ads:
1
UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ
Cristiano Manechini Diman
MEDIDOR DE VAZÃO DE AR PRIMÁRIO
PARA QUEIMADORES A GÁS
Taubaté - SP
2006
ads:
Livros Grátis
http://www.livrosgratis.com.br
Milhares de livros grátis para download.
2
UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ
Cristiano Manechini Diman
MEDIDOR DE VAZÃO DE AR PRIMÁRIO
PARA QUEIMADORES A GÁS
Dissertação apresentada para obtenção do Título de
Mestre pelo Curso de Engenharia Mecânica do
Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade
de Taubaté,
Área de Concentração: Energia e Gestão Ambiental na
Indústria
Orientador: Prof. Dr. Jeronimo dos Santos Travelho
Taubaté
2006
ads:
3
CRISTIANO MANECHINI DIMAN
MEDIDOR DE VAZÃO DE AR PRIMÁRIO PARA QUEIMADORES A GÁS
Dissertação apresentada para obtenção do Título de
Mestre pelo Curso de Engenharia Mecânica do
Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade
de Taubaté,
Área de Concentração: Energia e Gestão Ambiental na
Indústria
Orientador: Prof. Dr. Jeronimo dos Santos Travelho
Data: ______________________________
Resultado: __________________________
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Evaldo Jose Corat Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
Assinatura______________________________
Prof. Dr. José Rui Camargo Universidade de Taubaté
Assinatura______________________________
Prof. Dr. Jeronimo dos Santos Travelho Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
Assinatura______________________________
4
DEDICATÓRIA
Ao meu filho Pedro e minha esposa Cylene,
Pela compreensão do tempo dedicado à esse trabalho.
5
AGRADECIMENTOS:
Ao meu orientador, Professor Dr. Jeronimo dos Santos Travelho, pelo grande
incentivo e acima de tudo por acreditar nesse trabalho.
Aos amigos de trabalho Arthur Kanal Shim, Edson Yoshida e Flávio Assayama Lopes
pela grande ajuda no desenvolvimento e execução dos experimentos.
Aos amigos de trabalho Antonio Braga e Luis Belomo por ajudarem na construção do
equipamento.
À Dolores C. Huscher pela ajuda com a patente
À Multibrás S/A Eletrodomésticos por fornecer todos os insumos e recursos
necessários para a realização dos ensaios
6
RESUMO
Essa pesquisa surge da necessidade de se conhecer com precisão a quantidade de ar
primário contidada na mistura ar e gás que um queimador de fogão está consumindo
durante seu funcionamento. Para medir essa quantidade está sendo proposto o
desenvolvimento de um equipamento denominado “medidor de vazão de ar primário
para queimadores a gás” que utiliza uma bolha de sabão como meio para medir a vazão
do ar. O equipamento consiste em uma caixa fechada com um queimador no topo
simulando um quarto da parte superior do fogão. A região fechada somente tem
comunicação com o meio ambiente através de um tubo de material transparente e
volume conhecido por onde a bolha de sabão caminha pela diferença de pressão gerada
pelo gás entrando no queimador. O tubo tem o seu volume pré-calculado simulando
uma velocidade possível de ser mensurada com um cronômetro por um operador e as
pré-analises foram feitas extrapolando o medidor e verificando quanto a bolha
influência na chama gerada pelo queimador. É criado e seguido um procedimento
padrão durante a preparação e realização de todo o ensaio.
Não é conhecido nenhum equipamento desse tipo utilizado para a medição de ar
primário de queimadores a gás como também não a própria medição da quantidade de ar
primário. Através desse cenário está sendo requerida uma patente já depositada no INPI
Palavra Chave: Queimador, Fogão, Combustão, Bolha de sabão
7
ABSTRACT
This research emerge on the necessity to know the amount of primary air in the mixture
air-gas that a stove burner is consuming during its operation. To measure the amount of
primary air, the development of an equipment denominated “Primary Air flow Meter”
is being proposed for gas stove burners, it works with a soap bubble to measure the air
flow. The equipment consists in a closed box with a burner in the top simulating a
fourth of stove cook top region. The closed box only has communication with
environment through a transparent tube with defined volume, the soap bubble slides in
the tube with pressure difference generated by the gas entering in the burner. The tube
volume is chosen to make possible a operator measure the speed of the bubble using a
chronometer, and the initial analyzes have done extrapolating the meter and verifying as
the bubble influence the burner flame. It is created and following a standard procedure
during the preparation and accomplishment of entire tests.
There is no knowledge about equipments of this type being used to measurement of
primary air of gas burners as well as no the own measurement of the amount of primary
air. To this project there is a patent requested in INPI.
Key Words: Burner, Stove, Combustion, Soap Bubble
8
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Composição volumétrica dos gases naturais (%) 18
Tabela 2 - Poder calorífico dos gases 19
Tabela 3 - Densidades dos gases combustíveis 20
Tabela 4 - Números de Wobbe dos gases combustíveis 22
Tabela 5 - Temperaturas mínimas de auto-ignição na pressão atmosférica, em ºC 23
Tabela 6 - Temperatura adiabática de chama (gás, ar e oxigênio a 20ºC) 23
Tabela 7 - Limite de flamabilidade ou explosão (gás combustível, ar e oxigênio
a 20ºC e a pressão atmosférica) 25
Tabela 8 - Limites de flamabilidade para diferentes gases segundo KUO (1986) 25
Tabela 9 - Combustão estequiométrica dos gases com ar atmosférico 27
Tabela 10 - Combustão estequiométrica dos gases com oxigênio puro 28
Tabela 11 - Velocidade de chama para os diferentes gases 30
Tabela 12 - Vazão para os gases nas diferentes pressões 71
Tabela 13 - Taxa de combustível com as variações entre as pressões 73
Tabela 14 - Taxa de combustível com as variações entre os diferentes gases 74
Tabela 15 - Comparação entre as taxas de combustíveis (ensaio & teoria) 74
Tabela 16 – Resumo do ensaio com quantidade diferentes de bolhas
percorrendo o tubo 78
9
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Componentes dos gases, AMERICAN GAS ASSOCIATION (1996) 15
Figura 2 – Densidade do gás natural, AMERICAN GAS ASSOCIATION (1996) 16
Figura 3 – Densidade do GLP, AMERICAN GAS ASSOCIATION (1996) 16
Figura 4 – Combustão do metano com oxigênio 26
Figura 5 - Combustão dos principais gases e o oxigênio 27
Figura 6 – Flashback 29
Figura 7 – Descolamento de chama 29
Figura 8 – A variação de velocidade da chama em função das misturas
ar e combustíveis para diferentes combustíveis, KUO (1986) 31
Figura 9 – Efeito do número de carbono na velocidade de chama, KUO (1986) 31
Figura 10 – Efeito da temperatura inicial dos reagentes na velocidade de chama 32
Figura 11 – Tipos de chama em função da concentração da mistura 34
Figure 12 – Um projeto de queimador 36
Figura 13 – Distância entre a chama e a panela pode causar combustão
incompleta e CO 36
Figura 14 – Regiões de uma chama 37
Figura 15 – Etiqueta do PBE para fogões domésticos 43
Figura 16 – Medidor de vazão utilizando bolha de sabão “Bubble-O-Meter" 45
Figura 17 - Esquema do MAF e o gráfico de resultado gerado por ele 46
Figura 18 - Esquema do medidor de vazão de ar para aeração e secagem de grãos 47
Figura 19 - Medidor de vazão para ar comprimido 48
Figura 20 – Anemômetro de fio quente 49
Figura 21 – Anemômetro com tubo de Pitot 49
Figura 22 – Vista em corte do injetor de 0,70 mm rosqueado em um suporte 53
Figura 23 – Sistema gás mostrando tubo principal de entrada de gás, registros,
tubos de ligação secundários, injetores e queimadores 56
Figura 24 – Vista em corte mostrando o injetor e o queimador 57
Figura 25 – Comportamento da pressão do gás + ar entre o injetor e o tubo do
queimador 58
Figura 26 – Comportamento da velocidade do gás + ar entre o injetor e o tubo do
queimador 58
10
Figura 27 – Gráfico dos limites de flamabilidade para o gás natural 59
Figura 28 – Velocidade de chama para o gás natural 60
Figura 29 – Medidor de vazão de ar primário em corte transversal 63
Figura 30 – Esquema do medidor de vazão de ar primário 66
Figura 31 – Estratégia de amostragem para o ensaio 66
Figura 32 - Aparência da chama quando uma bolha de sabão está
percorrendo o tubo 68
Figura 33 - Aparência da chama quando nenhuma bolha de sabão está
percorrendo o tubo 68
Figura 34 – Resultados utilizando pressão de 280 mmH2O 69
Figura 35 – Resultados utilizando pressão de 350 mmH2O 69
Figura 36 – Grau de relevância dos fatores (pareto) 70
Figura 37 – Grau de relevância dos fatores (linhas) 70
Figura 38 – Vazão de ar primário e razão do gás consumido (%)
para pressão 280 mmH2O 72
Figura 39 – Vazão de ar primário e razão do gás consumido (%)
para pressão 350 mmH2O 73
Figura 40 – Tempo, vazão e razão do gás para 1 bolha de sabão percorrendo o tubo 76
Figura 41 – Tempo, vazão e razão do gás para 2 bolha de sabão percorrendo o tubo 76
Figura 42 – Tempo, vazão e razão do gás para 3 bolha de sabão percorrendo o tubo 77
Figura 43 – Tempo, vazão e razão do gás para 4 bolha de sabão percorrendo o tubo 77
Figura 44 – Gráfico mostrando a relação do tempo com quantidade de bolhas 79
Figura 45 – Gráfico mostrando a relação da vazão de ar primário com
quantidade de bolhas 79
Figura 46 – Gráfico mostrando a relação da razão de gás com
quantidade de bolhas 80
11
SUMÁRIO
1 - Introdução 13
2 – Revisão Literária 15
2.1 - Propriedades químicas dos gases 15
2.2 - Propriedade comercial dos gases 17
2.3 - Combustão dos gases 18
2.3.1 - Poder calorífico dos gases 19
2.3.2 - Massa específica e densidade relativa do gases 20
2.3.3 - Número de Wobbe 21
2.3.4 - Temperatura mínima de auto-ignição 22
2.3.5 - Temperatura adiabática de chama 23
2.3.6 - Limite de flamabilidade 24
2.3.7 - Combustão e produtos da combustão 26
2.3.8 - Poluentes 28
2.3.9 - Velocidade de chama 29
2.3.10 - Efeito da mistura ar mais combustível 30
2.3.11 - Efeito do número de carbono na velocidade de chama 31
2.3.12 - Efeitos dos aditivos na velocidade de chama 32
2.3.13 - Temperatura inicial dos reagentes 32
2.3.14 - Influência da quantidade de ar primário na velocidade da chama 32
2.4 - Exemplo de projeto de queimador 35
2.5 - Principais tipos de chama 38
2.6 - Vantagens do uso de gases combustíveis 39
2.7 – Descrição do sistema de queima e norma 40
3 - Proposição 44
3.1 - Estado da arte 44
4 - Material e método 50
4.1 - Descrição especifica do queimador utilizado no desenvolvimento da pesquisa 50
4.2 - Descrição do medidor de vazão de ar primário – objeto do estudo 59
4.3 - Descrição técnica do equipamento medidor de vazão de ar primário de
bolha de sabão 63
5 - Descrição dos resultados encontrados, tratamento dos dados 69
6 - Conclusão 81
12
7 - Sugestões para novas pesquisas 83
8 - Referencias bibliográficas 85
9 - Anexos 88
9.1 - Anexo 1 - Minuta da patente 88
9.2 - Anexo 2 – Portaria INMETRO - requisitos mínimos de segurança e
desempenho para os fogões e fornos a gás, de uso doméstico 97
9.3 - Anexo 3 – Regulamento específico para uso da etiqueta nacional de
conservação de energia – ENCE, linha de fogões e fornos a gás 100
9.4 Anexo 4 – Equação da combustão para vários gases 126
13
1 Introdução
Esse trabalho tem o objetivo de demonstrar o funcionamento de queimadores a gás de
fogões domésticos e a construção de um equipamento para medição de um dado físico
que será usado no desenvolvimento desses queimadores. Conhecer o valor preciso desse
dado é de suma importância para a melhoria da performance e segurança de fogões
domésticos.
Fazer fogo e utilizá-lo de maneira produtiva foi fundamental para o homem iniciar seu
caminho rumo à civilização. Há evidências de que o fogo já era utilizado pelo homem
na Europa e na Ásia, no período paleolítico posterior. Desde então ele é utilizado como
forma de energia no preparo e aquecimento dos alimentos. Com a evolução, tecnologias
foram agregadas com o intuito de prover cada vez mais conforto e praticidade ao
homem.
Atualmente a utilização do fogão é feita praticamente em todas as partes do mundo, e,
quando se falam do uso de gases hidrocarbonetos como combustível, cada vez mais esse
tipo de energia vem ganhando espaço no desenvolvimento mundial.
Porém é fato que a humanidade está diante de uma situação de impasse, promover a
qualquer custo o desenvolvimento tecnológico sem prejudicar o meio ambiente.
Atualmente o mundo presencia a questão do aquecimento global, do efeito estufa, do
derretimento das geleiras, da mudança de clima e das grandes catástrofes da natureza. O
homem tem se preocupado com esses fatos, seus pensamentos e atitudes têm mudado
nos últimos anos, porém em uma velocidade bem menor do que aquela que o meio
ambiente precisa. A inércia está contra a humanidade, se ninguém poluir ou aquecer
mais nenhum grau o planeta, a resposta mesmo assim será muito demorada.
Utilizar combustíveis de maneira cada vez mais racional, criando máquinas que
consumam e poluam cada vez menos é o grande desafio para o homem moderno, alguns
dizem que preservar o meio ambiente está em moda, não só está em moda como é a
necessidade e prioridade número 1 do mundo.
Quando se pensa nas coisas pequenas que se pode fazer para frear essa catástrofe, frente
ao gigantesco planeta terra, parece que não terão efeito algum, mas que se somadas
certamente farão a diferença. A conscientização está nas pessoas, em suas atitudes,
desde de um usuário de automóvel até um cientista que idealiza uma nova máquina para
dar mais conforto à humanidade. O homem necessita de alimento para sobreviver e para
isso utiliza um equipamento muito conhecido no preparo do mesmo, o fogão. Na grande
14
maioria esse equipamento utiliza combustível fóssil para seu funcionamento como o gás
natural (GN), gás liqüefeito de petróleo (GLP), gás nafta ou gás de rua (GR) e etc. Esses
combustíveis são fontes esgotáveis e contribuem muito para o aquecimento global.
Utilizá-los de forma racional afim de extrair o máximo de rendimento de um queimador
de fogão por exemplo, é uma tarefa para quem está projetando e usando essa máquina
que gera calor.
Saber com precisão quanto de combustível e quanto de ar o queimador de um fogão está
consumindo é um dado de grande utilidade no desenvolvimento desse item, pois pode se
conseguir uma combustão cada vez mais próxima da estequiométrica, economizando
combustível, poluindo menos, aumentando o rendimento e gerando mais segurança para
o usuário. Atualmente existem equipamentos bastante precisos para quantificar a
quantidade de gás que um queimador está consumindo, porém não se sabe com precisão
quanto de ar primário (o ar que é misturado com gás antes da combustão) um queimador
está utilizando. Existe a possibilidade do mesmo estar utilizando mais gás na mistura do
que o necessário, gerando um desperdício, além de aumentar a emissão de produtos da
combustão prejudiciais ao meio ambiente. Utilizar menos gás na mistura pode ser um
problemas ainda mais grave, pois há um risco de segurança para o usuário onde a chama
pode extinguir-se e o gás ficar vazando causando um grave acidente com a explosão do
combustível.
