de montagem e baixo custo que as caracterizam são aspectos que podem ser determinantes para as aplicações em causa.

Figueiredo e Costa (2004) realizaram um trabalho no qual foi implementada uma metodologia experimental para analisar o comportamento de barreiras térmicas húmidas, submetidas ao impacto directo de uma chama, e analisaram a possibilidade da sua utilização como barreiras térmicas. Os resultados obtidos mostraram que com barreiras térmicas relativamente finas se podem obter níveis de protecção térmica consideravelmente

elevados.

A importância que esta aplicação representa no contexto actual, que se tem caracterizado pela ocorrência de um número significativo de vítimas mortais em incêndios florestais, além de avultados prejuízos em bens e equipamentos, aliada ao facto de serem muito escassos os estudos relativos ao comportamento de meios porosos húmidos, quando expostos a solicitações térmicas muito intensas, constituíram os factores que motivaram a realização do presente trabalho. Pretende-se dar continuidade ao estudo experimental iniciado por Figueiredo e Costa (2004), atrás referido. O principal objectivo visado é interpretar os mecanismos de transferência de calor e massa que participam no processo de protecção térmica, o que envolve a concepção desenvolvimento e operação de uma montagem experimental, e o desenvolvimento de um modelo para a simulação numérica do processo.

2

Breve revisão bibliográfica

Tanto quanto se pôde constatar na pesquisa bibliográfica realizada, não existem referências à realização de trabalhos experimentais envolvendo barreiras térmicas húmidas, além do estudo realizado por Figueiredo e Costa (2004), anteriormente referido.

O estudo do comportamento de barreiras térmicas húmidas envolve, fundamentalmente, a análise dos processos combinados de transferência de calor e massa, com mudança de fase, que ocorrem no interior de um meio poroso, quando exposto a solicitação térmica, sendo esta de elevada intensidade e de elevada temperatura no problema em apreço. Estes processos surgem, geralmente, associados a diversas aplicações industriais e processos naturais, dos quais se destacam a secagem (indústrias cerâmica e agroalimentar), extracção de petróleo e o movimento de água no solo, no âmbito dos quais se desenvolveram os maiores contributos no estabelecimento e na evolução das teorias e dos modelos matemáticos actualmente existentes. Os trabalhos envolvendo o estudo dos fenómenos de transferência de calor e massa em meios porosos são geralmente centrados no desenvolvimento de modelos matemáticos que os descrevem, recorrendo a resultados experimentais para a sua validação.

As teorias e os modelos matemáticos inicialmente desenvolvidas procuraram descrever os fenómenos observados nas condições práticas em que ocorriam. A sua evolução deu-se no sentido do desenvolvimento de modelos gerais, que os tornou aplicáveis em múltiplos domínios, mediante a introdução de condições que contemplem as respectivas especificidades, nomeadamente a selecção de leis constitutivas e consideração de hipóteses simplificadoras adequadas aos mecanismos de transporte predominantes na situação particular em causa.

A evolução no conhecimento dos processos de transferência de calor e massa em meios porosos seguiu um longo percurso, para o qual contribuíram um número muito significativo de estudos. As primeiras investigações dos processos de secagem, realizadas por Lewis e Sherwood, datam dos anos 20 do século passado. A teoria da difusão, então desenvolvida, desprezava a transferência de calor e considerava que a evaporação ocorria unicamente à superfície do meio poroso, devendo-se o transporte de humidade no interior do meio à difusão de líquido, descrita pela lei de Fick. Por outro lado, nas investigações desenvolvidas no âmbito da hidrologia foi atribuído ao efeito da capilaridade a causa do movimento da água em meios porosos – teoria capilar. A inclusão do efeito da transferência de calor foi considerado, pela primeira vez, na teoria de Krischer (1963), a quem se deve, também, a descrição da evolução típica do processo de secagem, com a identificação e análise das três fases de secagem. Apenas a partir dos anos 50 surgem diversos modelos muito completos, nos quais é assumido um grande formalismo na sua concepção, considerando a intervenção conjunta dos mecanismos de transferência de calor e massa. Os que mais se destacaram foram os modelos de Krischer (1963), de Philip e De Vries (1957), de Luikov (1966), e mais tarde o modelo de Whitaker (1977). Podem-se ainda referir os modelos desenvolvidos por Berger e Pei (1973), Bear e Bachmat (1990), Marle (1982), Gray (1975), Hassanizadeh e Gray (1989)e Hassanizadeh e Gray (1990). A literatura é abundante em artigos em que é efectuada a análise das diversas teorias, sendo disso exemplo as publicações de Fortes e Okos (1980) e Van Brakel (1980). O modelo de Luikov diferencia-se por considerar uma aproximação derivada da termodinâmica dos processos irreversíveis, enquanto que nos restantes modelos é adoptada a abordagem mecanicista, em que as leis de Darcy e de Fick são usadas para descrever o transporte de humidade [Santos (1992)]. Segundo Van Brakel (1980) estas aproximações são

efectuaram uma análise comparativa de diversos modelos, em que concluiram ser o modelo de Whitaker (1977) o que leva em linha de conta um maior número de detalhes, que traduzem os mecanismos de transporte associados a cada uma das fases.

