Utilização de Termopares para a Caracterização de Chamas Turbulentas

1. Utilização de Termopares para a Caracterização de Chamas Turbulentas Feito por: Carlos Antunes Pedro Martins

2. Estrutura • Introdução • Funcionamento de Termopares • Construção de Termopares • Limitações dos Termopares • Avaliação da Constante de Tempo dos Termopares • Referências Bibliográficas Carlos Antunes ; Pedro Martins

3. Introdução As propriedades do escoamento numa combustão têm sido tradicionalmente medidas utilizando sondas. • Qual a interferência da sonda? • Qual a resolução temporal da sonda? Porque não utilizar técnicas ópticas? Carlos Antunes ; Pedro Martins

4. Introdução A utilização de Técnicas ópticas levantam outros problemas: • necessidade de acesso óptico; • Difícil obter informação de alta qualidade em meios fortemente luminosos ou carregados de partículas. A medição de grandezas escalares está dependente de vários factores como a presença de partículas no escoamento A precisão dos resultados é ainda questionável Carlos Antunes ; Pedro Martins

5. Introdução Vantagens do uso de sondas: • barato; • simples; • fáceis de usar; • por vezes os mais fiáveis. Desvantagens do uso de sondas: • causam interferência no escoamento; • qual a menor escala mensurável num escoamento turbulento? Carlos Antunes ; Pedro Martins

6. Introdução Métodos Ópticos ou Intrusívos? • complexidade da análise; • capacidade e experiência do utilizador; • custos dos equipamentos; • (em geral as grandezas escalares são medidas utilizando técnicas intrusívas) Carlos Antunes ; Pedro Martins

7. Funcionamento de Termopares EFEITO DE SEEBACK • É o resultado combinado dos efeitos de Thomson e Peltier: • Thomson observou a existência de uma FEM devido ao contacto de dois metais diferentes, geralmente pequena e desprezável. • Peltier descobriu que gradientes de temperaturas ao longo de fios condutores geram um FEM Carlos Antunes ; Pedro Martins

8. Funcionamento de Termopares EFEITO DE SEEBACK Vantagens: Simples Vasta gama de temperaturas Variedade Barato Desvantagens: Não-Linear FEM gerada é pequena Necessita de Temp. de Ref. Pouca Sensibilidade Carlos Antunes ; Pedro Martins

9. Funcionamento de Termopares LEI DOS METAIS INTERMÉDIOS A inserção de um novo Metal C no circuito não influenciará o valor da FEM desde que as novas junções estejam a temperaturas idênticas. Carlos Antunes ; Pedro Martins

10. Funcionamento de Termopares Para o estudo de chamas turbulentas tem-se utilizado ligas de rhodium-platinum Carlos Antunes ; Pedro Martins

11. Funcionamento de Termopares Carlos Antunes ; Pedro Martins

12. Construção de Termopares UTILIZANDO UMA DESCARGA ELÉCTRICA • O par de fios a serem soldados são fixos e manipulados por dois micromanipuladores e conectados a um dos terminais do gerador de tensão. O fim de cada fio, com cerca de 5 mm é previamente lavado com acetona. As duas pontas são então colocadas em contacto, em forma de V com um ângulo de 45º-60º. • Um eléctrodo refractário de grafite é conectado ao outro terminal do gerador de tensão. O eléctrodo entra em contacto com os dois fios, e aplica-se uma descarga eléctrica, controlada em amplitude e duração. Carlos Antunes ; Pedro Martins

13. Construção de Termopares UTILIZANDO UMA DESCARGA ELÉCTRICA 3) Uma vez obtida uma boa junção, atendendo ao seu tamanho (rj/rf<2.0), verifica-se se é suficientemente forte aplicando tracção axial manual. 4) Monta-se o termopar nos fios do suporte, por forma a que a junção fique centrada, utilizando os micromanipuladores. Nota: Em todas as operações o operador utiliza um microscópio. Carlos Antunes ; Pedro Martins