Esse trabalho tem o propósito de mostrar o funcionamento dos queimadores de fogões
domésticos além de propor um equipamento de medição preciso e de baixo custo a fim
de quantificar o ar primário necessário à combustão dando condição ao Engenheiro ou
Projetista que está desenvolvendo ou melhorando um projeto de queimador saber em
quais e quantos fatores ele deve trabalhar para se conseguir uma combustão cada vez
mais próxima da estequiométrica.
Esse equipamento é baseado na medição da vazão do ar primário de queimadores, que
através de uma bolha de sabão propõe-se saber exatamente quanto é a taxa da mistura
combustível e ar primário que está sendo consumida antes da reação de oxidação
chamada de combustão. Com esse dado é possível chegar-se a algumas análises,
conclusões e sugestões para desenvolvimento de novos queimadores de fogão a gás.
15
2 Revisão literária
2.1 Propriedades químicas dos gases
Segundo a AMERICAN GAS ASSOCIATION (1996) gases utilizados para prover
calor na forma de energia são chamados gases combustíveis. A maior parte dos gases
combustíveis são hidrocarbonetos, são compostos de hidrogênio (H) e carbono (C).
Existem muitos desses compostos, cada um tem seu próprio número de átomos de
carbono e hidrogênio que juntos formam um gás combustível distinto. Os principais
componentes desses gases são:
GLP – butano (C
4
H
10
) e propano (C
3
H
8
)
GN – a maior parte metano (CH
4
) e etano (C
2
H
6
)
Figura 1 – Componentes de alguns gases, AMERICAN GAS ASSOCIATION (1996)
A figura 1 mostra como os átomos de hidrogênio e carbono combinados formam algum
dos gases combustíveis. O número de átomos de carbono e hidrogênio nos gases
combustíveis determina o tipo dos mesmos. Quanto mais átomos existirem no
composto, particularmente os de carbono que são mais pesados, mais pesado será o gás.
O maior número de átomos de carbono e hidrogênio tornam o gás combustível com
16
maior poder calorífico. Por essa razão o poder calorífico do gás butano é maior do que o
do metano. Figura 2 e 3 mostram a comparação entre as massas específicas dos gases.
Figura 2 – Densidade do GN, AMERICAN GAS ASSOCIATION (1996)
Figura 3 – Densidade do GLP, AMERICAN GAS ASSOCIATION (1996)
O GN contém cerca de 94% de metano, 3% de etano e 3% de outros gases. A
explicação comum para a formação do gás natural é a chamada de teoria orgânica,
durante milhões de anos plantas e animais mortos enterrados embaixo de lagos e
oceanos foram cobertos com lama e areia. Com o tempo todo que esse material ficou
coberto e grandes pressões foram exercidas pelo seu próprio peso. Em volta dessas
grandes pressões surgiram altas temperaturas. Através de ações químicas esse material
foi sendo convertido em gás e óleo.
17
O GLP é formado por butano e propano misturados ou somente um dos dois gases. Esse
gás combustível pode ser obtido através do gás natural ou através do refinamento do
petróleo. O GLP é transportados e estocados em tanques. Eles são normalmente
utilizados em áreas onde não são disponíveis tubulações de gás. Uma vez o GLP
armazenado em tanques sob pressão ele se encontra na maioria das vezes no estado
líquido. Quando o gás começa a deixar o tanque ele novamente passa para o estado
gasoso e será queimado como qualquer outro gás combustível.
2.2 Propriedade comercial dos gases
Os principais gases combustíveis comercializados no Brasil são os gases liqüefeitos do
petróleo e o gás natural. Existe ainda o gás nafta ou gás de rua, com área de atuação
restrita à cidade do Rio de Janeiro, e outros gases combustíveis com aplicações
específicas como o gás de refinaria, o gás de coqueria, o gás de alto forno, o acetileno, o
hidrogênio, o gás de decomposição anaeróbica e os gases oriundos da gaseificação da
madeira, do carvão vegetal e do carvão mineral. Os gases liqüefeitos do petróleo são
comercializados sob diversas denominações, de acordo com suas composições:
1. GLP propriamente dito, distribuído em larga escala, é composto por uma mistura de
hidrocarbonetos parafínicos (propano, n-butano e iso-butano) e olefínicos (propeno, n-
buteno e iso-buteno), nas mais variadas proporções. Pode ocorrer também a presença de
traços de etano, eteno, iso-pentano e butadieno-1,3.
2. Propano especial, de distribuição para fins específicos, composto basicamente por
propano (mínimo 90 %), propeno (máximo 5 %), butanos e butenos, também com a
presença de traços dos hidrocarbonetos mais próximos, como no GLP.
3. Propano comercial, cuja composição apresenta preferencialmente propano e ou
propeno.
4. Butano comercial, destinado a aplicações especiais como em aerossóis e isqueiros a
gás. Sua composição contém predominantemente butanos e ou butenos, de forma que
sua pressão de vapor não ultrapasse 5 kgf/cm² a 37,8ºC.
5. Propileno (ou propeno) grau químico (95%) ou grau polímero (99,8%) que, além de
sua utilização como matéria prima, é também usado em pequena escala como gás para
oxi-corte e aplicações afins.
18
O gás natural distribuído para consumo, após seu processamento nas UPGNs (unidade
de processamento de gás natural), é uma mistura composta basicamente por metano
(cerca de 90 %), etano (de 5 a 8 %), propano e traços de hidrocarbonetos mais pesados.
Além disso, apresenta gases inertes como nitrogênio, gás carbônico e, às vezes, hélio. A
composição do gás natural também apresenta algumas variações, de acordo com a sua
origem e o seu processamento. Abaixo vide a tabela 1, composição volumétrica dos
gases naturais:
Tabela 1- Composição volumétrica dos gases naturais (%)
Componente GN de Campos GN de Santos GN da Bolívia
Metano 89,35 88,321 91,800
Etano 8,03 6,064 5,580
Propano 0,78 3,073 0,970
Iso-Butano 0,04 0,443 0,030
N-Butano 0,03 0,704 0,020
Pentano 0,01 0,273 0,100
Hexano e superiores - 0,080 -
Dióxido de carbono 0,48 0,157 0,800
Nitrogênio 1,28 0,683 1,420
2.3 Combustão dos gases
Cerca de 21% do ar atmosférico é oxigênio. Muitos materiais reagem com o oxigênio e
essa reação é chamada de oxidação. A oxidação de metais é algo comum onde todos os
dias esse processo acontece. Geração de calor também acontece por esse processo,
quando o oxigênio reage com uma substância para produzir uma grande quantidade de
calor rapidamente (e na maioria das vezes luz), esse processo é chamado de combustão
ou queima.
A combustão é uma reação química de oxidação de componentes combustíveis. Por esse
caminho ela pode ser representada por uma equação química que é caracterizada pela
velocidade com que ela ocorre. Os reagentes da combustão são combustíveis e ar. As
substâncias formadas da reação são chamadas de produtos ou produtos da combustão.
A combustão é uma reação exotérmica e que pode liberar energia na forma de calor. Ela
também pode produzir luz, energia mecânica e som.
19
2.3.1 Poder calorífico dos gases
O valor de poder calorífico é uma característica que merece a atenção em um gás
combustível, podendo ser expresso no sistema internacional (kJ/Nm³) (veja a tabela 2).
O valor de poder calorífico superior (PCS) do gás combustível é o resultado final da
quantidade de calor gerado através de uma quantidade gás com a quantidade
correspondente de ar estequiométrico, ambos a 15,6 ºC (60 ºF) antes de queimar, este
calor é medido até que os produtos da combustão estejam novamente a 15,6 ºC. Assim,
a água gerada pela queima (presente no hidrogênio) no combustível estará no estado
líquido. O valor de poder calorífico inferior (PCI) é calculado usando o PCS menos o
calor latente de vaporização da água formado pela combustão do hidrogênio presente no
combustível. Conseqüentemente, um gás combustível que não tenha o hidrogênio em
sua composição, terá o mesmo valor de PCS e PCI, como por exemplo, o monóxido de
carbono.
Tabela 2 – Poder calorífico dos gases (CNTP)
GÁS kJ/Nm³ kJ/kg
PCS PCI PCS PCI
Hidrogênio
12749 10742,6 141656,02 119359,9
Metano
39835,4 35822,6 55527,12 49934,28
Etano
69806 63954 51832 47443
Eteno ou etileno
63118 59356 50243,6 47108,6
Gás natural de Campos
42050,8 37996,2 67741,08 61203,56
Gás natural de Santos
44671,66 40428,96 66691,9 60359,2
Gás natural da Bolívia
41624,44 37590,74 68944,92 62265,28
Propano
101156 93005 50285,4 46314,4
Propeno ou propileno
93632 87362 48906 45729,2
n-Butano
133342 122892 49449,4 45687,4
iso-Butano
132506 122056 49365,8 45562
Buteno-1
124982 116622 48404,4 45269,4
iso-Pentano (líquido)
- - 48488 44851,4
GLP (médio)
117040 107739,5 49825,6 45967,46
Acetileno
58436,4 56388,2 49875,76 48128,52
Monóxido de carbono
12598,52 12598,52 10077,98 10077,98
20
2.3.2 Massa específica e densidade relativa do gases
A massa específica e a densidade relativa de um gás combustível é uma característica
importante sob o ponto de vista da segurança, além de participar de muitos cálculos
como dimensionamento de tubulações, vazões e fatores de correção.Os gases com
densidades superiores à do ar atmosférico, no caso de vazamento ou drenagem,
apresentam a tendência de se acumularem temporariamente em partes baixas, como
subsolos e rebaixos no piso ou nas edificações, infiltrando-se ainda em aberturas como
bocas de lobo, valetas, poços e galerias subterrâneas. Já os gases mais leves que o ar, ao
serem liberados na atmosfera, tendem a subir e se acumular temporariamente em partes
elevadas como abóbadas e ou se infiltrarem em aberturas superiores nas edificações. O
acúmulo de gases combustíveis em ambientes confinados ou mal ventilados pode causar
um acidente desde que ocorra uma condição de ignição. A tabela 3 apresenta a massa
específica e a densidade relativa para os diferentes gases:
Tabela 3 - Densidades dos gases combustíveis (CNTP)
GÁS Massa específica Densidade relativa
(kg/m³) ao ar (adimensional)
Ar 1,29 1,00
Hidrogênio 0,09 0,07
Metano 0,72 0,56
Etano 1,35 1,05
Eteno (ou etileno) 1,26 0,98
Gás natural de Campos 0,79 0,61
Gás natural de Santos 0,83 0,64
Gás natural da Bolívia 0,78 0,60
Propano 2,01 1,56
Propeno (ou propileno) 1,91 1,48
n-Butano 2,69 2,09
iso-Butano 2,68 2,08
Buteno-1 2,58 2,00
GLP (médio) 2,35 1,82
Acetileno 1,17 0,91
Monóxido de carbono 1,25 0,97
21
2.3.3 Número de Wobbe
O Número de Wobbe, também chamado de Índice de Wobbe, representa o calor
fornecido pela queima de gases combustíveis através de um orifício submetido a
pressões constantes, a montante e a jusante desse orifício. A pressão do gás a montante
do orifício é aquela fornecida ao queimador e a pressão a jusante é a da câmara de
combustão, normalmente a pressão atmosférica ou valores próximos dela, positivos ou
negativos. Os Números (ou Índices) de Wobbe são definidos como:
Wsuperior = poder calorífico superior em volume / (densidade relativa ao ar)
1/2
(1)
Winferior = poder calorífico inferior em volume / (densidade relativa ao ar)
1/2
(2)
As unidades dos Números de Wobbe são as mesmas unidades que expressam o poder
calorífico, já que a densidade relativa ao ar é adimensional. Porém, apesar de possuírem
as mesmas unidades, as conceituações físicas do Número de Wobbe e do Poder
Calorífico são diferentes. O Número de Wobbe tem diversas aplicações como cálculo de
injetores de gases combustíveis para queimadores e cálculo de misturas de ar e propano
para substituição de gás natural.
22
Tabela 4 - Números de Wobbe dos gases combustíveis (CNTP)
GÁS Nº de Wobbe Superior Nº de Wobbe Inferior
(kJ/m³) (kJ/m³)
Hidrogênio
48187,04 40604,52
Metano
53232,3 47869,36
Etano
68125,64 62411,58
Eteno (ou etileno)
63757,54 59957,92
Gás Natural de Campos
53658,66 48475,46
Gás Natural de Santos
55623,26 50339,74
Gás Natural da Bolívia
53646,12 48450,38
Propano
80991,68 74462,52
Propeno (ou propileno)
76966,34 71812,4
n-Butano
92235,88 85004,48
iso-Butano
91876,4 84632,46
Buteno-1
88373,56 82463,04
GLP (médio)
86755,9 79863,08
Acetileno
61257,9 59109,38
Monóxido de carbono
12790,8 12790,8
2.3.4 Temperatura mínima de auto-ignição
A temperatura mínima de auto-ignição é uma temperatura limite, a partir da qual uma
mistura de um gás combustível e um comburente se reagem espontaneamente, quer
dizer, sem a presença de uma chama piloto ou centelha. Essa temperatura é muito
importante para o estabelecimento das condições de proteção contra a falta de chama no
interior de câmaras de combustão. As normas da ABNT – Associação Brasileira de
Normas Técnicas – estabelecem a temperatura de 750ºC nas superfícies internas da
câmara de trabalho como fronteira entre os processos de baixa e alta temperatura. Nos
processos acima de 750ºC, estando garantida a auto-ignição da mistura ar-gás com
alguma margem de segurança, as exigências aos sistemas de proteção contra falta de
chama são menos intensas.
23
Tabela 5 - Temperaturas mínimas de auto-ignição na pressão atmosférica, em ºC
GÁS COMBURENTE
Ar (ºC) Oxigênio (ºC)
Metano 580 555
Etano 515 -
Propano 480 470
Butano 420 285
Monóxido de carbono 630 -
Hidrogênio 570 560
Acetileno 305 296
2.3.5 Temperatura adiabática de chama
A temperatura adiabática de chama é aquela que seria atingida na condição hipotética,
onde a combustão ocorreria em um sistema termicamente isolado, sendo que todo o
calor liberado pela queima seria utilizado no aquecimento dos próprios produtos da
combustão. Na realidade, as temperaturas efetivas da chama são inferiores às
respectivas temperaturas adiabáticas, pois, a partir do momento em que a chama se
estabelece, inicia-se um processo de troca de calor da chama com o meio onde ela se
propaga, fazendo com que apenas parte do calor liberado seja utilizado para o
aquecimento dos produtos da combustão. Veja tabela 6, temperatura adiabática de
chama para os diferentes gases:
Tabela 6 – Temperatura adiabática de chama (gás, ar e oxigênio a 20ºC)
GÁS a 20ºC COMBURENTE a 20ºC
Ar (ºC) Oxigênio (ºC)
Metano 1957 2810
Etano 1960 -
Propano 1980 2820
Butano 1970 -
Hidrogênio 2045 2660
Acetileno 2400 3100
Segundo KUO (1986), pode-se considerar um processo de combustão adiabática que
ocorre sem trabalho, sem troca de calor com o meio ambiente. É a máxima temperatura
24
que pode ser gerada pelos reagentes, porque não há nenhuma transferencia de calor
pelos reagentes e não há nenhuma combustão incompleta que possa diminuir a
temperatura dos produtos da combustão. A temperatura adiabática pode ser controlada
com a quantidade de excesso de ar que está sendo usada na queima. Nas turbinas a gás
onde a temperatura máxima permitida é o limite dos materias das mesmas, dispositivo
de controle dos produtos da combustão é essencial. Abaixo segue um exemplo de
cálculo de temperatura adiabática de chama do vapor de água após a reação dos gases
H
2
e O
2:
2H
2
+ O
2
→ 2H
2
0 ∆h = - 570,9 kJ (3)
2H
2
0
(l)
→ 2H
2
0
(v)
∆h = + 87,8 kJ (4)
87,8 kJ = calor de vaporização, adicionando isso à expressão tem-se:
2H
2
+ O
2
→ 2H
2
0 ∆h = - 483,2 kJ (5)
Entretanto o calor gerado pela reação é 483,2 kJ. Se todo o calor gerado é usado para
aquecer os produtos da combustão, então:
(6)
2.1.6 Limite de flamabilidade
O limite de flamabilidade define a faixa de proporções onde uma mistura gás-
comburente entra em combustão quando submetida a uma condição de ignição. O limite
de flamabilidade também é chamado de limite de explosividade. A ocorrência de uma
combustão ou de uma explosão dependerá do grau de confinamento da mistura
inflamável e sua capacidade de aliviar a expansão dos gases gerada pela combustão. A
tabela 7 indica o limite de flamabilidade para os diferentes gases misturados com ar ou
oxigênio.