Na maioria dos estudos mais recentes envolvendo modelação de processos de transferência de calor e massa em meios porosos é mais frequente a adopção da aproximação mecanicista, geralmente baseada na teoria de Whitaker (1977). Atendendo à complexidade da geometria dos meios porosos, estes assumem-se como sendo contínuos, o que possibilita a aplicação das leis fenomenológicas de análise macroscópica, que descrevem os fluxos de energia e de massa (Fourier, Darcy e Fick.). O modelo consiste, basicamente, numa equação de conservação de energia, equações da continuidade para as fases líquida e gasosa, relações que descrevem o fluxo convectivo das fases líquida e gasosa, relações constitutivas que descrevem o fluxo difusivo de cada um dos constituintes da fase gasosa, e relações termodinâmicas. As hipóteses simplificadoras assumidas no desenvolvimento do modelo são as seguintes: matriz sólida incompressível e inerte, e não há adsorção de líquido ou vapor na sua superfície; equilíbrio termodinâmico local entre as fases; consideram-se gases perfeitos a fase gasosa e cada um dos seus constituintes; não se consideram as transferências de calor por radiação e convecção natural; e trabalho de fronteira e dissipação viscosa desprezáveis. A maior dificuldade inerente ao modelo reside no grande número de coeficientes de transporte necessários à formulação dos fenómenos físicos envolvidos. Contudo, na modelação de situações concretas, a existência de mecanismos de transporte dominantes face a outros, permite considerar hipóteses simplificadoras em se desprezam os fenómenos menos relevantes, conduzindo, desta forma, à redução do número de parâmetros a determinar para a resolução do modelo. O desenvolvimento de modelos para as diversas aplicações práticas, geralmente baseados nas teorias dos modelos clássicos, não incide apenas na introdução das simplificações aplicáveis a cada caso, ou, como em alguns casos, na contabilização de um termo adicional. A identificação de leis fenomenológicas mais adequadas para as condições físicas em causa (tais como, por exemplo, as variações da depressão capilar e da permeabilidade relativa com a saturação local), constitui estratégia para uma maior exactidão na modelação de um determinado processo.

de transferência de calor e massa em meios porosos, realizados no contexto de diversas aplicações práticas. São disso exemplo as investigações realizadas por Perré sobre secagem de madeiras [Perré (1987), Nashrallah e Perré (1988), Perré e Degiovanni (1990); Perré e Turner (1997)], que são meios porosos higroscópicos e de permeabilidade muito reduzida. Inicialmente, considerando uma aproximação unidimensional do processo de transferência de calor e massa, Perré e co-autores desenvolveram um modelo para a secagem de madeiras, baseado na teoria de Whitaker, no qual é contemplado um conjunto significativo de mecanismos de transporte. Tratando-se de um meio poroso higroscópico, foi considerada a existência de água ligada, à qual é associada uma entalpia de sorção e um fluxo de difusão de água ligada, tendo a inclusão destes termos garantido uma boa aproximação a resultados experimentais. É também de realçar, neste modelo, a inclusão do efeito da pressão, geralmente desprezado nos modelos de secagem, que permitiu verificar a importante influência do acréscimo de pressão criado no interior do meio pela evaporação da água, tanto a baixa temperatura, mas fundamentalmente na secagem a alta temperatura (acima da temperatura de ebulição). Contudo, a pressão não exerce influência na transferência de massa na superfície exposta, que é descrita por um mecanismo de convecção, através de um coeficiente de transferência e de uma diferença de concentração. Estes trabalhos envolveram uma componente experimental importante na determinação de parâmetros experimentais e na validação do modelo. Posteriormente, Perré e Turner (1999) desenvolveram versão uma tridimensional do modelo.

O estudo do comportamento termo-mecânico de estruturas de betão submetidas a altas temperaturas, o que ocorre, por exemplo, em incêndios ou em aplicações de engenharia nuclear, também se baseia na análise dos processos de transferência de calor e massa com mudança de fase num meio poroso. As solicitações térmicas nestas aplicações são semelhantes às existentes nas barreiras térmicas em estudo neste trabalho, contudo o betão é um meio poroso marcadamente higroscópico e com uma permeabilidade muito menor que a da fibra de vidro. De facto, o betão tem uma permeabilidade muito baixa (da ordem de 10-17m2), o que condiciona fortemente os mecanismos de transporte de massa no seu interior. Neste domínio foi realizada uma quantidade significativa de trabalhos, dos quais

se podem destacar os seguintes: Sahota e Pagni (1979), Gawin e Schrefler (1996) Gawin, et

transporte pelos diferentes autores são muito diversas. No estudo realizado por Sahota e Pagni (1979), o fluxo de massa é dominado pelo escoamento de vapor resultante das

elevadas pressões geradas pela vaporização de água. Nos trabalhos realizados por Gawin et

al. (1996, 1998, 1999 e 2002) é desenvolvido um modelo em que o transporte de humidade

é descrito pelo escoamento de líquido por capilaridade, convecção e difusão de vapor e difusão de água ligada. A água ligada assume uma influência importante neste modelo, em que a pressão de vapor de equilíbrio é determinada por uma isotérmica de sorção e a entalpia de sorção é contabilizada na equação de conservação de energia. A importância

relativa dos mecanismos de transporte é analisada em detalhe por Gawin et al. (1999). Em

Gawin, et al. (2002) é tratado o problema para temperaturas acima da temperatura crítica

da água, em que é considerada a existência de água líquida adsorvida em equilíbrio termodinâmico com vapor de água.