14. Construção de Termopares Carlos Antunes ; Pedro Martins

15. Construção de Termopares Carlos Antunes ; Pedro Martins

16. Construção de Termopares DIMENSÕES TÍPICAS DE UM TERMOPAR DE FIO FINO Carlos Antunes ; Pedro Martins

17. Limitações dos Termopares • O Termopar não é um sensor ideal. • O Termopar indica a sua temperatura, que é, em geral, diferente da do gás. • Perturbações induzidas no escoamento pela sonda; • Contaminação dos fios dos termopares; • Efeitos Catalíticos; • Transferências de Calor (condução e radiação); • Determinação de valores médios. Carlos Antunes ; Pedro Martins

18. Limitações dos Termopares PERTURBAÇÕES INDUZIDAS PELA SONDA • A introdução de um termopar de fio fino no escoamento causa perturbações locais e globais, que podem ser de natureza: • aerodinâmica (podem ser as mais severas); • térmica; • química. Carlos Antunes ; Pedro Martins

19. Limitações dos Termopares PERTURBAÇÕES INDUZIDAS PELA SONDA • Perturbações aerodinâmicas globais: • São minimizadas para escoamentos sem recirculações; • No caso de “pre-mixed flames”: Pode alterar as características da mistura “ar+ fuel” Pode servir como “flame holder” • Perturbações aerodinâmicas locais: • Resulta da conversão de energia cinética em energia térmica na camada limite ao longo do termopar; • mostra-se que o erro é desprezável para escoamentos de combustão em que M<0,1. Carlos Antunes ; Pedro Martins

20. Limitações dos Termopares PERTURBAÇÕES DE NATUREZA QUÍMICA • Em atmosferas reduzidas (hidrogénio, vapor de água, CO, metano,...) a platina e as suas ligas reagem com espécies químicas activas. Acelerando a decomposição da cerâmica refractária usada para isolar os elementos térmicos • Acima dos 1200ºC ocorre a formação dos Silicatos de Platina, tornando os fios quebradiços. • Nota: A contaminação ocorre ainda que não haja contacto directo da sílica com os fios, pois esta encontra-se inicialmente noutros compostos. Carlos Antunes ; Pedro Martins

21. Limitações dos Termopares CATÁLISE NAS SUPERFÍCIES DOS TERMOPARES • Em contacto com atmosferas reduzidas, a superfície da platina actua como catalisador de reacções exoenergéticas, em particular nas recombinações de radicais, dando origem a erros sistemáticos. • Nota: “Pre-mixed flames” são particularmente propícias à ocorrência deste fenómeno, devido à recombinação de OH na camada limite dos fios Como evitar este efeito? Carlos Antunes ; Pedro Martins

22. Limitações dos Termopares CATÁLISE NAS SUPERFÍCIES DOS TERMOPARES • Cobrindo os fios com material não catalítico: • Material de Sílica : sofrem redução e contaminam os fios; • Cerâmica de Berílio+Ítrio : o berílio é extremamente tóxico e venenoso; • Cerâmica com base em Alumina Aumenta o diâmetro dos fios Deteora a resposta em frequência Aumenta a emissividade Carlos Antunes ; Pedro Martins

23. Limitações dos Termopares CATÁLISE NAS SUPERFÍCIES DOS TERMOPARES Carlos Antunes ; Pedro Martins

24. Limitações dos Termopares EFEITOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR Outros dos efeitos que contribui para que a temperatura do termopar não seja igual à do gás é a transferência de calor entre a junção, os fios e o meio circundante. Realizando um balanço e desprezando a radiação entre o termopar e o gás, vem: Carlos Antunes ; Pedro Martins

25. Limitações dos Termopares EFEITOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR - CONDUÇÃO Erros sistemáticos são obtidos devido à condução de calor através dos fios quando estes estão sujeitos a gradientes de temperatura. • A condução do calor não é afectada: • pelo diâmetro da junção; • velocidade de chama. Verifica-se que os erros são principalmente função do comprimento do fio. Carlos Antunes ; Pedro Martins

26. Limitações dos Termopares EFEITOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR - CONDUÇÃO Admite-se que os erros são desprezáveis para comp/diam>200 Carlos Antunes ; Pedro Martins