25
Tabela 7 – Limite de flamabilidade ou explosão (gás combustível, ar e oxigênio a 20ºC
e a pressão atmosférica)
GÁS COMBURENTE
Ar Oxigênio
Limites >> Inf. (%) Sup. (%) Inf. (%) Sup. (%)
Metano 5,0 15,0 5,0 60,0
Etano 3,0 12,4 3,0 66,0
Eteno (etileno) 2,7 36,0 2,9 80,0
Propano 2,8 9,5 2,3 45,0
Propeno (propileno) 2,0 11,1 2,1 52,8
Butano 1,8 8,4 1,8 40,0
Monóxido de carbono 12,0 75,0 - -
Hidrogênio 4,0 75,0 4,0 94,0
Acetileno 2,2 80 / 85(*) 2,8 93,0
(*) Valores apresentam divergência em fontes de consulta diferentes
Segundo KOU (1986) a pressão e a temperatura podem influenciar no limite de
flamabilidade de uma mistura ar mais gás. Com o aumento da pressão da mistura, esta
tem os limites superiores com suas extremidades aumentadas, porém há pouca
influencia nos limites inferiores com o aumento da pressão. Com o aumento da
temperatura também ocorre o aumento das extremidades dos limites de flamabilidade,
porém com menos influencia que a pressão.
Tabela 8 – Limites de Flamabilidade para diferentes gases segundo KUO (1986)
Combustíveis
Hidrocarbonetos
Volume de combustível em relação ao ar primário
na mistura (%)
Limite Inferior Limite Superior Estequiométrico
Metano - CH
4
5159,47
Heptano - C
7
H
16
1 6 1,87
Hidrogênio - H
2
4 74,2 29,2
Monóxido de Carbono - CO 12,5 74,2 29,5
Acetileno 2,5 80 7,7
Etano - C
2
H
4
2,82 15,34 5,64
Óxido Etileno - C
2
H
4
O 3 100 7,72
Propano - C
3
H
8
2,05 11,38 4,02
Metanol - CH
3
OH 5,88 49,94 12,24
26
2.1.7 Combustão e Produtos da Combustão
A queima dos gases combustíveis pode ser feita com ar atmosférico ou com oxigênio
puro. A constituição aproximada do ar atmosférico é a seguinte:
Em volume, 20,8% O
2
e 79,2% N
2
Em massa, 23% O
2
e 77% N
2
Abaixo a figura 4 mostra a reação química e os produtos da combustão do gás metano e
oxigênio considerando uma reação estequiométrica:
Figura 4 – Combustão do metano com oxigênio
Abaixo a figura 5 mostra a reação química e os produtos da combustão dos principais
gases e o oxigênio considerando uma reação estequiométrica:
27
Figura 5 - combustão dos principais gases e o oxigênio
Quando ocorre uma combustão incompleta, outros produtos aparecerão, como o
monóxido de carbono (CO) e aldeídos. Em queimadores de fogões domésticos sempre
existe o elemento CO. Leis brasileiras especificam um nível máximo de CO nos
queimadores. Atualmente esse nível é 0,15% para os queimadores de mesa e 0,20% para
os queimadores de forno. O nível de CO é um importante elemento no desenvolvimento
dos queimadores de fogão
CO é um gás tóxico e causa morte dependendo da quantidade quando inalado, ele não
possui cor nem odor.
Tabela 9 - Combustão estequiométrica dos gases com ar atmosférico (CNTP)
GÁS Ar de combustão Produtos da Combustão
(m³ ar / m³ gás) (m³ p.c. / m³ gás)
Monóxido de carbono 2,40 2,90
Metano 9,62 10,62
Acetileno 12,02 12,52
Eteno (etileno) 14,42 15,42
Etano 16,83 18,33
Propeno (propileno) 21,36 23,13
Propano 24,04 26,04
Buteno 28,85 30,85
Butano 31,25 33,75
Hidrogênio 2,40 2,90
28
Tabela 10 - Combustão estequiométrica dos gases com oxigênio puro (CNTP)
GÁS O
2
de combustão Produtos da Combustão
(m³ O
2
/ m³ gás) (m³ p.c. / m³ gás)
Monóxido de carbono 0,50 1,00
Metano 2,00 3,00
Acetileno 2,50 3,00
Eteno (etileno) 3,00 4,00
Etano 3,50 5,00
Propeno (propileno) 4,50 6,00
Propano 5,00 7,00
Buteno 6,00 8,00
Butano 6,50 9,00
Hidrogênio 0,50 1,00
2.1.8 Poluentes
Todas as normas específicas de fogão a gás especificam limites para a formação do
monóxido de carbono. Este gás é altamente tóxico, e segundo ALM (1994) uma
exposição prologada ao CO pode levar à morte. Dois fatores são importantes na
absorção de monóxido de carbono pelo sangue: a quantidade de carbono presente no ar
e o tempo de exposição da pessoa. Os óxidos de nitrogênio são também gases muito
tóxicos, segundo JONES (1994), WILLIANS (1992) e NISHIOKA (1994). Com relação
a queimadores de fogão, a produção de óxidos de nitrogênio não é significativa, pois
este requer uma temperatura superior a 1100
o
C para que reaja com o oxigênio. No caso
de queimadores de mesa descobertos, a produção é desprezível considerando um
queimador, porém, se for considerado a produção de óxido de nitrogênio em todos os
fogões do mundo, com certeza os números serão outros.
Somente a norma russa para fogões especifica os limites para óxidos de nitrogênio.
Visto que a preocupação ambiental aumenta a cada dia, é provável que no futuro as
normas de outros paises também passem a controlar os óxidos de nitrogênio, outro
produto poluente gerado pela combustão.
29
2.1.9 Velocidade de chama
A velocidade de chama é uma característica muito importante no desenvolvimento de
queimadores. Enquanto a velocidade de saída da mistura ar-gás ou o oxigênio-gas do
queimador tende descolar a chama do queimador, a velocidade de chama vai ao sentido
oposto (para dentro do queimador). Quando houver um equilíbrio entre estas
velocidades, a chama estará estabilizada, definindo as potências de cada queimador. A
potência do queimador é dada em função de algumas dimensões do injetor como o
diâmetro do furo por onde passa o gás e o perfil interno. Os projetos de queimadores
incluem dispositivos para manter a chama sempre constante em uma escala de potência
e velocidades de saída respectivas do ar-gás e oxigênio-gas das misturas. Se a
velocidade de saída no pórtico do queimador for maior que a velocidade de chama
provavelmente ocorrerá um problema chamado descolamento de chama, por outro lado
se a velocidade de chama for maior que a velocidade de saída ocorrerá um problema
chamado flashback. A figura 6 mostra o flashback e a 7 mostra o descolamento de
chama.
Figura 6 – Flashback Figura 7 – Descolamento de chama
Na figura 6 é possível visualizar que a velocidade de chama é maior que a velocidade de
saída da mistura ocorrendo o flashback onde a chama fica queimando dentro do
queimador levando o material do mesmo a fundir em alguns casos, tornando um
problema de segurança para o usuário. Na figura 7 ocorre o inverso onde a chama
descola-se do queimador podendo até gerar a extinção da mesma ocasionando um sério
30
problema de segurança caso o fogão não tenha um dispositivo de segurança que corte a
vazão de gás caso a chama se apague.
Segundo KUO (1986), a velocidade de chama é maior para os gases que possuem a
cadeia carbônica menor e vice-versa. A tabela 11 mostra as velocidades de chama para
os diferentes gases:
Tabela 11 - Velocidade de chama para os diferentes gases
GÁS COMBURENTE
Ar (m/seg) Oxigênio (m/seg)
Metano 0,5 3,9
Propano 0,45 / 0,5 3,3 / 3,9
Butano 0,35 3,3
Acetileno 1,46 7,6
Hidrogênio 2,66 14,35
Abaixo seguem os efeitos das variáveis físicas e químicas na velocidade de chama:
2.1.10 – Efeito da mistura ar mais combustível
Segundo KUO (1986), a variação da temperatura é responsável por variar a velocidade
de chama dependendo da proporção da mistura ar mais combustível. Para os
hidrocarbonetos o pico da temperatura de chama ocorre na mistura estequiométrica. É
aceitável assumir que a máxima temperatura se dá máxima velocidade de chama.
Abaixo segue um gráfico (figura 8) mostrando os picos de temperatura para as
porcentagens de combustível na mistura com o ar primário:
31
Figura 8 – A variação de velocidade da chama em função das misturas ar e
combustíveis para diferentes combustíveis, KUO (1986)
2.1.11 – Efeito do número de carbono na velocidade de chama
Segundo KUO (1986), a quantidade de carbonos também afeta a velocidade de chama.
Quanto maior o número de carbono na molécula, menor a velocidade da chama. O
gráfico da figura 9 mostra esse fato. Nota-se que não foi colocado o metano (um
carbono), pois este combustível é o que apresenta maior dificuldade em queimar a
presença de 4 heterogêneos por carbono.
Figura 9 – Efeito do número de carbono na velocidade de chama, KUO (1986)
32
2.1.12 – Efeitos dos aditivos na velocidade de chama
Segundo FERNANDES (1999) Algumas substâncias agem como catalisadores para a
reação de combustão, a presença do vapor de água na reação de combustão do CO afeta
a velocidade da chama reduzindo sua velocidade. No caso específico de fogões, a única
substância que afeta a chama como catalisador é a umidade relativa.
2.1.13 – Temperatura inicial dos reagentes
Segundo KUO (1986), Dugger et al conduziu uma série de experimentos mostrando a
relação da velocidade de chama com a temperatura inicial dos reagentes para três
misturas. A figura 10 mostra o comportamento das curvas de velocidade de chama para
essas três misturas em função do aumento da temperatura
Figura 10 – Efeito da temperatura inicial dos reagentes na velocidade de chama
2.1.14 – Influência da quantidade de ar primário na velocidade da chama
Segundo FERNANDES (1999) os gases combustíveis misturados ao ar primário saem
pelas portas do queimador com uma certa velocidade devido à diferença de pressão
entre a mistura e a atmosfera externa. Portanto é formado um perfil de velocidade do
escoamento de ar + combustível saindo do queimador. Do lado externo do queimador
forma-se um outro perfil semelhante, porém de sentido contrário, referente à velocidade
de chama em relação à mistura. Se não houver um equilíbrio entre essas duas
velocidades dois problemas podem aparecer: recolhimento de chama (flashback) ou o
33
descolamento de chama conforme já mostrados e mencionados na figura 6 e 7. Um
queimador de fogão funcionando adequadamente possui o equilíbrio entre estes perfis
de velocidade, de maneira que a reação de combustão ocorra a uma determinada
distância do queimador. Esta distância deve ser tal que esta frente formada pela
combustão não entre dentro do queimador, provocando o efeito denominado
recolhimento de chama, e de maneira que não se afaste do queimador, provocando o
efeito denominado descolamento de chama. E ainda a combustão deve ocorrer sem a
produção de monóxido de carbono excessivo, ou seja, além dos limites normalizados.
Este equilíbrio é influenciado pela porcentagem do ar primário presente na mistura a ser
queimada, pela velocidade com que o gás sai do queimador, pela quantidade de ar
secundário até a chama, pela umidade relativa do ar, pelo combustível a ser queimado,
pela altitude, e pela presença de gases inertes diferentes daqueles encontrados no ar que
por ventura venham a alterar o ar primário ou secundário.
Se a pressão do gás aumentar, uma quantidade maior de gás sairá do injetor. Como a
área de saída é fixa, a velocidade do gás será maior e uma quantidade maior de
combustível entrará no queimador. Uma quantidade maior de ar tenderá a ser arrastado.
Porém, o tubo venturi e as portas para entrada do ar primário também possuem suas
dimensões fixas. Existe um limite de escoamento que se for extrapolado, prejudica a
capitação de ar primário. Outro limitante é a área total de saída das portas do queimador
que também são fixas e foram definidas para um determinado escoamento. Se a
velocidade for maior na saída do queimador existe a tendência de se captar mais ar
secundário, porém também existe um limite que se for extrapolado causará o
descolamento da chama. Outro fator é que a área total de saída para um escoamento de
gás + ar além do projetado provocará um aumento de pressão em todo o tubo venturi,
que dificultará a capitação do ar primário.
Se ocorrer excesso de ar primário a chama tende a descolar ou soprar, conforme já
mostrado na figura 7, fazendo inclusive barulho. Está chama possui uma coloração azul
vivo, pela grande quantidade de oxigênio presente na combustão e pode ocorrer uma
oxidação forçada no fundo de panelas de alumínio, deixando estas com uma cor
marrom. Por outro lado a falta de ar secundário pode gerar chamas com pontas amarelas
ou completamente amarelas e sem distinção aumentando o produto da combustão CO e
causando fuligem deixando as panelas de alumínio pretas na parte inferior. CO e
fuligem são prejudiciais ao ser humano e podem levar a morte.
Abaixo seguem três figuras: (A) onde as chamas aparecem em seu estado normal, (B)
34
onde as chamas aparecem ligeiramente com as pontas amarelas e já começam perdem a
distinção, (C) onde as chamas estão totalmente amarelas e sem distinção alguma:
Figura (A) – Chamas normais
Figura (B) – Chamas com pontas amarelas
Figura (C) – Chamas amarelas e sem distinção
Figura 11 – formada pelas figuras (A), (B) e (C). Tipos de chama em função da
concentração da mistura
35
2.4 – Exemplo de projeto de queimador
Alguns conceitos da combustão já foram definidos, assim torna-se mais fácil entender
como funciona um queimador de fogão. A princípio, o gás combustível a uma pressão
positiva entra na garganta do venturi através do injetor e cria-se uma pressão negativa
em torno da entrada, assim o ar primário é carregado também para dentro do queimador.