É nos estudos relativos à protecção térmica de vestuário utilizado no combate a incêndios que se encontram as características físicas do meio poroso e os fluxos térmicos incidentes que mais se aproximam dos existentes nas barreiras térmicas húmidas que se pretendem estudar no presente trabalho: em ambos os casos o meio poroso é caracterizado por possuir permeabilidade e porosidade elevadas, espessura reduzida, e o fluxo térmico incidente é da mesma natureza e da mesma ordem de grandeza. As principais diferenças residem no facto da superfície interior do vestuário não ser impermeável, e de o teor de água inicial considerado ser muito menor no estudo de vestuário de combate a incêndios que no caso das barreiras térmicas húmidas, objecto de estudo no presente trabalho.

Gibson (1996), e Gibson e Charmchi (1997) desenvolveram um modelo de transferência de calor e massa combinados para materiais têxteis higroscópicos, baseado no modelo de Whitaker (1977), em relação ao qual foi acrescentado o efeito da adsorção e da difusão de água na matriz sólida. Este modelo serviu de base às investigações, desenvolvidas por diversos autores, em vestuário para protecção a solicitações térmicas em condições de

incêndio e, também, na secagem de tecidos. Nefzi et al. (2004) propuseram um modelo

baseado na teoria de Whitaker (1977) que considera apenas o transporte convectivo das

fases líquida e gasosa e o transporte difusivo da fase gasosa. Lee et al. (2001)

parâmetros de transporte, sobretudo para obviar à dificuldade em obter esses parâmetros. Este modelo simplificado permitiu obter uma boa aproximação aos resultados experimentais. Estes últimos trabalhos foram desenvolvidos no âmbito de processos de secagem, em que as temperaturas envolvidas são inferiores à temperatura de ebulição da água.

Quando o meio poroso é submetido a solicitações térmicas intensas a transferência de calor por radiação pode ter uma contribuição importante na transferência de calor na superfície exposta bem como no interior do meio poroso, que é conveniente analisar. Nesse sentido, Torvi (1997) propôs um modelo unidimensional para a simulação da transferência de calor em tecidos secos submetidos a solicitações térmicas observadas em condições de incêndio, que contempla transferência de calor através do meio poroso por condução e por radiação, simultaneamente. Também Mell e Lawson (1999) estudaram o comportamento térmico de vestuário de combate a incêndios, na ausência de água, através de modelação numérica e de análise experimental. Desenvolveram um modelo de transferência de calor por radiação através do meio que permitiu obter uma boa aproximação dos resultados numéricos aos resultados experimentais.

Para atender ao facto de, por vezes, em condições reais de incêndio, o vestuário se encontrar húmido (pelo suor ou pela água utilizada no combate ao incêndio), Chitrphiromsri (2004) e Chitrphiromsri e Kuznetsov (2005a e 2005b) investigaram a influência que a humidade exerce no seu desempenho como protecção térmica, para fluxos

térmicos incidentes muito elevados (80 kW/m2) e períodos de exposição muito reduzidos (4

segundos). O estudo baseou-se na modelação do processo de transferência de calor e massa, a partir do modelo de Gibson (1996), ao qual foi acrescentado o termo de transferência de calor por radiação no interior do meio poroso, proposto no modelo de Torvi (1997). Considerando a existência de água ligada ao meio poroso, a água livre está presente apenas enquanto a fracção volúmica da água é superior a determinado valor crítico, estabelecido por uma relação proposta por Kaviany e Mittal (1987). A taxa de mudança de fase é calculada através da relação proposta por Le et al. (1995a), e é função de um coeficiente de transferência de massa por convecção, obtido através de um coeficiente de transferência de calor por convecção utilizando a analogia de Chilton-Colburn.

Tendo verificado que um aumento da quantidade de água inicial no meio conduz a períodos

de protecção mais elevados, Chitrphiromsri et al. (2006) realizaram um estudo, com

recurso ao mesmo modelo, em que mostra que a utilização de vestuário com protecção activa, através da injecção de água no meio poroso, possui potencial para uma melhoria muito significativa das suas características de protecção. Trata-se do único trabalho, encontrado na pesquisa bibliográfica efectuada, sobre a utilização de meios porosos húmidos na protecção térmica em condições de incêndio.

Prasad et al. (2002) estenderam o modelo de Mell e Lawson (1999) para a análise do desempenho térmico de vestuário têxtil húmido. Nestes estudos foram consideradas condições de exposição menos severas que no estudo de Chitrphiromsri (2004), sendo a intensidade do fluxo radiativo incidente de 2,5kW/m2, e desprezado o efeito da acção capilar e difusão da água ligada. Os resultados da modelação do processo apresentaram uma boa aproximação aos resultados experimentais, e mostraram que a humidade pode contribuir de forma significativa para a melhoria do desempenho destes sistemas como elementos de protecção térmica.

Barry e Hill (2003) adoptaram uma abordagem diversa na modelação do mesmo tipo de sistemas, que consistiu na integração dos modelos físicos referentes aos processos de transferência de calor e massa em meio poroso num software comercial de simulação de escoamentos.

3

Objectivos e descrição da abordagem ao problema

O presente trabalho tem como objectivo estudar o processo de protecção térmica de uma barreira térmica constituída por um meio poroso húmido, para solicitações térmicas muito severas, o que consiste, essencialmente, na interpretação e quantificação dos mecanismos de transferência de calor e massa que se desenvolvem no seu interior. Este estudo baseia-se na análise experimental e na modelação e simulação numérica do processo de protecção, considerando as mesmas condições nos dois casos. A compreensão da evolução destes fenómenos e do papel que cada um exerce no processo de protecção térmica visam, sobretudo, permitir avaliar o potencial de utilização das barreiras térmicas húmidas, e

adquirir a informação e sensibilidade necessárias para a implementação e optimização destes sistemas de protecção, ao nível da selecção de materiais, da geometria do sistema, e do seu teor de água inicial.

