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, no 50, Vila das Acácias
CEP: 12228-901, S. José dos Campos - SP
[email protected] , [email protected]
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 with 300µm of diameter is used to get the flame radial temperature profile in
different oscillations conditions.
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 desenvolvese 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.
1000
h=05mm
h=10mm
h=15mm
600
o
Temperatura( C)
800
400
200
0
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
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 microtermopar com junção exposta e fios de 300 µm, 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 300µm 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.
800
700
Termopar 1
Termopar 2
o
Temperatura( C)
600
500
400
300
200
100
0
0
50
100
150
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.
1000
h=05mm
h=40mm
h=70mm
o
Temperatura( C)
800
600
400
200
0
5
10
15
20
Distânciarelativa ao centro do queimador(mm)
Figura 4: Perfil radial de temperatura sem excitação.
Tabela 1: Perfis radiais de temperatura das chamas para diferentes excitações (h = 05mm , h =
40mm e h = 70mm ).
200Hz e 20mbar
200Hz e 30mbar
800
Temperatura( C)
o
o
Temperatura( C)
800
600
400
200
600
400
200
0
5
10
15
20
0
Distância relativa ao centro do queimador(mm)
5
10
15
20
Distância relativa ao centro do queimador(mm)
400Hz e 20mbar
400Hz e 30mbar
1000
1000
Temperatura( C)
o
o
Temperatura( C)
800
800
600
400
600
400
200
200
0
5
10
15
0
20
5
10
15
20
Distância relativa ao centro do queimador(mm)
Distância relativa ao centro do queimador(mm)
400Hz e 40mbar
600Hz e 20mbar
1000
1000
800
o
Temperatura( C)
o
Temperatura( C)
800
600
400
600
400
200
200
0
5
10
15
0
20
5
10
15
20
Distância relativa ao centro do queimador(mm)
Distância relativa ao centro do queimador(mm)
600Hz e 30mbar
700Hz e 20mbar
1000
1000
Temperatura(oC)
o
Temperatura( C)
800
600
400
200
800
600
400
200
0
5
10
15
20
Distância relativa ao centro do queimador(mm)
0
5
10
15
20
Distância relativa ao centro do queimador(mm)
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 1000oC; enquanto que para situação sem
excitação, nessa mesma altura, o valor máximo foi de 750oC. 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]Lacava et al.; Efeito da Freqüência e da Amplitude de Oscilação no Formato de Chamas Prémisturadas Pulsadas; XV congresso nacional de engenharia mecânica, 1999
[2]Ballantyne, A., Boon, D.J., Moss J.B.; Measurements of Fluctuating Temperature in Open
Diffusion Flames Employing Fine Wire Thermocouples; A.A.S.U. Memorandum, No 76/3, 1976.