Após a garganta do venturi, ar e gás primário são misturados e saindo nas portas do
queimador onde há uma quantidade grande de ar secundário (o ar do ambiente). Com
uma fonte de calor provavelmente a combustão começará. Para o desenvolvimento de
um bom queimador alguns fatores e teorias importantes não devem ser esquecidos,
como exemplo do flashback e o descolamento de chamas que dependem do diâmetro do
furo do injetor, da forma interna do injetor, do tamanho da região e a forma da região
onde o ar preliminar é coletado, da área das portas do queimador e das dimensões da
garganta do venturi. Os níveis de CO de um queimador são um fator de segurança, um
consumidor pode morrer intoxicado quando estiver usando um fogão, assim sendo esse
fator é algo muito delicado durante um projeto. A distância entre a panela e a chama é
um dos fatores que determinará o resultado do nível de CO, porque pode ocasionar uma
combustão incompleta (veja figura 13). O fator econômico de um fogão é seu
desempenho medido através do rendimento. Quanto gás um queimador gasta ao aquecer
um litro da água, por exemplo, é possível comparar e classificar de acordo com seu
desempenho. Atualmente no Brasil um desempenho bom pode chegar a 63% de
rendimento. Veja figura 12, um projeto de queimador:
36
Figura 12 – Um projeto de queimador
Figura 13 – Distância entre a chama e a panela pode causar combustão incompleta e CO
A figura 13 mostra como a distância da chama para a panela influencia na combustão. A
chama ficando muito próxima da panela pode interromper a reação de oxidação não
permitindo que a formação de radicais livres possa dar continuidade a reação em cadeia
de combustão e ocoasionando o surgimento de quantidades elevadas de CO e aldeídos.
Além disso fica prejudicado a circulação de ar secundário que participa da reação de
oxidação. Por outro lado se a chama estiver muito longe da panela estará sendo
prejudicado o rendimento do queimador, pois antes ocorrerá uma grande troca de calor
37
da chama com o meio ambiente. Existe um ponto ótimo que combina o menor nível de
CO com o maior rendimento.
Fica mais fácil de entender observando a figura 14, onde é mostrado as regiões de uma
chama, abaixo do cone externo é onde ocorre a combustão, se a panela interferir nessa
região provavelmente ocorrerá combustão incompleta e o surgimento de índices
elevados de CO e o aparecimento de fuligem. Por outro lado se a penela ficar longe do
manto externo provavelmente o queimador terá um baixo rendimento. É válido lembrar
que a quantidade de ar primário tem influência na velocidade de chama que por sua vez
modifica a altura da chama.
Figura 14 – Regiões de uma chama, AMERICAN GAS ASSOSSIATION (1996)
38
2.5 Principais tipos de chama
Chama fuliginosa
Normalmente utilizada para depositar fuligem em uma superfície, com as finalidades de
desmoldagem ou lubrificação.
O gás queima sem ar de pré-mistura, apenas arrastando o ar ambiente ao redor da
chama, ou então com uma pré-mistura em proporções mínimas com ar ou com oxigênio.
Chama redutora
É a chama que tem por objetivo a combustão incompleta do gás, com a presença de
monóxido de carbono (preferencialmente) e/ou hidrogênio nos produtos da combustão,
gerando uma atmosfera protetora contra a oxidação.
Este tipo de combustão é também chamado de combustão sub-estequiométrica, pois a
proporção de comburente é inferior aos valores indicados nas Tabelas 9 e 10.
Chama ligeiramente oxidante
É uma chama praticamente neutra, onde o teor de oxigênio nos produtos da combustão é
baixo, da ordem de 1 a 2%, para garantir a queima total do gás (embora sempre exista a
presença de traços de CO, da ordem de ppm). Para atingir este objetivo, o excesso de ar
de combustão deve ser da ordem de 5 a 10% acima das proporções estequiométricas
indicadas na Tabela 9.
Sob o ponto de vista de economia de combustível, esta é a forma mais eficaz de se
queimar um gás com a finalidade de geração de calor.
Chama oxidante
Algumas aplicações exigem uma atmosfera oxidante, como no caso de incineração e
outras aplicações onde se necessite garantir a queima do material a incinerar ou a não-
redução de óxidos metálicos.
As chamas oxidantes exigem o fornecimento de ar ou oxigênio em proporções
superiores aos valores indicados nas Tabelas 9 e 10. Por exemplo, para se obter uma
atmosfera com 7% de oxigênio, gerada por produtos da combustão, é necessário praticar
39
um excesso de ar de combustão da ordem de 50% acima dos valores indicados na
Tabela 9.
Geração de ar quente
Esta aplicação resume-se em queimar um gás combustível e diluir a temperatura dos
produtos da combustão com uma grande quantidade de ar, a fim de se produzir ar
quente, geralmente para processos de secagem. Deve-se tomar o cuidado para efetuar
esta diluição após a queima total do combustível, evitando-se o "congelamento" da
chama, ou seja, a paralisação da reação de combustão por baixa temperatura. Este
fenômeno da extinção da chama introduziria produtos da combustão incompleta no ar
quente, além de aumentar desnecessariamente o consumo do gás.
2.6 Vantagens do uso de gases combustíveis
São inúmeras as vantagens dos gases combustíveis, e por esse motivo sua utilização
vem crescendo ao longo do tempo, principalmente em substituição a energias nobres
como a elétrica por exemplo, em virtude muitas vezes de custos ou até menos agredir
menos o meio ambiente. Abaixo seguem alguns exemplos pela opção da utilização dos
gases combustíveis:
1. Permitir o contato direto dos produtos da combustão do gás com a carga a aquecer, o
que, com combustíveis líquidos, em alguns casos isso seria possível através de tubos
radiantes ou muflas. A grande vantagem é a redução do consumo de energia obtida com
o uso de um gás combustível, sem tubos radiantes nem muflas.
2. Conformação das mais diversas formas de chama, adequando-as com precisão aos
processos e aumentando a eficiência da transmissão de calor.
3. Facilidade de ignição, mesmo com a câmara de combustão fria.
4. Possibilitar regulagens finas nas temperaturas de processos.
5. Reduzir o custo de manutenção das tubulações de distribuição e seus acessórios, do
sistema de controle de potência, bloqueio de segurança, medição, dos queimadores e da
instrumentação.
6. Dispensar os sistemas de aquecimento e bombeio de óleos combustíveis pesados.
40
7. Praticar baixo nível de excesso de ar de combustão, otimizando o uso da energia e
reduzindo a formação de óxidos de nitrogênio (NOx).
8. Não contaminar o meio ambiente e prejudicar o desempenho e a vida útil dos
equipamentos com fuligem, óxidos de enxofre, vanádio, sódio, aldeídos, chumbo etc.,
como ocorre com combustíveis líquidos.
9. Gerar menos gás carbônico por caloria queimada, contribuindo de uma forma menos
acentuada para o efeito estufa.
2.7 Descrição do sistema de queima e normas
Como já apresentado os conceitos de combustão e queimadores de fogões domésticos,
esse capítulo irá abordar a utilização do ponto de vista econômico dos gases disponíveis
no mercado para queimadores de fogão e enfatizar mais uma vez a necessidade de se
medir a quantidade de ar primário que o queimador está consumindo a fim de se
conseguir o máximo de rendimento do mesmo.
Atualmente no Brasil utiliza-se basicamente 3 tipos de gases de uso residencial,
comercial ou industrial:
- GLP: Gás Liquefeito de Petróleo, encontrado em todo território nacional geralmente
armazenado em botijões.
- GN: Gás Natural, encontrado nos grandes centros urbanos com maior incidência nos
estados de São Paulo e Rio de Janeiro, normalmente é fornecido até o consumidor
através de tubulações.
- GR ou GM: Gás de Rua ou Gás Manufaturado, encontrado somente em alguns
lugares do Rio de Janeiro, é um gás que aos poucos está sendo substituído pelo GN.
Também é fornecido para o consumidor através de tubulações.
O GLP é o mais utilizado, cerca de 90% das residências no Brasil utilizam esse gás
como combustível para fogão, é composto principalmente pelos gases Butano e
Propano, mas pode-se encontrar em sua composição até mesmo o metano (em pequena
quantidade). Não existe um controle ou especificação da companhia distribuidora de gás
das quantidades das substâncias presentes nos botijões de GLP. Todos ensaios
referentes ao desenvolvimento de queimadores são realizados com os dois principais
gases que formam o GLP (Butano e Propano), Para cada tipo de ensaio no
41
desenvolvimento dos queimadores é utilizado um determinado gás, levando em
consideração sempre que aquele gás é o mais crítico para aquele ensaio. Por exemplo, a
cadeia carbônica do Butano é maior que a do Propano, o produto da combustão
monóxido de carbono que é prejudicial ao ser humano vai ser maior, então o ensaio para
determinar o nível de CO de um queimador é feito com o gás Butano. Por outro lado a
velocidade de queima do Propano é maior que a do Butano, então no ensaio de
descolamento de chama utiliza-se o Propano. Todos os ensaios estão especificados na
norma NBR 13723-01 referente à desenvolvimento de fogões domésticos.
Do ponto de vista econômico e comercial todos os fogões somente podem ser
comercializados mediante autorização do INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia,
Normalização e Qualidade Industrial) que se baseia nas normas brasileiras (NBR) para
autorizar, medir, aferir, aprovar os produtos a serem vendidos à consumidores.
Segundo o INMETRO, os produtos Pré-Medidos e os Instrumentos de Medição são
regulamentados para garantir a correção das medidas utilizadas nas transações
comerciais. Quando a utilização de um produto pode comprometer a segurança ou a
saúde do consumidor, o INMETRO ou órgão regulamentador pode tornar compulsória a
avaliação da conformidade desse produto. Isso aumenta a confiança de que o produto
está de acordo com as normas e com os regulamentos técnicos aplicáveis. Também
desenvolvido pelo INMETRO, o Programa de Análise de Produtos informa aos
consumidores se os produtos estão de acordo com as normas. Através desse programa, o
INMETRO identifica se há necessidade de propor ações que levem à melhoria do nível
de qualidade do setor, não tendo, portanto, caráter fiscalizador. Um dos grande desafios
do INMETRO é envolver o consumidor no processo de melhoria da qualidade dos
produtos e serviços comercializados no Brasil, contribuindo para a formação de um
consumidor que exerça sua cidadania, exija seus direitos e cumpra com suas
responsabilidades na relação com os fornecedores, um papel decisivo nesse processo.
Para isso, o INMETRO vem desenvolvendo o Projeto Educação para o Consumo, com
várias ações nesse sentido, como o Portal do Consumidor, lançado em março de 2002,
que reúne uma ampla quantidade de informações relacionadas ao consumo, além de sala
de notícias, enquetes educativas e lista com mais de 400 Procons cadastrados.
Atualmente todos fogões nacionais e importados passam por uma avaliação de
conformidade compulsória através do INMETRO.
Outra ação do INMETRO é referente à conservação de energia e a criação de Programa
Brasileiro de Etiquetagem (PBE) que mostra para o consumidor a eficiência energética
42
de cada equipamento através de etiquetas de fácil visualização coladas nos produtos, o
mesmo pode optar pela compra de um produto que é mais econômico em relação á
outro. Segundo o INMETRO é o programa de conservação de energia, que atua através
de etiquetas informativas, com o objetivo de alertar o consumidor quanto à eficiência
energética de alguns dos principais eletrodomésticos nacionais onde o fogão também é
classificado como um eletrodoméstico. O PBE é decorrente do protocolo firmado em
1984 entre o então Ministério da Indústria e do Comércio e a Associação Brasileira da
Indústria Elétrica e Eletrônica - ABINEE, com a interveniência do Ministério das Minas
e Energia.
O Programa Brasileiro de Etiquetagem visa prover os consumidores de informações que
lhes permitam avaliar e otimizar o consumo de energia dos equipamentos
eletrodomésticos, selecionar produtos de maior eficiência em relação ao consumo, e
melhor utilizar eletrodomésticos, possibilitando economia nos custos de energia.
A adesão ao Programa Brasileiro de Etiquetagem é voluntária. Só são feitos testes com
os produtos dos fabricantes que querem fazer parte do PBE. A partir dos resultados, é
criada uma escala onde todos serão classificados. Esses testes são repetidos
periodicamente, a fim de atualizar a escala. Com isso, o Programa incentiva a melhoria
contínua do desempenho dos eletrodomésticos, buscando otimizar o processo de
qualidade dos mesmos. Isso estimula a competitividade do mercado, já que, a cada nova
avaliação, a tendência é que os fabricantes procurem atingir níveis de desempenho
melhores em relação a avaliação anterior.
Selo do prêmio nacional de conservação de uso racional de energia do Procel
Esse selo é concedido anualmente como forma de premiação aos equipamentos que
estejam etiquetados no âmbito do PBE e que tenham obtido classificação "A", ou, no
caso dos motores elétricos trifásicos, que tenham um rendimento igual ou superior a
limites estabelecidos. Atualmente, recebem este selo: fogões, refrigeradores de uma
porta, refrigeradores combinados, refrigeradores Frost-Free, congeladores verticais,
congeladores horizontais, aparelhos de ar condicionado do tipo split e de janela, motores
elétricos de indução trifásico de potência até 10 CV, e coletores solares de plano.
Atualmente todos fogões nacionais e importados necessitam estar com a etiqueta de
eficiência energética para serem comercializados, é uma media compulsória. Nos fogões
43
a etiqueta mostra a eficiência dos queimadores de mesa e forno e suas respectivas
classificações. A Figura 15 mostra um exemplo da etiqueta fixada nos fogões.
Figura 15 – Etiqueta do PBE para fogões domésticos.
Basicamente existem dois campo onde um é medido o rendimento médio de todos os
queimadores de mesa que podem ser classificados de “A” até “G” e o outro onde é
medido o consumo de manutenção do forno, que é uma quantidade de gás para manter
aquecido um forno em uma determinada temperatura por um tempo, também segue a
mesma classificação que os queimadores de mesa.
44
3 Proposição
Fica evidente que é bastante interessante saber a vazão de ar primário consumida pelo
queimador pois esta tem influência direta em respostas como velocidade de chama,
limites de flamabilidade, níveis de CO, enfim, em quase todas as variáveis de um
queimador. Medir fisicamente esse dado é de extrema importância na qual essa é a
proposta do trabalho que inicialmente busca trazer uma pesquisa de medidores que
podem ser utilizados para mensurar essa quantidade.
3.1 Estado da arte
Atualmente existem no mercado medidores de vazão que utilizam o principio da bolha
de sabão, são medidores com grande precisão e na maioria das vezes podem ser
construídos com um baixo custo. Alguns deles são até utilizados para fazer calibração
de rotâmetros. Um exemplo das diversas áreas que esses medidores são aplicados e a
utilização de um deles para medir a vazão de gases combustíveis, como um
comercializado por um fabricante dos EUA, o “Bubble-O-Meter” que pode medir
volumes de até 1000 ml. Construído de forma simples, onde existe um tubo de vidro
transparente com duas marcas por onde a bolha de sabão caminha, através de um
cronômetro mede-se o tempo que a bolha leva para caminhar entre as duas marcas. O
diâmetro do tubo e a distância entre as marcas é conhecido e com a medição do tempo
obtêm-se dessa forma a vazão. O Custo de um medidor desse tipo é baixo em função da
precisão com que ele pode medir, também utilizado para verificar micro vazamentos.
Na Figura 16 está sendo mostrado o corpo de vidro por onde a bolha caminha.
45
Figura 16 – Medidor de vazão utilizando bolha de sabão “Bubble-O-Meter"
Para medição de ar primário, muitos equipamentos estão disponíveis no mercado para
utilização em diversos ramos como indústrias, laboratórios, setor automobilístico, etc..