Como se pôde constatar da pesquisa bibliográfica realizada, apesar de abundantes os estudos relativos à transferência de calor e massa em meios porosos húmidos, realizados em diversos domínios, as condições que lhes estão associadas, as quais determinam o desenvolvimento do processo, são, na maioria dos casos, muito distintas das existentes nas barreiras térmicas húmidas que se pretendem estudar. Apenas em trabalhos relativos ao estudo do comportamento térmico de vestuário de combate a incêndios se observaram tais condições, designadamente meios porosos de elevadas porosidade e permeabilidade, e com espessura reduzida. Contudo, estes sistemas diferem das barreiras térmicas húmidas em alguns aspectos que condicionam fortemente o desenvolvimento do processo, como é o facto de a superfície interior das barreiras térmicas ser impermeável (o que não acontece no caso do vestuário), o que, por um lado, obriga a que o fluido escoe em sentido oposto ao fluxo de calor, facto que pode influenciar o fluxo de calor no interior da barreira e, por outro lado, que o fluido seja expulso apenas pela superfície exposta, que poderá influir no processo de transferência de calor na superfície exposta da barreira térmica. Outro aspecto em que estes dois sistemas diferem é o facto do teor de água inicial ser muito mais elevado nas barreiras térmicas húmidas, o que implica que os mecanismos de transporte dominantes sejam diferentes nos dois casos. O presente trabalho assume-se, assim, como um contributo para o estudo experimental e numérico da transferência de calor e massa em meios porosos sujeitos a solicitações térmicas muito intensas.

A barreira térmica em análise no presente trabalho é constituída pela sobreposição de camadas de tela de fibra de vidro com uma espessura final próxima de 5mm. Para minimizar o fluxo radiativo emitido pelos gases quentes da combustão, absorvido pela barreira térmica, a sua superfície exposta é coberta por uma folha de alumínio, a qual se encontra perfurada para permitir a exaustão da água evaporada no interior da barreira. A superfície interior da barreira é impermeável, e assume-se como sendo adiabática. A opção para a constituição da matriz porosa da barreira térmica recaiu na fibra de vidro em virtude de esta possuir um conjunto de características que favorecem a sua utilização, nomeadamente: o facto de não ser inflamável e resistir a temperaturas muito elevadas sem

se deteriorar, o que garante que a barreira continue a proporcionar alguma protecção térmica mesmo após perder a totalidade da água; capacidade de reter uma quantidade de água significativa, o que favorece a obtenção de tempos de protecção mais elevados; e possuir características mecânicas suficientes para suportar o peso da água retida por capilaridade.

No estudo experimental obteve-se a evolução temporal da massa global e da temperatura no interior de uma amostra de barreira térmica, exposta ao impacto directo de uma chama. A amostra foi colocada na horizontal, sobre a chama, de forma a garantir uma distribuição o mais homogénea possível do fluxo de calor incidente na superfície exposta, e assim obter um comportamento, o mais possível, unidimensional. Foram realizados ensaios com duas chamas de diferentes potências térmicas, e com teores de água inicial distintos, tendo-se mantido os restantes parâmetros experimentais constantes em todos os ensaios. Apesar das dificuldades na realização dos ensaios, inerentes ao elevado fluxo de calor produzido pela chama, foi possível obter resultados reprodutíveis. Esses resultados permitem interpretar o desenvolvimento do processo de protecção ao longo do tempo, onde está patente a existência de dois regimes de transferência de calor e massa, aos quais estão associados mecanismos de transferência de calor e massa distintos. Contudo, os resultados experimentais não esclareceram totalmente o processo de protecção, ficando por quantificar o real peso dos mecanismos de transporte envolvidos e, principalmente, a influência dos parâmetros físicos do meio poroso no seu desempenho enquanto barreiras térmicas húmidas. Importa, também, referir que alguns aspectos dos resultados experimentais suscitaram algumas questões, que apenas puderam ser explicadas com o auxílio dos resultados numéricos.

O trabalho experimental envolveu ainda a determinação de propriedades, necessárias para a resolução do modelo numérico, nomeadamente, a permeabilidade intrínseca da fibra de vidro, o que contemplou o desenvolvimento de uma metodologia experimental para o efeito, e o coeficiente de transferência calor por convecção na superfície exposta.

Paralelamente, foi desenvolvido o modelo matemático do processo de protecção térmica, baseado nos conceitos implementados no modelo de Whitaker (1977). Atendendo à sua reduzida espessura e assumindo uma distribuição uniforme do fluxo incidente, optou-se por

poroso capilar, e foram considerados os seguintes mecanismos de transporte no seu interior: escoamento de água na fase líquida, por advecção e por capilaridade; fluxo de vapor por advecção e por difusão; fluxo de ar por advecção e por difusão; transferência de calor por condução e por radiação, e fluxo entálpico por advecção.