27. Limitações dos Termopares EFEITOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR - RADIAÇÃO Erros de maior grandeza podem surgir da troca de calor por radiação entre o termopar e as paredes envolventes. Estimativas dos erros são difíceis e pouco precisas. Note-se que, por exemplo, a emissividade da liga Pt-10%Rh pode variar 40% entre os 600ºC e os 900ºC. Em geral verifica-se que o erro aumenta com o aumento da temperatura, podendo atingir 10% do valor medido com o termopar. Carlos Antunes ; Pedro Martins

28. Limitações dos Termopares EFEITOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR - RADIAÇÃO Carlos Antunes ; Pedro Martins

29. Limitações dos Termopares EFEITOS DO USO DE PIRÓMETROS DE SUCÇÃO Numa tentativa de diminuir os erros associados à radiação utilizam-se estes instrumentos, por forma a proteger os Termopares das paredes circundantes. Carlos Antunes ; Pedro Martins

30. Limitações dos Termopares EFEITOS DO USO DE PIRÓMETROS DE SUCÇÃO • Surgem outras fontes de erro: • geometria da sonda; • a posição da junção do termopar; • geometria do escudo protector; • velocidade de sucção dos gases. O valor medido estabiliza para v=200m/s. Maiores coeficientes de transferência de calor Maiores velocidades Carlos Antunes ; Pedro Martins

31. Limitações dos Termopares ERROS NA AVALIAÇÃO DA TEMPERATURA MÉDIA • Os Termopares não têm resolução espacial nem temporal para fornecer valores instantâneos. • O termopar não é um sensor ideal. A junção tem massa, pelo que necessita de tempo para mudar de temperatura. • A capacidade de aquecimento da junção é caracterizada pela constante de tempo da sonda “τ”, que é uma medida da resposta em frequência da sonda. Para variações de temperatura associadas a frequências supeiores a f o termopar não consegue detectar. f=1/ τ Carlos Antunes ; Pedro Martins

32. Limitações dos Termopares ERROS NA AVALIAÇÃO DA TEMPERATURA MÉDIA O termopar actua inicialmente como um filtro passa-baixo, pelo que pode ser necessário utilizar um circuito compensador. Carlos Antunes ; Pedro Martins

33. Avaliação de τ dos Termopares Fazendo um balanço de energia à junção do termopar vem: Note-se que os coeficientes de transferência de calor variam com a temperatura. Logo, também a constante de tempo dos termopares varia com a temperatura Carlos Antunes ; Pedro Martins

34. Avaliação de τ dos Termopares 1º MÉTODO: “1/E METHOD” • τ é determinado (tradicionalmente) aquecendo o termopar com uma corrente eléctrica e fazendo-o arrefecer através de uma convecção forçada; • τ é designado como o tempo que a temperatura leva decair para 1/e do seu valor inicial. Carlos Antunes ; Pedro Martins

35. Avaliação de τ dos Termopares 1º MÉTODO: “1/E METHOD” Carlos Antunes ; Pedro Martins

36. Avaliação de τ dos Termopares 2º MÉTODO: “PLATEAU METHOD” • Na realidade, a diminuição de temperatura não é exponencial devido a: • diferença de temperatura entre a junção e os fios; • efeito de Peltier. Assim τ pode ser determinado, plotando a evolução da resolução temporal da constante de tempo. Carlos Antunes ; Pedro Martins

37. Avaliação de τ dos Termopares 2º MÉTODO: “PLATEAU METHOD” Carlos Antunes ; Pedro Martins

38. Avaliação de τ dos Termopares INCERTEZAS NA DETERMINAÇÃO DE τ • Estimação do nível do “plateau”; • Envelhecimento do termopar devido à contaminação com partículas e outras impurezas inerentes ao processo de combustão; • dependência de τ com a velocidade e a temperatura. Carlos Antunes ; Pedro Martins

39. Referências Bibliográficas • [1] M. V. Heitor and A. L. N. Moreira “Thermocouples and Sample Probes for Combustion Studies”, 1993 • [2] Moneib, Hany Ahmed “Experimental Study of the Fluctuating Temperature in Inert and Reacting Turbulent Jets”, 1980 • Azinheira, J.R. “Acetatos das aulas de Instrumentação” • Moreira, Lucia, “Medição de Temperatura usando-se Termopar” • http://www.nist.gov Carlos Antunes ; Pedro Martins