A própria central de injeção eletrônica que equipa os automóveis possui um medidor de
escoamento de ar primário que fica localizado no coletor de admissão chamado de MAF
(Mass Air Flow), mede diretamente a massa do ar admitida pelo motor. Está localizado
na entrada da tubulação de admissão junto ao suporte do filtro de ar. Pode ser analógico
ou digital. O sensor digital é alimentado pela Unidade de Comando Eletrônico-UCE
com uma tensão de referência de aproximadamente 5 volts VDC e "devolve" um sinal
de onda quadrada, cuja freqüência varia com a massa de ar admitida pelo motor. O
sensor analógico consiste em um tubo cujo interior possui um desvio (By-pass) onde
existem 2 elementos sensores ("fios ou filmes"); um aquecido (sensor de massa) e um a
temperatura ambiente. O fio aquecido é mantido a uma temperatura de
aproximadamente 200ºC maior que a do fio a temperatura ambiente. O escoamento de
ar admitido pelo motor provoca o resfriamento do fio quente (sensor), provocando uma
variação de sua resistência elétrica e um aumento da tensão medida pela UCE no fio de
sinal do sensor. Quanto maior for o escoamento de ar, maior será a tensão enviada para
a UCE. Portanto, a massa de ar admitida pelo motor é estimada em função do calor
46
perdido pelo fio quente sensor. Quando não há escoamento de ar, a tensão enviada pelo
sensor é de aproximadamente 0 volts VDC e em marcha-lenta deve estar entre 0,6 e 1,3
VDC (com o motor aquecido). O medidor de massa de ar é de grande confiabilidade,
eficiência e precisão, porque além de medir diretamente a massa do ar admitido, não
possui mecanismos (palhetas, cabes etc.) que obstruem o escoamento do ar, diminuindo
a capacidade de admissão do motor. Veja Figura 17 esquema do MAF e o gráfico de
resultados gerado por ele.
Figura 17 - Esquema do MAF e o gráfico de resultado gerado por ele.
47
Outro exemplo pesquisado de construção simples é para medição de escoamento de ar
no sistema de aeração e secagem de grãos, ele utiliza-se de materiais simples como
PVC. Esse medidor de vazão de ar trabalha através de um flutuador que fica interno a
um tubo de PVC que se movimenta conforme o escoamento do ar passa por ele, e, que
por sua vez aciona um ponteiro fazendo a medição em uma escala. Esse equipamento
deve ser antes calibrado por um anemômetro. Veja Figura 18 o esquema do medidor de
vazão de ar.
Figura 18 - Esquema do medidor de vazão de ar para aeração e secagem de grãos.
Para medições mais precisas em tubulações de ar comprimido é usado um equipamento
de leitura digital, que fica acoplado sobre o tubo e através de dois sensores que entram
por dois pequenos furos é feita a medição da velocidade do escoamento de ar. Esses
sensores são pontas metálicas onde uma está mais aquecida que a outra e através da
perda de calor pode-se calcular a velocidade. O diâmetro do tubo é conhecido e deve ser
informado ao equipamento que faz o cálculo da vazão. Segundo a CDI METERS,
fabricante do equipamento. Abaixo segue a Figura 19 mostrando o equipamento.
48
Figura 19 - Medidor de vazão para ar comprimido
Outro equipamento, um anemômetro para medição de baixas velocidades (0.1 m/s a
10m/s) também trabalha com o conceito de fio quente onde o escoamento de ar passa
pelo fio e o resfria. Porém o objetivo e manter sempre a mesma temperatura, e, que para
isso ocorrer o equipamento aumenta a corrente, quanto mais o escoamento de ar
aumenta, mais a corrente aumenta para manter o fio sempre na mesma temperatura. A
velocidade do escoamento é dada em função da variação da corrente. Com esse aparelho
pode-se fazer a leitura em diferentes pontos do tubo e ele extrai a media
automaticamente, conforme uma nova leitura é feita, a nova média é calculada
automaticamente. Como a área do tubo é conhecida é possível calcular a vazão do
escoamento de ar. A precisão do equipamento é de 1%. Segundo o fabricante TOPAC.
Vide Figura 20
Para velocidades e temperaturas maiores (1.5m/s a 58m/s e temperatura maior que
600°C) utiliza-se um medidor de velocidade que trabalha com um tubo de Pitot que
também mede temperatura e pressão do escoamento. Vide Figura 21
49
Figura 20 – Anemômetro de fio quente Figura 21 – Anemômetro com tubo de Pitot
50
4 Material e método
4.1 Descrição especifica do queimador utilizado no desenvolvimento da pesquisa
O queimador utilizado para a medição do consumo de ar primário é um item já
desenvolvido, aprovado e utilizado em alguns fogões que estão no mercado. Para o
desenvolvimento desse queimador partiu-se de uma pergunta feita à consumidores que
futuramente iriam utilizá-los. Para uma pessoa que está utilizando um fogão não
interessa saber qual a potência, o rendimento ou o nível de CO do mesmo e sim que ele
atende as expectativas de eficiência e acima de tudo seja seguro e não cause nenhum
tipo de acidente ao consumidor.
A resposta de eficiência ideal para o consumidor e convertida para linguagem de
Engenharia, é que o queimador possa fazer que 1 litro de água entre em ebulição em 5
minutos. Através dessa informação pode-se calcular a potência:
Dados:
Massa de água – 1 kg
Massa de uma panela de alumínio padrão – 0,6 kg
c
p
da água – 4180 J/kgK
c
p
da panela - 900 J/kgK
Temperatura ambiente – 293 K
Temperatura de fervura da água – 373 K
Calculando-se a quantidade de calor têm-se:
Q = M. c
p
.∆T (7)
Pode-se calcular a quantidade necessária de calor para que um litro de água entre em
ebulição considerando a massa de água e de alumínio.
Simplificações:
Considerado os c
p
´s constantes durante o processo de ebulição
A água irá entrar em ebulição a 100
o
C
Desconsiderado demais perdas de energia ao longo do aquecimento
51
Q água = 334400 J
Q água = 334,4 kWs
Q panela = 43200 J
Q panela = 43,2 kWs
Q total = 377,6 kWs
Considerando 5 minutos para a água entrar em ebulição, então obtêm-se:
Potência efetiva = 1,259 kW
Assumiu-se um rendimento para esse queimador de 63%, obtêm-se dessa forma:
Potência nominal = 1,998 kW
Potência nominal especificada do queimador = 2 kW
Rendimento de 63%
Segundo a NBR 13723-1 para determinação da potência nominal tem-se a seguinte
expressão:
Pn = 0,278.Mn.PCS (8)
Ou
Pn = 0,278.Vn.PCS (9)
Onde
Pn – potência nominal
Mn – vazão mássica nominal
Vn – vazão volumétrica nominal
PCS – poder calorífico superior do gás de referência (mássico - MJ/kg) ou (volumétrico
- MJ/m3).
52
As vazões mássica e volumétrica correspondem à medida de um fluxo de gás de
referência sob condições de referência, ou seja, assumindo que o gás é seco a 15°C e
sob uma pressão de 101,33 kPa (1013,25 mbar). Na prática, os valores obtidos durante
os ensaios não correspondem àquelas condições de referência, sendo então corrigidos e
levando-os àqueles valores que poderiam ter sido obtidos se durante o ensaio existissem
na saída do injetor as condições-padrão. Dependendo se a vazão corrigida foi obtida
pela vazão mássica ou pela vazão volumétrica, a vazão corrigida é calculada pelas
seguintes equações:
a) determinação pela massa:
M
0
/ M = [(101,33+P) / (Pa+P) . (273,15+Tg) / 288,15 . dr / d]
1/2
(10)
b) determinação pela massa:
V
0
/ V = [(101,33+P) / 101,33 . (Pa+P) / 101,33 . 288,15 / (273,15+Tg) . d / dr]
1/2
(11)
A vazão mássica corrigida é calculada pela seguinte equação:
M
0
= 1,226 . V
0
. dr (12)
Onde:
M
0
- vazão mássica sob as condições de referência, em quilogramas por hora
M - vazão mássica obtida sob as condições de ensaio, em quilogramas por hora
V
0
- vazão volumétrica sob as condições de referência em metros cúbicos por hora
V - vazão volumétrica obtida sob as condições de ensaio, em metros cúbicos por hora
Pa - pressão atmosférica local, em quilopascals
P - pressão de alimentação do gás no medidor, em quilopascals
Tg - temperatura do gás no ponto de medida, em graus Celsius
d - densidade relativa do gás utilizado seco (ou úmido: dh) relativo ao ar seco
dr - densidade relativa do gás de referência seco relativo ao ar seco
Estas equações devem ser usadas para calcular, da vazão mássica M ou vazão
volumétrica V, medida durante o ensaio, as vazões correspondentes Mo ou Vo, as quais
deveriam ser obtidas sob as condições de referência. Os valores M e V devem ser
transformados para as vazões horárias (Mn e Vn). Estas equações são aplicáveis se o
gás de ensaio utilizado for seco.
53
Pode-se utilizar algumas expressões para correção da vazão mássica ou volumétrica se
os valores de temperatura, pressão de armazenamento e umidade do gás não estiverem
de acordo com os valores apresentados acima.
Para o queimador referido é utilizado para a entrada do gás no queimador um injetor
padrão de mercado de diâmetro 0,70 mm conforme mostra a Figura 22 em corte.
Figura 22 – Vista em corte do injetor de 0,70 mm rosqueado em um suporte
Quanto a determinação do rendimento do queimador, este depende de inúmeros fatores
tais como a qualidade da combustão da chama, altura da chama, inclinação da chama,
distância da panela até a chama, massa do sistema a ser aquecida, etc.. De acordo com a
norma NBR 13723-2 mede-se o volume de gás utilizado para aquecer uma massa de
água de 20
o
C +/- 1
o
C até 90
o
C +/- 1
o
C utilizando um tamanho de panela e a massa de
água de acordo com a potência nominal do queimador. Para um queimador de 2 kW
utiliza-se uma panela de diâmetro interno 260 mm com uma massa de água de 6,1 kg. A
expressão para o calculo do volume é a seguinte:
Vc = V. (Pa+P-W / 101,33).(288,15 / 273,15+Tg) (13)
Onde:
V - volume lido, em metros cúbicos, nas condições de ensaio
Pa – pressão atmosférica local, em kPa
P – pressão de alimentação de gás no medidor em kPa
Tg – temperatura do gás no ponto de medida em graus Celsius
W – pressão de vapor de água á temperatura tg em kPa, calculada pela seguinte
expressão:
W = e
(x)
/ 10 (14)
54
Onde:
e – número de Néper
x – é calculado pela seguinte expressão:
x = 21,094 – (5262 / 273,15+Tg) (15)
O rendimento deve ser calculado utilizando-se a seguinte expressão:
n = 4,186x10
-3
.M.(t2-t1 / Vc.H).100 (16)
Onde:
n – rendimento em porcentagem
T1 – temperatura inicial da massa de água, em gruas Celsius
T2 – temperatua final da massa de água considerando a inércia, em graus Celsius
H – poder calorífico do gás utilizado, em MJ/m
3
M – massa equivalente da panela, deve ser calculada pela seguinte expressão
M = M1+0,213.m (17)
Onde:
M1 – massa de água utilizada em kg
m – massa de alumínio da panela e sua tampa em kg
Para esse tipo de queimador a norma determina que o rendimento deve ser no mínimo
52%, porém o INMETRO através do Programa Brasileiro de Etiquetagem classifica e
informa o consumidor através de uma etiqueta colada no fogão a eficiência dos
queimadores, o que força os fabricantes buscarem sempre a classificação de maior
eficiência, pois pode ser um item de decisão na compra de um produto.
Outra característica bastante importante no queimador é a quantidade de monóxido de
carbono combinada com a quantidade de dióxido de carbono, que são elementos dos
produtos da combustão. Segundo a NBR 13723-1 o nível máximo desses elementos
para um queimador de mesa utilizando a seguinte expressão deve ser:
CO [PPM] / CO
2
[%] x 0,0014 ≤ 0,15 % (18)
55
Para um queimador de forno o nível máximo desses elementos também é dado pela
seguinte expressão:
CO [PPM] / CO
2
[%] x 0,0014 ≤ 0,20 % (19)
Além desses parâmetros quantitativos citados, todos os ensaios de segurança devem ser
atendidos.
Para que esse queimador funcione é necessário criar um sistema em torno dele, onde
possa-se armazenar e conduzir o gás, permitir que a pessoa que estiver operando um
fogão possa abrir e fechar o escoamento de gás conforme sua necessidade e que possa
acender ou apagar a chama sempre que desejar. O sistema deve permitir que seja
enviado ao queimador a mistura ar e gás na quantidade e qualidade para que todos os
parâmetros quantitativos e a segurança do operador sejam atendidos, principalmente a
segurança, essa nunca deve ser questionada, deve ser cumprida. Segue abaixo a figura
específica do sistema de gás do queimador em estudo onde aparecem todos os
componentes, desde a tubulação por onde o gás entra e fica armazenado até chegar aos
registros que serão abertos ou fechados pelo operador. Quando o consumidor abre o
registro, o gás que está acumulado no tubo principal é liberado para ir até o injetor
através de um tubo de ligação secundário (nesse momento a vazão já é controlada pelo
registro). Quando o volume de gás chega ao injetor, a vazão, pressão e velocidade são
determinadas pela geometria e pelo diâmetro de saída do mesmo, no momento que o
escoamento começa entrar no tubo venturi do queimador cria-se uma pressão negativa e
uma certa quantidade de ar, chamado de ar primário entra junto com o gás e mistura-se
a ele criando dessa forma uma mistura chamada de gás + ar primário. Vide Figura 23:
56
Figura 23 – Sistema gás mostrando tubo principal de entrada de gás, registros, tubos de
ligação secundários, injetores e queimadores
A mistura gás + ar primário caminha pelo tubo venturi do queimador até chegar no topo
dele e encontrar as portas por onde sai com uma determinada velocidade e ao encontrar
uma fonte quente inicia-se a chama. Abaixo segue a Figura 24 onde é mostrado o
sistema desde a entrada da mistura no queimador até sua saída.
57
Figura 24 – Vista em corte mostrando o injetor e o queimador
Na região entre a saída do injetor e o começo do “tubo venturi” é feita a captação de ar
primário, é nesse ponto que com a velocidade de saída do gás do injetor cria-se uma
pressão negativa onde o ar é arrastado e misturado ao gás para dentro do tubo do
queimador. Essa mistura é importante para a determinação dos valores dos parâmetros
de rendimento, nível de CO e CO
2
, potência e segurança do queimador. O volume de
gás é facilmente medido, porém atualmente não se tem conhecimento da quantidade de
ar primário que está sendo arrastada e misturada ao volume de gás.
Tentando entender visualmente como é a entrada desse escoamento e a captação do ar
primário foi realizada um estudo em um software de volumes finitos, o CFX, mostrando
como se comporta a velocidade e a pressão nessa região entre o injetor e o tubo do
queimador. A Figura 25 mostra o comportamento da pressão, as cores indicam que a
região azul escuro é pressão negativa, a região verde é pressão zero e a vermelha é
pressão positiva. A Figura 26 mostra o comportamento da velocidade que inicia-se com
velocidade zero na região azul escuro aumentando até a velocidade máxima
representada pela cor vermelha.