Relativamente ao fluxo de massa de água através da superfície exposta, considerou-se que ocorre por um mecanismo de convecção, devido à elevação da pressão no interior do meio poroso, originada pela vaporização da água. Julga-se tratar-se de uma abordagem original na determinação do fluxo de água expulso, já que não se encontrou qualquer trabalho em que a mesma fosse adoptada. Geralmente, a transferência de massa de água através da superfície exposta é considerada como sendo resultante de um mecanismo de convecção de massa, descrito por um coeficiente de transferência e por uma diferença de concentração, mesmo na simulação de processos envolvendo elevadas taxas de vaporização, o que não corresponde às condições físicas existentes.

Para a resolução numérica foram utilizadas as condições de fronteira e as condições iniciais determinadas nos ensaios experimentais. Os parâmetros do modelo foram obtidos de diferentes formas: as propriedades dos constituintes foram extraídas da literatura; a permeabilidade, a porosidade e o coeficiente de transferência de calor por convecção foram determinados experimentalmente, através da realização de ensaios específicos para o efeito; as restantes características físicas do meio poroso foram obtidas através da resolução do problema inverso, tendo como referência os resultados dos ensaios experimentais, realizados nas mesmas condições.

A simulação numérica do processo permitiu complementar os resultados dos ensaios experimentais, através da obtenção da evolução temporal da distribuição de diversas propriedades na matriz porosa. Estes resultados revelaram-se fundamentais para efectuar uma análise mais rigorosa da influência dos diferentes mecanismos de transferência de calor e massa no processo de protecção térmica, assim como avaliar o modo como as características do meio poroso intervêm no seu desempenho. O estudo numérico assumiu-se esassumiu-sencial na validação dos resultados experimentais, e no esclarecimento das questões por eles suscitadas. A modelação do processo envolve, ela própria, algumas debilidades inerentes às simplificações assumidas, tanto no desenvolvimento do modelo como na

não traduzem fielmente o processo em causa. Tornou-se, assim, de grande importância a confrontação dos resultados numéricos e experimentais, na medida em que permitiu despistar eventuais comportamentos que resultam do próprio método de análise, seja ele numérico ou experimental.

Embora não tenha constituído um objectivo fundamental do presente trabalho, não é de minimizar a importância que uma ferramenta de simulação numérica poderá ter como instrumento para o desenvolvimento e planeamento da melhor operação de barreiras térmicas húmidas.

4 Estrutura e organização da tese

A exposição do trabalho realizado encontra-se estruturada em 5 capítulos.

No presente capítulo são introduzidas algumas considerações gerais acerca de barreiras térmicas constituídas por meios porosos húmidos, destinadas a aplicações envolvendo exposição a condições térmicas muito severas. Neste contexto, é efectuado o enquadramento do presente trabalho e são apontadas as motivações que levaram à sua realização. É efectuada uma breve revisão da bibliografia, onde se resume a evolução dos estudos no domínio da transferência de calor e massa em meios porosos com mais relevância para o fim em vista, e são apresentadas as abordagens adoptadas em alguns estudos recentes, relativos a diversos domínios de aplicação, em que se realçam os trabalhos envolvendo solicitações térmicas intensas. Por último, apresentam-se os objectivos propostos para a presente trabalho e descreve-se a forma como o problema foi abordado.

O segundo capítulo é dedicado ao trabalho experimental realizado. Inicialmente, descrevem-se a instalação experimental utilizada, os procedimentos, e as condições experimentais em que foram realizados os ensaios. Segue-se a apresentação dos resultados obtidos, com base no quais se realiza a interpretação do processo de protecção, em que são identificados os mecanismos de transferência de calor e massa mais relevantes envolvidos no processo de protecção. É ainda analisada a influência da intensidade da chama, do

número de camadas de fibra da barreira térmica e do teor de água inicial, no desempenho das barreiras térmicas. No final do capítulo descrevem-se os métodos experimentais usados na determinação do coeficiente de transferência de calor por convecção na superfície exposta da amostra e, também, na determinação da permeabilidade da amostra, e os respectivos resultados obtidos.

O terceiro capítulo destina-se à apresentação do modelo matemático para simulação numérica do processo de protecção. Desenvolvem-se as equações do modelo matemático e as condições de fronteira, e são apresentadas as hipóteses simplificadoras assumidas no modelo. Descrevem-se os parâmetros que caracterizam o meio poroso e é feito um breve resumo dos fundamentos teóricos em que assenta o modelo desenvolvido.

O quarto capítulo divide-se em duas parte. Na primeira parte, apresentam-se os procedimentos numéricos utilizados na resolução do modelo. Na segunda parte analisam-se os resultados numéricos obtidos: comparam-se os resultados numéricos e experimentais, e extraem-se conclusões relativamente à validade destes resultados; é complementada a interpretação do processo de protecção a partir da análise da evolução, espacial e temporal, das propriedades que exercem maior influência no processo de protecção, no interior da barreira térmica.

No quinto capítulo resumem-se as principais conclusões do trabalho realizado, e destacam-se os aspectos mais importantes relativos ao estudo experimental e à simulação numérica do processo de protecção. Apresentam-se, também, algumas sugestões para trabalhos futuros no âmbito das protecções térmicas húmidas.

C

APÍTULO

2

E

STUDO

E

XPERIMENTAL

1 Introdução

O estudo do processo de protecção com meios porosos húmidos é, conforme se referiu anteriormente, baseado na análise da evolução das propriedades no interior do meio poroso. Estas propriedades são determinadas experimentalmente e, também, através da simulação numérica do processo protecção, sendo que estes últimos são aferidos e validados a partir dos resultados experimentais. O estudo das barreiras térmicas húmidas, que se propõe realizar no presente trabalho, está, portanto, fortemente condicionado pela qualidade dos resultados experimentais obtidos.