Região para
captação do
ar primário
58
Figura 25 – Comportamento da pressão do gás + ar entre o injetor e o tubo do
queimador
Figura 26 – Comportamento da velocidade do gás + ar entre o injetor e o tubo do
queimador
59
4.2 Descrição do medidor de vazão de ar primário – objeto do estudo
Saber a quantidade de ar primário que está sendo consumida pelo queimador é antes de
tudo saber se a combustão está ocorrendo dentro dos limites de flamabilidade,
atualmente sabe-se que, se um determinado queimador estiver atendendo aos
parâmetros quantitativos e segurança especificados em norma, muito provavelmente ele
estará dentro do limite de flamabilidade, porém não se tem certeza, não há dados e fatos
que comprovem isso. Estar abaixo do limite de flamabilidade significa que não ocorrerá
combustão, estar acima significa que a combustão pode até ocorrer mais vai depender
da quantidade de ar secundário presente no momento da combustão. Quando a mistura
ar+gás está rica, ou seja a quantidade de gás está acima do especificado no limite
superior de flamabilidade pode-se ocorrer alguns fenômenos, como o surgimento de
chama amarela ou combustão incompleta e ocorrer o aumento dos níveis de CO e o
surgimento de fuligem. As tabelas 7 e 8 mostram os limites de flamabilidade para os
diferentes gases. Abaixo a Figura 27 mostra como se comporta o gráfico do limite de
flamabilidade para o gás natural:
Figura 27 – Gráfico dos limites de flamabilidade para o gás natural, AMERICAN GAS
ASSOSSIATION (1996)
60
A velocidade de chama de um queimador também depende da quantidade de ar primário
consumido, o pico da velocidade se dá no meio da região do limite de flamabilidade
onde a temperatura de chama é maior. Variar a velocidade de chama consequentemente
pode-se também alterar o direcionamento da mesma. Pode-se notar que a quantidade de
ar primário na mistura pode alterar características significativas em um queimador
influenciando em todos os parâmetros do mesmo. A Figura 28 mostra a curva da
velocidade de chama para o gás natural:
Figura 28 – Velocidade de chama para o gás natural, AMERICAN GAS
ASSOSSIATION (1996)
Para alguns queimadores é necessário a utilização de reguladores de ar que restringem a
passagem do ar primário. No mercado brasileiro geralmente os queimadores são
desenvolvidos para o GLP e na conversão para o GN ou GR utiliza-se regulador de ar
com dimensões determinadas. Conhecendo o limite de flamabilidade dos gases e a
quantidade de ar primário consumida torna-se mais fácil determinar as dimensões
desses reguladores de ar.
61
O propósito desse trabalho é justamente esse, poder conhecer o ar primário que está
sendo consumido pelo queimador através de uma medição física. Para tal foi proposto
um equipamento que tivesse as seguintes características:
- Grande precisão
- Baixo custo
- Conceito flexível que possa ser adaptado em qualquer queimador de fogão.
- Pode ser fabricado facilmente em um laboratório.
O medidor desenvolvido utiliza um filme de bolha de sabão que percorre um tubo com
volume fixo pré-determinado, um operador mede o tempo que esse filme leva para
percorrer o volume do tubo e consegue-se facilmente dessa forma o cálculo da vazão.
Na região onde ocorre a captação do ar primário, o único acesso é feito somente pelo
tubo por onde percorre o filme de sabão, cria-se dessa forma um pressão negativa que
arrasta o filme em direção ao local da captação do ar primário. Esse tubo por sua vez é
cilíndrico e transparente (feito de termoplástico acrílico), onde é possível enxergar o
filme de sabão e medir o tempo do seu trajeto. O tubo, antes de cada experimento, é
envolvido com detergente neutro (mesmo composto utilizado para fazer a solução que
vai gerar o filme de sabão) por dois motivos:
- Para que o filme não se rompa durante o trajeto no tubo
- Evitar atrito entre filme e parede do tubo
A solução de sabão e feita com os seguintes compostos: água, detergente neutro (tomou-
se o cuidado de utilizar em todos os experimentos a mesa marca de detergente) e açúcar
para aumentar a tensão superficial do filme. As quantidades ideais de cada composto
foram encontradas através de um delineamento de experimentos variando os mesmos e
como variável resposta observou-se a resistência da bolha de sabão (tempo antes do
rompimento e a coloração, quanto mais colorida maior a espessura e a tensão
superficial).
Utilizou-se um dispositivo para geração do filme de sabão na extremidade do tubo
oposta ao queimador. Esse dispositivo consiste em um pequeno reservatório com a
solução de sabão e um braço articulado com um circulo na ponta feito de arame, quando
o circulo de arame é mergulhado na solução é criado um filme em torno do mesmo, esse
filme é transferido para o tubo de acrílico através de ar comprimido quando o circulo
fica alinhado com o mesmo. Nesse momento o filme de sabão inicia seu trajeto em
62
direção ao queimador. Através de uma escala gravada na própria parede do tubo
consegue-se medir o tempo em função da distância. Pelas medições dos tempos pode-se
observar que o equipamento é bastante preciso e mantêm constância nas medições.
A escolha do filme de sabão como objeto para caminhar junto ao escoamento de ar
primário consumido pelo queimador foi feita pelos seguintes motivos:
- Baixa queda de pressão em relação à outros equipamentos
- Massa teórica zero (pouca influência no escoamento de ar primário)
- Mantém constância no trajeto
- Pequeno atrito com a parede, espessura do filme tende a zero e parede e envolvida
com detergente (mesmo composto do filme)
- Fácil visualização para o operador medir o tempo
- Fácil manuseio, composto é preparado sem nenhum equipamento ou conhecimento
específico
- Pouca interferência na chama.
63
4.3 Descrição técnica do equipamento medidor de vazão de ar primário de bolha
de sabão.
Abaixo segue a Figura 29 (corte transversal) mostrando em detalhes o funcionamento
do equipamento para medir a vazão de ar primário do queimador:
Figura 29 – Medidor de vazão de ar primário em corte transversal
64
Observando a Figura 29 nota-se que entre o injetor (31) e “tubo venturi” do queimador
(28) ocorre a captação do ar primário, no momento que o escoamento de gás deixa o
injetor é criada um pressão negativa que arrasta o ar primário. Essa região não tem
influência do ar externo, todo o ar que é captado está contido na caixa (11). A única
comunicação com o meio externo se dá pelo tubo transparente de acrílico (65) que é por
onde o ar primário entra para a caixa (11) e posteriormente captado pelo queimador.
O gás chega até o injetor (31) através de um tubo de ligação (50) que está conectado à
um registro (40) que é acionado pelo usuário liberando ou restringindo a passagem do
gás. O usuário usa um manipulador (48) para acionar o registro. O registro está
conectado à um tubo que é por onde o gás entra vindo de um botijão ou rede de gás. O
escoamento de gás antes passa por um equipamento medidor de vazão e um medidor de
pressão, onde os dados são coletados.
Uma vez o queimador ligado inicia-se dessa forma a captação de ar primário pelo tubo
(65) que está envolvido com detergente. Um dispositivo que gera bolha de sabão (90) é
acionado pelo operador que transfere um filme de sabão para dentro do tubo, pela
pressão negativa esse filme caminha em direção ao queimador. Através do comprimento
pré-estabelecido e visualmente identificado (M) o operador pode medir o tempo que o
filme de sabão leva para percorrer essa distância.
O equipamento visa ser o mais fiel possível a condição real de um queimador em cima
da mesa de um fogão. Como é utilizado apenas um queimador simulou-se um quarto de
uma mesa de um fogão mantendo-se todas as dimensões de largura e comprimento de
um quarto. Abaixo do queimador a mesma altura do teto do forno até a mesa foi
mantida igual a de um fogão real. Todos as peças utilizadas no equipamento são
exatamente as mesmas, como o injetor, queimador, os suportes, toda a tubulação de gás
e registro. O equipamento simula exatamente o mesmo volume para captação de ar
primário, as mesmas distâncias e alinhamentos do injetor para o queimador. Como
falado anteriormente a única captação do ar primário para dentro da região do injetor de
gás é através do tubo de acrílico transparente. Para o projeto da caixa sob o queimador
todas as dimensões e parâmetros foram feitos de acordo com o fogão, porém para o
projeto do tubo foi levando em consideração alguns parâmetros para o calculo inical:
65
- Vazão de gás do queimador em estudo – 57 dm
3
/h (medido em laboratório)
- Proporção média de gás em relação a mistura ar + gás, tomando como base butano e
propano que são os gases utilizados no experimento – 10% de gás e 90% de ar
(parâmetros inicias para calculo do tubo), para uma vazão de gás de 57 dm
3
/h
estimou-se então a vazão de ar em 513 dm
3
/h
- Velocidade desejada para que o operador pudesse medir o tempo do filme de sabão
utilizando um cronômetro – 0,04 m/s. Temos os seguintes dados:
Q
gás
– Vazão do gás = 57 dm
3
/h (pressão de 284 mmH
2
O)
Q
ar
– Vazão do ar primário = 513 dm
3
/h ou 1,425x10
-4
m
3
/s
V – Velocidade do ar primário = 0,04 m/s
A – Área do tubo a ser calculada
D - Diâmetro do tubo a ser calculado
Então tem-se:
Q
ar
= A x V (20)
Q
ar
= (π x D
2
)/4 x V (21)
D = (1,425x10
-4
x 4 / π x 0,04)
1/2
(22)
D = 0,067 m ou 67,366 mm (23)
Adotou-se então o diâmetro do tubo de 67 mm por ser uma medida mais fácil de ser
obtida pelo fabricante de tubos, e comprimento útil para medição do tempo do filme de
500 mm, porém o comprimento total do tubo tem 1000 mm para que possa ser feito
todo o sistema de conexão e entrada da bolha de sabão. O volume calculado é de
1,76 dm
3
.
Antes do início do ensaio propriamente dito algumas precauções foram tomadas, como
fazer um esquema das conexões do equipamento e o controle de todas as variações do
processo de medição que pudessem interferir nos resultados do ensaio. Abaixo a Figura
30 mostra todo o esquema do medidor de ar primário:
66
Gás
armazenado
Medidor
de vazão
do gás
Medidor
de
pressão
do gás
Equipamento medidor
vazão de ar primário
Medidor de
temperatura
do gás
Medidor de
temperatura
ambiente
Fluxo de gás
Regulador
de pressão
Registro
Figura 30 – Esquema do medidor de vazão de ar primário
Para a realização do ensaio algumas precauções foram tomadas, como criar um
procedimento padrão para minimizar as variações do processo de medição e evitar que
elas afetassem o resultado. Variações controladas:
- Temperatura da sala controlada
- Umidade da sala controlada
- Temperatura do gás controlada
- Operadores Fixos nos postos (medidor do tempo e o gerador das bolhas)
- Controle da quantidade dos ingredientes da solução de sabão
- Sala fechada para evitar passagem de ar
Realizou-se uma estratégia de amostragem para o ensaio com alguns fatores e níveis
controláveis para entender melhor como eles se comportam, veja Figura 31:
Figura 31 – Estratégia de amostragem para o ensaio
67
Pode-se observar que foi utilizado para percorrer o tubo apenas uma bolha de sabão,
porém com duas pressões e tipo de gás distintos. Foi colocado detergente em torno das
paredes do tubo de acrílico para lubrificação e evitar atrito com a bolha de sabão,
variou-se então o tempo para iniciar as medições do tempo que a bolha leva para
percorrer o tubo, devido ao fato do detergente escorrer e tender acumular-se na parte
inferior do tubo, houve-se a preocupação de entender a possível relevância desse fator.
A preocupação de saber quanto a própria bolha de sabão poderia influenciar no volume
de ar primário captado pelo queimador foi levada em consideração e algumas
observações importantes foram feitas. O queimador foi ligado inicialmente sem que
nenhuma bolha percorresse o tubo de captação e observou-se a coloração, forma e
tamanho da chama. Posteriormente esse processo foi repetido porém com apenas uma
bolha de sabão, e neste caso nada foi observado diferente na chama, a Figura 32 mostra
a aparência da chama quando uma bolha de sabão está percorrendo o tubo e a Figura 33
mostra nenhuma bolha percorrendo o tubo. Apartir de duas bolhas percorrendo juntas
ocorreu uma mudança na coloração, forma e tamanho da chama, e conforme o numero
de bolhas aumentava as mudanças eram ainda mais significativas. O mais evidente foi a
coloração que ficou amarela, típico da falta de ar primário na mistura, com 2 ou mais
bolhas a força de arraste aumentou e o volume de ar primário entrando no queimador
diminuiu.
68
Figura 32 - Aparência da chama quando uma bolha de sabão está percorrendo o tubo
Figura 33 - Aparência da chama quando nenhuma bolha de sabão está percorrendo o
tubo
69
5 Descrição dos resultados encontrados e tratamento dos dados
Com as variações do processo de medição controladas, com um procedimento padrão de
ensaio e com uma estratégia de amostragem, deu-se início a realização do experimento
propriamente dito. Mediu-se o tempo que a bolha de sabão percorre o tubo 5 vezes para
cada opção da estratégia e obteve-se os seguintes resultados conforme a Figura 34
(pressão de 280 mmH2O) e Figura 35 (pressão de 350 mmH2O):
Figura 34 – Resultados utilizando pressão de 280 mmH2O
Figura 35 – Resultados utilizando pressão de 350 mmH2O
70
Observa-se que a grande relevância dos dados está no fator Pressão, porém realizou-se
um gráfico para entender quantitativamente o grau de relevância de cada fator, vide
figuras 36 e 37.
Figura 36 – Grau de relevância dos fatores (pareto)
Figura 37 – Grau de relevância dos fatores (linhas)
Na Figura 36 observa-se que somente o fator pressão foi relevante, pois cruzou a linha
pontilhada, ou seja, passou o alfa que determina a acurácia do ensaio, se aumentar o alfa
71
pode ser que mais algum fator venha a ser relevante. Pelo gráfico percebe-se que não
houve interação entre os fatores. Na Figura 37 fica mais fácil de enxergar quanto o fator
pressão em relação aos outros é mais relevante para o resultado tempo da bolha. O tipo
de gás teve influencia muito pequena no tempo da bolha de sabão, assim como o tempo
do detergente após aplicado no tubo, mesmo escorrendo na parte inferior do tubo não
foi relevante para alterar os resultado. O maior desvio padrão das medições de tempo
ficou em 0,14 s, o que mostra uma grande precisão no ensaio.
Além dos tempos da bolha de sabão, os dados de vazão dos gases nas diferentes
pressões também foram coletados conforme mostra a tabela 12:
Tabela 12 – vazão para os gases nas diferentes pressões:
Na tabela também existe a distância e o diâmetro percorridos pela bolha de sabão, com
esses dados pode-se calcular o volume de ar primário consumido pelo queimador em
estudo. Com a vazão de ar primário e consumo de gás tem-se a razão dos dois
possibilitando comparar com os dados da teoria dos gases e verificar se o queimador em
questão está dentro dos limites de flamabilidade. Para o calculo da vazão de ar primário
tem-se a seguinte expressão:
V
azão Butano a pressão de
280mmH2O (l/h)
59,50
V
azão Butano a pressão de
350mmH2O (l/h)
65,39
V
azão Propano a pressão de
280mmH2O (l/h)
67,28
V
azão Propano a pressão de
350mmH2O (l/h)
73,62
Distância percorrida pela bolha (dm) 5
Diâmetro do tubo percorrido pela
bolha (dm)
0,67
72
Q = V/T (24)
Onde:
Q – vazão de ar primário
V – Volume de ar primário
T – Tempo percorrido pela bolha de sabão
Para o calculo do volume tem-se:
V = (π . D
2
)/4 . L (25)
Onde:
V – Volume de ar primário
D – Diâmetro do tubo percorrido pela bolha de sabão
L – Comprimento do tubo percorrido pela bolha de sabão
Dessa forma consegue-se determinar a vazão de ar primário, que é o consumo
propriamente dito como mostrado novamente nas figuras 38 e 39 da estratégia de
amostragem:
Figura 38 – Vazão de ar primário e razão do gás consumido (%) para pressão
280mmH2O
73
Figura 39 – Vazão de ar primário e razão do gás consumido (%) para pressão
350mmH2O
Quando se leva em consideração a vazão dos gases combustíveis (conforme tabela 12)
durante o ensaio e calcula-se a razão de gás na mistura, torna-se relevante o fator tipo de
gás. A pressão mantêm-se como uma fator relevante. Como o fator tempo do detergente
não foi relevante, calculou-se os resultados finais levando em consideração a média das
duas medições feitas (imediato e 10 minutos). Nas tabelas 13 e 14 abaixo estão
relacionados as taxas em porcentagem da quantidade de gás consumida pelo queimador
e a variação (%) entre os diferentes gases e as diferentes pressões:
Tabela 13 – taxa de combustível com as variações entre as pressões
Gás Pressão
Volume de combustível em relação ao
ar primário na mistura (%)
Variação entre as
pressões. Gás fixo
280 8,561
350 7,979
280 9,599
350 8,863
Butano
Propano
6,79%
7,67%
74
Tabela 14 – taxa de combustível com as variações entre os diferentes gases
Gás Pressão
Volume de combustível em relação ao ar
primário na mistura (%)
Variação entre os
gases. Pressão fixa
Butano 8,561
Propano 9,599
Butano 7,979
Propano 8,863
280 10,82%
350 9,97%
Observa-se que a variação entre os diferentes gases foi maior que a variação entre as
diferentes pressões. Observando as vazões de ar primário elas não tiveram variações
relevantes para os gases e quando se calcula a taxa de combustível na mistura o que faz
com que essa variação seja grande é apenas a vazão do próprio gás combustível. Já para
a pressão há uma interação entre consumo de gás combustível e ar primário fazendo
com que a variação seja menor.
Outro dado bastante interessante é comparar as taxas de combustível encontradas nos
ensaios em relação aos valores teóricos das literaturas. Abaixo a tabela 15 mostra essa
comparação:
Tabela 15 – Comparação entre as taxas de combustíveis (ensaio & teoria)
Limite inferior
flamabilidade
Limite superior
flamabilidade
280 8,561
350 7,979
280 9,599
350 8,863
9,5
11,38 - KUO (1986)
Gás Pressão
Volume de combustível em relação ao
ar primário na mistura (%)
(valores encontrados nos ensaios)
8,4
Volume de combustível em relação
ao ar primário na mistura (%)
(valores Teóricos)
1,8
2,8
2,05 - KUO (1986)
Propano
Butano
Segundo KUO (1986) para o gás Propano a taxa de combustível na mistura é de 4,02%
para uma combustão estequiométrica. Observa-se que nos ensaios para esse queimador
foram encontrados valores aproximadamente de 9,0%. Para o gás Butano o valor
encontrado aproximadamente foi de 8,0%, segundo a literatura os limites estão entre
1,8% e 8,4%. Nota-se que as taxas estão bem próximas dos limites superiores de
flamabilidade.
75
Fazendo uma análise em relação aos limites de flamabilidade e segundo a American
Gas Association (1996) que para queimadores em que a chama se comporta com pontas
amarelas e provavelmente um aumento dos níveis de CO e o aparecimento de fuligem, é
necessário que seja revisado a quantidade relativa de ar primário presente na mistura. Se
para esse queimador os limites de flamabilidade estão muito próximos dos limites
superiores, provavelmente possa ser melhorado a questão de níveis de CO e os possíveis
surgimentos de chamas com pontas amarelas. Vale lembrar que é possível melhorar,
pois o queimador utilizado durante todo o ensaio está certificado, aprovado dentro das
normas NBR, etiquetado pelo INMETRO e autorizado a ser comercializado. É possível
através de soluções de projetos e processos aumentar a taxa de ar na mistura para esse
queimador, obviamente existe uma equação que não pode-se esquecer: Qualidade x
Custo.
Segundo KUO (1986), a variação da velocidade de chama é responsável por variar a
temperatura de chama dependendo da proporção da mistura ar mais combustível. Para
os hidrocarbonetos o pico da temperatura de chama ocorre na mistura estequiométrica.
É aceitável assumir que a máxima temperatura se dá na máxima velocidade de chama.
Analisando os resultados do ponto de vista da velocidade de chama e segundo KUO
(1986) em que para o gás Propano a taxa de combustível na mistura é de 4,02% para
uma combustão estequiométrica, fica claro que para o queimador em questão é possível
ajustar a taxa de ar primário chegando mais próximo de uma combustão
estequiométrica, ganhando qualidade nos produtos da combustão, aumentando a
temperatura de chama e consequentemente o rendimento do queimador. Segundo
INMETRO queimadores de mesa de fogões domésticos que possuem rendimento maior
que 61% tem classificação “A” em eficiência energética. Esse dado é informado para o
consumidor no momento da compra de um produto através da etiqueta CONPET colada
em um local visível no fogão.
Não se pode esquecer de todos os quesitos de segurança que um queimador deve
atender, o conhecimento da quantidade de ar primário na mistura é de suma
importância, pois alterando sua taxa na mistura consegue-se muitas vezes aprovar um
queimador em relação aos problemas de Recolhimento de chama (flashback),
descolamento de chama, níveis de monóxido de carbono, etc..
Conforme dito anteriormente a quantidade de bolhas de sabão percorrendo o tubo
influencia no volume de ar primário captado pelo queimador chegando a alterar as
características de chama. Mediante esse fato realizou-se alguns ensaios com 2, 3 e 4
76
bolhas percorrendo o tubo no mesmo instante, porém para simplificação utilizou-se
apenas a pressão de 280 mmH
2
O, gás butano e o tempo variando entre imediato e 10
minutos após a aplicação do detergente. As figuras 40, 41, 42 e 43 mostram os tempos e
as vazões de ar primário calculadas para as quantidades de bolhas 1, 2, 3 e 4
respectivamente:
Figura 40 – Tempo, vazão e razão do gás para uma bolha de sabão percorrendo o tubo
Figura 41 – Tempo, vazão e razão do gás para duas bolhas de sabão percorrendo o tubo
77
Figura 42 – Tempo, vazão e razão do gás para três bolhas de sabão percorrendo o tubo
Figura 43 – Tempo, vazão e razão do gás para quatro bolhas de sabão percorrendo o
tubo
78
A tabela 16 abaixo mostra o resumo dos dados coletados no ensaio, é bastante notável,
dependendo da quantidade bolhas o aumento do tempo para percorrer o tubo, a
diminuição da vazão do ar primário e o aumento razão do gás na mistura.
Tabela 16 – Resumo do ensaio com quantidade diferentes de bolhas percorrendo o tubo
Número Bolhas
Tempo médio da(s)
bolha(s) (s)
Média Vazão ar
primário (l/h)
Razão do gás
(%)
Característica da
chama
1 bolha
9,20 695,09 8,56 Azul
2 bolha
10,86 584,28 10,18
Com pontas
pequenas amarelas
3 bolha
13,44 471,18 12,63 Com pontas amarelas
4 bolha
17,35 366,18 16,25 Chama amarela
Analisando os dados da tabela e posteriormente enxergando-os na forma gráfica, nota-se
que as 3 características quantitativas se comportam de forma exponencial podendo
assumir que quanto menor o numero de bolhas que percorrem o tubo menor será a
variação entre tempo, vazão e razão. Se fosse possível medir o tempo de zero bolha
percorrendo o tubo encontrariam-se valores muito próximos de 1 bolha, essa teoria pode
ser reforçada verificando a característica qualitativa, que é a cor da chama, onde a
mesma não muda com zero ou 1 bolha.
As figuras 44, 45, e 46 mostram os gráficos de tempo, vazão de ar primário e razão do
gás para as diferentes quantidades de bolhas:
79
Tempo médio da(s) bolha(s) (s)
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
1 bolha 2 bolha 3 bolha 4 bolha
Numero de bolhas
Tempo (s)
Figura 44 – Gráfico mostrando a relação do tempo com quantidade de bolhas
Média Vazão ar primário (l/h)
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
700,00
800,00
1 bolha 2 bolha 3 bolha 4 bolha
Numero de bolhas
Vazão ar Primário (l/h)
Figura 45 – Gráfico mostrando a relação da vazão de ar primário com quantidade de
bolhas
80
Razão do gás (%)
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
1 bolha 2 bolha 3 bolha 4 bolha
Número de bolhas
Razão de gás (%)
Figura 46 – Gráfico mostrando a relação da razão de gás com quantidade de bolhas
Pode-se ainda aumentar o numero de bolhas coletando-se mais dados e fazendo-se uma
curva exponencial mais precisa onde se torna possível calcular o expoente muito
próximo do exato da equação da curva. Porém para o desenvolvimento de queimadores
de fogão esse equipamento da forma como está projetado se mostra bastante eficiente
não necessitando entrar em um nível de detalhamento que talvez traga muito pouca
contribuição exigindo um pesado trabalho, mas uma vez não se pode esquecer da
equação esforço x benefício. Mas isso não deixa de ser uma boa sugestão para novas
pesquisas.
81
6 Conclusão
A busca incessante do homem pela utilização cada vez mais racional dos recursos
energéticos foi um dos principais motivos para a execução desta pesquisa.
Falar em uso racional de gás em fogões até aproximadamente 10 anos atrás era algo sem
muita importância, porém com a conscientização dos consumidores, fabricantes, o
próprio INMETRO e a utilização racional de outros equipamentos movidos a energia
elétrica, foi criado o Programa Brasileiro de Etiquetagem para fogões através do
CONPET e de uso compulsório para todos os fabricantes de fogões nacionais e para
produtos importados.
Através desse cenário tornou-se necessário conhecer dados dos queimadores de fogões
até antes desconhecidos. Conhecer a quantidade de ar primário que um queimador está
consumindo é de suma importância para projetos futuros desses dispositivos utilizados
em fogões.
Com esse dado é possível encontrar mais facilmente problemas de segurança, como
descolamento de chama, flashback entre outros, melhorar os níveis de CO que tanto
agridem o meio ambiente, imagine-se todos os fogões do mundo emitindo CO na
atmosfera em quantidades elevadas. Pode-se acima de tudo melhorar o rendimento de
queimadores economizando gás, uma recurso energético ainda não renovável na mesma
escala em que é consumido pela população mundial.
O equipamento proposto para medição da vazão de ar primário utiliza um filme de
bolha de sabão que percorre um tubo transparente (com escala definida) pela pressão
negativa criada pelo queimador quando em funcionamento. Esse equipamento segue o
que foi inicialmente proposto, Ter baixo custo, baixa complexidade, flexível, é possível
utilizar em qualquer tipo de queimador, salvo as adaptações necessárias. Necessita de
dois operadores, uma para medir o tempo que o filme de sabão leva para percorrer a
escala definida do tubo e outro para fazer e encaminhar a bolha para dentro do tubo. Um
sistema de sensores poderia ser adicionado ao equipamento para medir o tempo da
bolha, o que tornaria o equipamento mais preciso (eliminado as variações do processo
de medição do operador) e não seria necessário a utilização de dois operadores, isso
pode ser uma proposta para novas pesquisas.
Para o queimador utilizado nos ensaios com o equipamento foram encontrados dados
que conduzem com as teorias que as literaturas trazem, porém já foi visto que esse
queimador pode ser melhorado em vários aspectos, tanto de segurança como de
82
eficiência, vale lembrar que o mesmo está dentro das normas brasileiras, porém é
passível de melhorias.
Para novos desenvolvimentos, o equipamento poderá ser muito útil para ganhar tempo
de desenvolvimento, um item muito importante na atual concorrência dos fabricantes de
fogões. Pode-se otimizar as variáveis respostas de rendimento, níveis de CO e
segurança, tendo como conseqüência aumento de competitividade perante os
concorrentes, prováveis reduções de custo de desenvolvimento, de material, de processo
de fabricação. Existem infinitas soluções técnicas para se chegar em um queimador de
fogão com resultados ótimos, acima dos especificados em norma, porém a questão custo
deve ser levada em consideração, há uma equação que deve ser fechada, há um ponto de
equilíbrio entre custo e qualidade seja de processo ou produto. Quanto mais dados são
sabidos dentro de um projeto, mais soluções até mesmo as inovadoras surgem.
Para evitar o atrito do filme de sabão com a parede do tubo e isso interferir nos dados de
vazão, foi adicionado um filme de detergente em torno de toda a parede interna.
Esse possível atrito pode ser assunto de estudo para próximas pesquisas.
Para esse equipamento está sendo sugerida uma Patente junto ao INPI como forma de
proteção intelectual sob o título “DISPOSITIVO MEDIDOR DE VAZÃO DE AR
PARA QUEIMADORES DE GÁS “. No anexo 1, segue o texto descritivo da minuta da
patente.
83
7 Sugestões para novas Pesquisas
Pesquisas com queimadores de fogão não eram tão abordadas até pouco tempo atrás,
pois não se pensava como hoje no uso racional de combustíveis. Nessa pesquisa
conseguiu-se uma pequena parcela do aprendizado de queimadores, um dado importante
foi coletado para que se consiga melhorar os parâmetros atuais dos mesmos.
Como sugestão para próximas pesquisas e ainda em cima de medições de ar primário, é
interessante fazer-se um estudo teórico simulando a vazão de ar primário em
queimadores através de um software de mecânica dos fluidos que trabalhe com volumes
finitos e comparar os resultados com os obtidos nesse experimento. Para o experimento,
como citado anteriormente é possível ainda medir o tempo que o filme de sabão
percorre o tubo através de sensores, eliminando as variações do processo de medição do
operador e aumentado a acurácia das medições. Outro ponto interessante é um estudo
para verificar a influência do atrito do detergente com o filme de sabão, através da
análise teórica com o software e possível chegar a conclusões muito precisas.
Um fator bastante importante no desenvolvimento de queimadores que é diretamente
influenciado pela quantidade de ar primário na mistura é a velocidade de chama.
Segundo KUO (1986), a variação da velocidade laminar de chama com a taxa ar +
combustível é responsável pela variação da temperatura de chama, que é influenciada
pela taxa da mistura. Para os combustíveis hidrocarbonetos o pico da velocidade de
chama ocorre na reação estequiométrica. Medir a velocidade de chama fisicamente
como foi medido a vazão de ar primário pode-se chegar á conclusões de quanto a
mistura está próxima da estequiométrica.
KUO (1986) sugere várias formas para medir a velocidade de chama fisicamente:
- Através do método do bico de Bunsen
- Através do método do tubo transparente
- Através da bomba de volume constante (bomba esférica fechada)
- Através do método da bolha de sabão (bomba de pressão constante)
O último método (bolha de sabão) utiliza-se de uma tecnologia semelhante a que foi
usada nessa pesquisa para medir a vazão de ar primário
Pode-se após a realização da medição da velocidade de chama, fazer-se um estudo
teórico com algum software de volumes finitos de mecânicos dos fluidos e comparar os
resultados, um estudo pode aferir o outro.
Uma outra sugestão e segundo KUO (1986) em que o limite de flamabilidade e a
velocidade de chama também são influenciados pela temperatura inicial da mistura ar +
84
combustível na medida que ela entra no venturi do queimador. Essa é uma informação
muito importante, pois sabe-se que o comportamento da chama em queimadores de
mesa de fogões tem comportamento diferente quando por exemplo o forno (que fica
logo abaixo da mesa do fogão) está em funcionamento ou está desligado. O calor gerado
pelo forno influencia diretamente a temperatura da mistura dos queimadores de mesa.
Fazer um levantamento dessa curva de temperatura e quanto ela influencia nos
queimadores e interessante, pois pode-se projetar sistemas onde se tem a preocupação
de se fazer um direcionamento do calor do forno para longe dos queimadores de mesa
ou pelo contrário, aproveitar o calor para aquecer a mistura, é um estudo que merece
atenção.