Os resultados experimentais são obtidos utilizando uma instalação experimental na qual uma amostra de barreira térmica húmida é submetida à acção directa de uma chama. Para aproximar, o mais possível, os resultados assim obtidos do comportamento que efectivamente ocorre numa barreira térmica, é necessário minimizar a interferência da instalação experimental, que se manifesta, essencialmente, por um fluxo de calor para a amostra através das superfícies de contacto com o porta amostras. Refira-se que para se conseguir obter resultados satisfatórios foi necessário realizar sucessivos melhoramentos da instalação experimental, o que representou uma parte significativa do trabalho realizado e do tempo a ele dedicado.

No presente capítulo descrevem-se a montagem experimental e a amostra de barreira térmica húmida utilizadas nos ensaios de protecção. Segue-se a apresentação dos resultados da evolução temporal da massa global da amostra e das temperaturas no seu interior obtidos nos ensaios experimentais realizados, a partir dos quais é efectuada uma interpretação do processo de protecção das barreiras térmicas húmidas. Trata-se de uma análise preliminar, em que se pretende, essencialmente, identificar os principais mecanismos de transferência de calor e massa que determinam a evolução do processo de protecção, a qual será complementada com a simulação numérica do processo de protecção, em que se obtém a evolução das propriedades no interior do meio que não é possível determinar pela via experimental.

Realizaram-se ensaios com chamas de diferentes intensidades e teores de água inicial da amostra, o que possibilitou a avaliação da influência destes parâmetros no comportamento da barreira térmica. Perante a constatação, na interpretação dos resultados, da eventual existência de interferência da montagem experimental nos resultados obtidos, foram efectuados ensaios experimentais específicos para averiguar a sua ocorrência. Embora tendo confirmado a presença de um fluxo de calor do porta-amostras para a amostra, a sua influência nos resultados obtidos revelou-se ser pouco significativa.

O estudo experimental envolveu, igualmente, a determinação experimental da

permeabilidade efectiva do meio poroso e do coeficiente de transferência de calor por convecção na superfície da amostra exposta aos gases quentes, através de montagens experimentais especificamente desenvolvidos para esse efeito.

2 Ensaios de Protecção

2.1 Descrição das amostras e da montagem experimental

A montagem experimental utilizada corresponde ao aperfeiçoamento, realizado no âmbito do presente trabalho, da montagem experimental desenvolvida por Figueiredo e Costa (2004). É, basicamente, constituída por uma estrutura, apoiada numa balança, que posiciona, através de um porta-amostras, uma amostra de barreira térmica na horizontal sobre um queimador (Figura 2.1).

Figura 2.1. Aspecto geral da montagem experimental.

A instalação é ainda constituída por um suporte auxiliar por onde passa o fio de termopar do porta-amostras, servindo também para o posicionamento de termopares junto à superfície exposta, que se destinam à medição da temperatura da chama. O desenvolvimento da montagem experimental incidiu, essencialmente, na procura de

QUEIMADOR MEDIÇÃO DA TEMPERATURA DE CHAMA PORTA - AMOSTRAS ZONA DE CHAMA FIO TERMOPAR

a sua impermeabilização, de modo a impedir que a água se escape pelo interior do porta-amostras, factores determinantes para que a evolução do processo que decorre no interior da amostra reproduza com fidelidade o que ocorre num sistema real. Tratou-se de uma tarefa difícil de concretizar devido às elevadas temperaturas em jogo, o que limitou as

possibilidades quanto aos materiais a utilizar no isolamento térmico e na

impermeabilização da amostra. A severidade das condições a que se sujeita a amostra, o porta-amostras e os termopares foram fortes condicionantes do trabalho experimental desenvolvido.

A opção pela colocação da amostra sobre a chama, na posição horizontal, prendeu-se com a necessidade de obter uma distribuição de temperatura na superfície da amostra o mais uniforme possível, de modo a garantir que as transferências de calor e massa tenham um comportamento o mais unidimensional possível. O posicionamento na vertical, embora possa corresponder a uma situação mais realista face à forma como as barreiras térmicas, ou parte delas, são utilizadas na prática, não garante uma abordagem unidimensional do problema devido, por um lado, ao desenvolvimento de uma corrente convectiva ascendente na superfície exposta na vertical, o que dificulta a obtenção de uma distribuição uniforme de temperatura na superfície exposta e, por outro lado, ao facto de a força da gravidade poder originar o escoamento de água líquida no interior da amostra e, assim, conduzir a uma maior concentração de água nas partes mais baixas da amostra.

As amostras das barreiras de protecção térmica usadas nos ensaios experimentais são constituídas por 6 discos de fibra de vidro sobrepostos, com 42 mm de diâmetro e uma espessura total de 5mm (Figura 2.2). Os discos são cortados de uma tela de fibra de vidro

do tipo manto, com uma densidade superficial de 460g/m2, segundo especificação do

fabricante. As massas específicas globais das amostras utilizadas nos ensaios variaram de 510 kg/m3 a 600 kg/m3. A superfície da amostra exposta à chama é constituída por uma folha de alumínio, de aproximadamente 0,1mm de espessura, a qual é colada uma tela fina de fibra de vidro, que lhe confere resistência mecânica. Trata-se de uma protecção térmica geralmente utilizada no fabrico de fatos e abrigos anti-fogo (fire-shelters) usados como equipamento individual standard dos bombeiros em certos países, que se caracteriza por um baixo coeficiente de absorção de radiação térmica (da ordem de 0,1). Na sua utilização em barreiras térmicas húmidas, para permitir a exaustão do vapor de água, a superfície

exposta é perfurada com uma densidade superficial de 72000 furos/m2, furos esses de

0,6mm de diâmetro, correspondendo a 0,02m2 de área perfurada por metro quadrado de

superfície exposta.

Figura 2.2. Amostra da barreira térmica usada nos ensaios.

O porta-amostras é constituído por um bloco em alumínio, que tem no seu interior um copo impermeável, construído em silicone resistente a temperaturas elevadas, onde é colocada a amostra a ensaiar Figura 2.3. Este copo tem a função de impedir que haja perda de massa de água pelo interior do porta-amostras, e isolar termicamente a amostra o mais possível. Em consequência do facto do silicone utilizado ser muito flexível, foi necessário colocar na superfície exterior da base e na parede lateral do copo uma chapa de alumínio e um anel de aço, respectivamente, para garantir a manutenção da sua geometria durante todo o ensaio. Para maximizar o isolamento térmico, estes elementos não contactam directamente com o

corpo do porta-amostras, existindo um o-ring em viton a separá-los.

Devido ao elevado aquecimento da tampa do porta-amostras, resultado da sua exposição directa à chama, desenvolvem-se elevados gradientes de temperatura e elevados níveis térmicos na superfície exposta da amostra, arrefecida pelo vapor expulso do interior da amostra através dela. Para minimizar o fluxo de calor do porta-amostras para o interior da amostra, que daqui resultaria, colocaram-se dois anéis a separar a tampa do porta-amostras da superfície de alumínio: um anel de aço que contacta com a tampa apenas em três pontos, e uma junta de amianto a separar o anel de aço da superfície exposta da amostra (Figura

e pela junta de amianto, sendo o conjunto comprimido pela tampa do porta-amostras (Figura 2.3)

Figura 2.3. Porta amostras.

Como gerador de chama foi utilizado um queimador atmosférico de pré-mistura propano-ar, com diâmetro de 60mm, sendo de 220mm a distância que o separa da amostra. Por se ter verificado que a turbulência do escoamento dos produtos da combustão era responsável por perturbações nas leituras de massa na balança, colocou-se à saída da câmara de pré-mistura uma camada de palha-de-aço, o que permitiu reduzir a velocidade de escoamento da mistura de combustível na câmara de pré-mistura e, consequentemente, a turbulência do escoamento dos produtos da combustão.

3

9

3 2

LEGENDA:

1- corpo do porta amostras 2- copo de silicone

3 - folha de alumínio perfurada 4 - junta de amianto

5 - anel de aço 6 - chapa de alumíno 7 - cilindro em aço

8 - tampa do porta amostras 9 - termopares 4 5 7 8 1 6

2.2 Medições efectuadas e análise de incertezas Temperaturas no interior da amostra

Para medição da evolução da temperatura no interior das amostras foram utilizados

termopares do tipo K, de junção exposta, com diâmetros compreendidos entre 0,3 e 0,5mm,

sendo o revestimento do fio termopar em Teflon. Os termopares são posicionados no

interior da amostra conforme ilustra a Figura 2.3. Atendendo a que a colocação dos termopares provoca um aumento do espaçamento entre as fibras, o que certamente tem alguma influência nos resultados obtidos e, também, porque um maior número de fios de termopar a ser conduzido do porta-amostras para o suporte aumenta a possibilidade de ocorrerem interferências nas medições da balança, optou-se por colocar apenas três termopares, em duas zonas distintas: dois termopares atrás da superfície exposta, e um termopar junto à superfície interior da amostra. A utilização de dois termopares atrás da superfície exposta prendeu-se com o facto de aí existirem gradientes de temperatura muito elevados sendo, por isso, o valor da temperatura medido muito dependente da posição assumida pelos termopares. A colocação de termopares junto à face interior da folha de alumínio resulta na medição de um valor de temperatura inferior ao qual essa superfície efectivamente se encontra, e que se pretende determinar. A aquisição das temperaturas foi

feita com recurso a uma interface PICO T08 Thermocouple Data Logger, ligada a um PC.

As medições da temperatura da amostra, no seu interior e na superfície exposta, têm associadas grandes incertezas. A elevada incerteza no posicionamento dos termopares, que pela existência de elevados gradientes de temperatura no interior da amostra em determinados períodos do processo de protecção, é a causa maior de tais incertezas. Embora fosse desejável obter resultados com menores incertezas, o facto de não o ter sido possível não impediu que se pudesse realizar, com base nestes resultados, uma análise qualitativa do desenvolvimento do processo de protecção, em que se identificam claramente as diferentes fases do processo de protecção, e os mecanismos dominantes intervenientes em cada uma dessas fases. A incerteza das medições da temperatura da amostra também não invalida a sua utilização na aferição dos parâmetros do modelo matemático, sendo suficiente obter uma evolução da temperatura onde se possam

variações associadas às transições nos mecanismos dominantes de transporte no interior da barreira, e uma aproximação das taxas de variação da temperatura, o que não requer o conhecimento da temperatura com grande exactidão.

Para se obter uma estimativa da incerteza associada à determinação da temperatura da chama com a colocação dos termopares atrás da superfície exposta, realizaram-se ensaios específicos para esse efeito, que consistiram na substituição da folha de alumínio por uma placa de alumínio de 0,5mm de espessura, na qual foram embutidas as junções dos termopares. A diferença entre a temperatura da superfície exposta e a temperatura medida por um termopar posicionado atrás desta superfície varia de 20ºC, no período em que a existe água junto da superfície exposta, até valores superiores 100ºC, registados a partir do momento em que deixa de haver água nessa zona.

Taxa de evaporação

Com o objectivo de deteminar a evolução temporal da taxa de vaporização de água na amostra, mediu-se, em cada ensaio, a evolução da massa total da amostra. Para o efeito foi utilizada uma balança com uma resolução de 0,01g, ligada a um PC para a aquisição dos dados. O registo de cada medida da massa corresponde à média de três leituras, realizadas em três instantes consecutivos. Uma vez que as medições da massa de água apresentam pequenas flutuações entre instantes consecutivos, as curvas de evolução das taxas de vaporização tiveram que ser determinadas a partir de curvas suavizadas de evolução temporal de massa de água, o que foi efectuado com recurso ao método de média móvel exponencial. Apesar das curvas suavizadas acompanharem bem a evolução dos pontos, este procedimento de alisamento poderá ter alguma influência no cálculo da evolução da taxa de evaporação, já que poderá estar a suavizar evoluções mais abruptas que ocorrem de facto. Contudo, as principais evoluções obtidas e os valores máximos das taxas de vaporização obtidos, que são a informação mais importante a retirar, julga-se serem fiáveis já que resultam de uma evolução progressiva, não dependendo de eventuais variações pontuais mais abruptas.

da superfície exposta da amostra.

A leitura da temperatura efectuada tem associado um erro que resulta das elevadas temperaturas em causa que, associadas à elevada emissividade da superfície da junção do termopar, levam a que ocorram perdas de calor por radiação significativas, as quais originam a redução da temperatura da junção do termopar. A temperatura medida pelo termopar é, assim, a temperatura de equilíbrio entre as perdas de calor por radiação para o meio envolvente e o ganho de calor por convecção dos gases quentes da combustão. Embora a diferença entre esta temperatura e a temperatura de chama possa ser diminuída com a redução das dimensões da junção do termopar, verifica-se que, mesmo para termopares de dimensões muito reduzidas, estas diferenças assumem valores significativos. Foi, assim, necessário realizar a correcção da temperatura medida (em que se utilizaram termopares com junção exposta de 0.4mm de diâmetro), para o que se recorreu ao modelo teórico de transferência de calor na junção do termopar descrito em Brohez et al. (2004), que se baseia no modelo desenvolvido por Blevins e Pitts (1999). A temperatura da chama é determinada através da realização do balanço de energia na junção do termopar:

4 4

( ) ( )

tp ch tp tp tp

h T −T =ε σ T −T_∞ (2.1)

em que h_tp é o coeficiente de transferência de calor por convecção da junção do termopar imersa nos gases de queima, T_ch a temperatura de chama, T_tp a temperatura do termopar, _εtp, a emissividade do termopar, σ a constante de Stefan-Boltzmann, e T∞ a temperatura do

meio envolvente exterior à chama.

O coeficiente de transferência de calor por convecção entre a superfície do termopar e os produtos da combustão é determinado por:

D k Nu

h g

tp = (2.2)

em que D é o diâmetro da junção do termopar, k_g a condutibilidade térmica dos gases

quentes, e Nu o número de Nusselt, sendo este determinado através da correlação de

4 , 0 3 / 2 5 , 0 ) 06 , 0 4 , 0 ( 2 Re Re Pr Nu= + + (2.3) sendo,

µ

ρ

No presente trabalho realizaram-se ensaios com duas chamas de intensidades diferentes, para simular 2 condições de exposição de uma barreira térmica diferentes, que serão

identificadas como chama 1 para a de menor intensidade, e chama 2 para a mais intensa.

Tais condições foram obtidas com o mesmo queimador, variando-se apenas o débito de combustível. Em ambos os ensaios a amostra foi posicionada à mesma distância do queimador. As temperaturas medidas foram de 1020ºC e 1170ºC, respectivamente, para as

chamas 1 e 2.

Assumindo-se os gases quentes da chama como gases perfeitos encontrando-se à pressão atmosférica e à temperatura de 1300ºC, e sendo a sua composição a resultante da combustão estequiométrica de propano com ar, obtiveram-se as seguintes propriedades da mistura dos gases quentes: massa específica _ρg=0,23 kg/m3, condutibilidade térmica k_g=

0,09W/(m.K) e viscosidade dinâmica _µg=5,0x10-5N.s/m2.

A velocidade dos gases foi avaliada a partir da medição da força de arrasto produzida pelo escoamento dos gases quentes da combustão num disco plano, posicionado na horizontal, no seio da chama, sendo a força medida pela redução do peso produzido no suporte de posicionamento do disco. Os resultados obtidos permitiram determinar uma velocidade dos gases de cerca de 3m/s. O diâmetro da junção dos termopares utilizados é de 0,4mm. Para a

emissividade da junção do termopar assumiu-se o valor de 0.9 (Brohez et al., 2004)

Utilizando estes valores obtiveram-se as temperaturas das chamas 1 e 2 de 1200ºC e

1450ºC, respectivamente.

Estes resultados revelam existir uma diferença muito significativa entre a temperatura de chama e o valor medido pelo termopar. Atendendo a que no cálculo de correcção da temperatura de chama medida entraram diversas parâmetros que têm associadas incertezas