Todas as pesquisas nesse aspecto são importantes para que no mercado cada vez mais
existam fogões mais eficientes, seguros, econômicos, que tragam uma maior satisfação
para os consumidores e ao meio ambiente.
85
8 Referências Bibliográficas:
ALM, S. et al. Personal expousers of preschool children to carbon monoxide: roles
of ambient air quality and gas stoves. Atmospheric Environment, v. 28, n. 22, p.
3577-3580: 1994
AMERICAN GAS ASSOCIATION. Fundamental of Gas Combustion Revised. New
York, Industrial Press: 1996
ASSOSSIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 13723-1 – Aparelho
doméstico de cocção a gás – parte 1: Desempenho e segurança, Rio de Janeiro:
1999
ASSOSSIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 13723-2 – Aparelho
doméstico de cocção a gás – parte 1: Uso Racional de energia, Rio de Janeiro: 1999
CARVALHO JR, J.A.; LACAVA, P.T.. Emissões em processo de combustão. 1.ed.
São Paulo, UNESP: 2003
FERNANDES, FLÁVIO. Desenvolvimento Tecnológico em Queimadores de Fogões
Domésticos. Departamento de Engenharia Mecânica – Escola de Engenharia de
São Carlos – Universidade de São Paulo. São Carlos: 1999
FUNDAÇÃO DE DESENVOLVIMENTO GERENCIAL (2001). Programa seis
sigma industrial – Black Belt: 1992
HILSDORF, J.W.; DE BARROS, N.D.; TASSINARI C. A. ET AL.. Química
Tecnológica. 1.ed. São Paulo, Thomson Learning: 2003
INCROPERA, F.; DE WITT, D.. Fundamentos de Transferência de Calor e de
Massa. Trad. por Carlos Alberto Biolchini da Silva. 5.ed. Rio de Janeiro, LTC:
2003
86
INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA NORMALIZAÇÃO E QUALIDADE
INDUSTRIAL (INMETRO) - PROGRAMA BRASILEIRO DE ETIQUETAGEM –
Regulamento específico para uso da etiqueta nacional de conservação de energia –
ENCE. Linha de fogões e fornos a gás: 2004
JONES, H. R. N. et al.. Burner inserts for reducing NO
x
emissions from methane
flames. Journal of the Istitute of Energy v. 67, p. 168-173, Dec: 1994
KUO K. K.. Principles of combustion. New York, Wiley-Interscience: 1986
MINISTÉRIO DO DESENVOLVIMENTO, INDÚSTRIA E COMÉRCIO
EXTERIOR - MDIC
Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial-
Inmetro. Portaria nº 73, de 5 de abril de 2002: 2002
NISHIOKA, M. et al.. NO emission characteristics of methane-air double flame.
Combustion and Flame, v. 98, p. 127-138: 1994
VAN WYLEN; SONNTAG; BORGNAKKE. Fundamentos da Termodinâmica.
Trad. por Euryale de Jesus Zerbini. 6.ed. São Paulo, Edgar Blucher: 2003
WILLIAMS, A,; WOOLLEY, R.; LAWES, M.. The formation of NO
x
in surface
burners. Combustion and Flame, v. 89, p. 157-166: 1992
87
Links na Internet Pesquisados:
http://www.atlimp.com/flowmetr.htm
http://www.bubble-o-meter.com/
http://www.flowmeterdirectory.com/
http://www.editora.ufla.br/revista/23_2/art17.pdf
http://www.smglink.com/bios/drycallite.html
http://www.doutorie.com.br/produtos/index.php
http://www.cdimeters.com/
http://www.inmetro.gov.br/consumidor/pbe/pbetab17.asp
88
9 Anexos:
9.1 Anexo 1 - Minuta da Patente
DISPOSITIVO MEDIDOR DE VAZÃO DE AR PARA QUEIMADORES DE GÁS
Campo da invenção
A presente invenção refere-se à questão da determinação da vazão do ar que se mistura
com gás para combustão em uma chama de um queimador de gás.
Técnica anterior
Queimadores de gás são dispositivos bem conhecidos. Tais dispositivos utilizam uma
mistura de ar e gás natural ou gás produzido de petróleo ou outro produto para produzir
uma chama de aquecimento. Às vezes, é vantajoso ou necessário determinar a
quantidade de ar sendo consumida durante o processo de queima no qual a chama é
produzida. Esta informação é útil para o projeto e para o uso de tais queimadores. Por
exemplo, no projeto de um queimador de gás de um fogão de cozinha convencional,
deve-se determinar o tamanho, o número e o posicionamento das aberturas para a
mistura ar-gás. Assim, torna-se útil um dispositivo que possa medir a quantidade de ar
na mistura ar-gás para prover informações ao projeto e à operação adequada do
queimador.
Sumário da invenção
De acordo com a invenção, é provido um dispositivo que determina e apresenta,
visualmente, a vazão de ar sendo consumida em um queimador de gás durante a sua
operação. O dispositivo inclui uma câmara tendo uma parede, sobre a qual é montado o
queimador. O queimador possui um tubo direcionador que se estende para dentro da
câmara para receber o gás. Uma ou mais aberturas são providas na porção do queimador
que é externa à câmara, através das quais uma mistura ar-gás sai e nas quais a referida
mistura sofre ignição para produzir a chama.
Uma válvula de controle de fornecimento de gás é localizada fora da câmara, sendo
ajustável para fornecer gás a pressão e vazão conhecidas e selecionáveis. Um tubo de
fornecimento de gás possui um extremo conectado à válvula, para receber o gás e se
estende para dentro da câmara, com um extremo de saída de gás terminando adjacente a
um extremo de entrada do tubo direcionador do queimador de gás, e em comunicação
fluida com o último. O gás sai do extremo de saída do tubo de fornecimento de gás e um
efeito venturi é produzido na entrada do tubo direcionador.
89
Um tubo de visualização, transparente ao longo de todo ou parte de seu comprimento,
possui um extremo montado à câmara, para comunicação com o interior desta. O outro
extremo do tubo de visualização é aberto para o ambiente. Uma fonte de uma solução de
sabão é provida em um recipiente adjacente ao tubo de visualização e um meio
formador de bolha é montado de modo operativamente associado à fonte de
solução de sabão e ao tubo de visualização. Linhas de marcação de medição de fluxo,
espaçadas entre si por uma distância predeterminada e conhecida, definem, entre si, uma
seção de medição transparente do tubo de visualização.
Durante a operação do dispositivo, a válvula de controle de fornecimento de gás é
aberta e o gás flui para fora de um bico provido no extremo do tubo de fornecimento de
gás e para dentro do extremo de entrada do tubo direcionador do queimador. O gás, na
saída do tubo de fornecimento de gás, é misturado com o ar existente na câmara e um
fluxo tipo venturi é criado entre a saída do tubo de fornecimento de gás e a entrada do
tubo direcionador do queimador. A mistura ar-gás sai das aberturas do queimador e é
inflamada. O fluxo venturi faz com que o ar seja sugado para dentro da câmara através
do extremo aberto do tubo de visualização, fazendo com que uma bolha de sabão,
formada pelo meio formador de bolha e conduzida ao tubo de visualização,
assuma, geralmente, a forma de um filme transversal, visível no interior do tubo de
visualização. O fluxo de ar formado no interior do tubo de visualização, de seu extremo
aberto e em direção à câmara, faz com que a bolha de sabão se desloque ao longo do
comprimento do tubo de visualização. Ao se medir o tempo que a bolha leva para se
deslocar entre as duas linhas de marcação de medição, a vazão do ar pode ser
determinada. Isto provê informações que podem ser utilizadas para se calcular as
proporções de ar na mistura ar-gás.
O dispositivo da invenção é de construção relativamente simples e fácil de operar.
Breve descrição dos desenhos
Outros objetivos e vantagens da presente invenção ficarão evidentes, fazendo-se
referência aos desenhos anexos, nos quais:
A Figura 1 representa uma vista em planta do dispositivo, com o topo da câmara aberto;
A Figura 2 representa uma vista em corte longitudinal da câmara, tomado ao longo da
linha II-II da Figura 1;
A Figura 3 representa uma vista em corte transversal elevacional da câmara, tomada ao
longo da linha III-III da Figura 2; e
A Figura 4 representa uma vista em perspectiva do interior da câmara.
90
Descrição detalhada da invenção
Fazendo-se referência aos desenhos, é provida uma câmara 10, de qualquer material
adequado impermeável a gás e resistente ao calor, tal como chapa de aço ou alumínio. A
câmara 10 possui paredes laterais verticais planas 11 e paredes superiores e inferior 12 e
13 nos extremos superior e inferior das paredes laterais. As paredes da câmara podem
ser conectadas por qualquer meio adequado, tal como soldagem, caldeamento ou através
do uso de parafusos rosqueados a partes da câmara, conforme ilustrado. A parede
inferior plana 13 da câmara 10 é ilustrada montada sobre uma superfície básica B.
Qualquer montagem adequada pode ser utilizada para a câmara.
Um queimador de gás 20 possui, em seu fundo, uma base anelar 22 que se assenta sobre
a parede superior 12 da câmara 10. O queimador de gás 20 ilustrado é do tipo utilizado
em fogões do cozinha convencionais, apresentando um domo superior fechado 24, sobre
o qual um utensílio de cocção (não ilustrado) é posicionado. O domo superior fechado
24 do queimador de gás 20 possui ainda uma pluralidade de aberturas 26 de saída da
mistura ar-gás na sua periferia externa, para definir uma coroa de chama.
Um tubo direcionador 28, para conduzir uma mistura ar-gás possui um extremo superior
de saída montado à porção inferior da base anelar 22 do queimador de gás 20 e um
extremo inferior de entrada que é localizado no interior da câmara 10, a fim de ser
posicionado coaxialmente alinhado e espaçado em relação a um bico de gás 31
geralmente cilíndrico. O bico de gás 31 é montado no topo de uma travessa 34 que é
fixada entre duas das paredes laterais 11 da câmara 10. Um suporte 33 é montado sobre
a travessa 34, envolvendo o bico de gás 31 e fixando o tubo direcionador 28 de mistura
ar-gás em um posicionamento coaxial ao bico de gás 31. Como descrito mais
detalhadamente abaixo, a mistura ar-gás, que deixa as aberturas 26 do domo 24, é
inflamada para formar uma coroa de chama em torno do domo superior fechado 24 do
queimador de gás 20.
Uma unidade de fornecimento de gás 40 é montada à superfície básica B, externamente
a uma das paredes verticais 11 da câmara 10. A unidade de fornecimento de gás 40
possui um tubo de alimentação 42, com um extremo 44, ao qual é conectado um tubo ou
mangueira de alimentação de gás. O outro extremo do tubo de alimentação 42 é selado.
O tubo de alimentação 42 é associado a uma válvula de controle de gás 46, operada por
um botão de controle 48. Componentes convencionais são providos, de modo que o
fluxo de gás ocorra a pressão e vazão constantes, conhecidas e selecionáveis. Por
exemplo, a válvula de controle de gás 46 é uma válvula de bloqueio simples, provida de
91
um botão de controle 48, permitindo ao operador abrir ou fechar o fluxo de gás ao
queimador. A pressão e a vazão de gás ao dispositivo são controladas por um transdutor
de pressão e um medidor de vazão (não ilustrados), montados em um conduíte a ser
fixado ao extremo 44 da unidade de fornecimento de gás 40.
Um extremo 51 de um tubo de fornecimento de gás 50 é montado à válvula de controle
de gás 46 e recebe gás da mesma. O tubo de fornecimento de gás 50 é preferivelmente
de material semi-rígido e se estende para dentro da câmara 10 através de uma abertura,
selada, provida em uma das paredes laterais 11 da câmara 10. O outro extremo do tubo
de fornecimento de gás 50 possui uma conexão 56, montada ao suporte 34, que suporta
o bico de gás 31, definindo a saída para o gás. O bico de gás 31 se estende através da
travessa 34, mas é espaçado do extremo inferior de entrada do tubo direcionador 28 do
queimador de gás 20. Quando a válvula de controle de gás 46 é aberta, ocorre um fluxo
tipo venturi entre a saída do bico de gás 31 da conexão 56 e o extremo inferior de
entrada aberto do tubo direcionador 28. O fluxo venturi é, em grande parte, causado
pelo gás que flui do bico de gás 31, sugando ar para formar uma mistura ar-gás que flui
para cima no tubo direcionador 28.
Um flange com pescoço 61 é montado sobre uma abertura na parede vertical 11 da
câmara 10, oposta à parede voltada à unidade de fornecimento de gás 40. Um primeiro
extremo 63 de um tubo de visualização 64 para fluxo de ar, alongado, é montado dentro
do flange com pescoço 61, de modo a permanecer aberto para o interior da câmara 10.
Um segundo extremo 65 do tubo de visualização 64 é aberto à atmosfera. O tubo de
visualização 64 é ilustrativamente mostrado espaçado acima e em geral paralelo à
superfície básica B por um ou mais suportes 66 de qualquer formato e construção
adequados. Outras posições de montagem podem ser usadas.
Duas linhas de marcação de medição 69, espaçadas por uma certa distância, são
pintadas ou gravadas ao redor do tubo de visualização 64, definindo uma seção de
medição M, necessariamente transparente. Todo o comprimento do tubo de visualização
64 pode ser transparente ou pode ser transparente apenas na seção de medição M
definida entre as duas linhas de marcação de medição 69.
Um vaso 70, tal como um copo, é posicionado na superfície básica B, próximo ao
segundo extremo 65 tubo de visualização 64. O vaso 70 contém uma quantidade de
solução líquida de sabão.
Junto ao segundo extremo 65 do tubo de visualização 64, preferivelmente sobre a
superfície básica “B”, é provido um meio formador de bolha 90 que, na
92
configuração ilustrada, compreende um braço 91 mediana e horizontalmente
articulado em um suporte 92 apoiado na superfície básica “B”, dito braço 91
carregando um arco extremo 93. O braço 91 é manualmente deslocável entre uma
posição de carga, na qual o arco extremo 93 é mergulhado na solução de sabão
contida no vaso 70, e uma posição de liberação na qual o arco extremo 93 fica
coaxialmente alinhado e ligeiramente distanciado do segundo extremo 65 do tubo
de visualização 64. O suporte 92 carrega ainda um pequeno conduto 95,
coaxialmente alinhado com o tubo de visualização 64 e com o arco extremo 93 e
tendo um extremo livre 95a aberto e voltado para o arco extremo 93 e um extremo
oposto 95b que é conectado a uma fonte de ar comprimido (não ilustrada) e
dimensionada para prover, seletivamente, através de meios de controle não
ilustrados, um fluxo de ar suficiente para formar uma bolha com a solução de
sabão captada do vaso 70 e retida pelo arco 93 em sua posição de liberação.
A bolha, assim formada a partir do arco extremo 93 do braço 91, é deformada e
conduzida a tocar o segundo extremo 65 aberto do tubo de visualizarão 64, sendo
sugada e transferida para esse último, iniciando seu trajeto, na forma de um filme
transversal, em direção à câmara 10, passando pelas linhas de marcação 69.
Para a operação do dispositivo de medição da invenção, os vários componentes são
montados na maneira ilustrada nas figuras 1 e 2. A válvula de controle de gás 46 é
aberta para admitir o gás que sai do bico de gás 31 da conexão 56 montado ao extremo
de saída do tubo de fornecimento de gás 50. Isto produz um fluxo, tipo venturi, dentro
do tubo direcionador 28, sugando ar para dentro do tubo direcionador 28, para formar
um fluxo de mistura ar-gás a ser alimentada ao queimador de gás 20, e que é
descarregada pelas aberturas 26 do domo superior fechado 24 do queimador de gás 20,
para ser inflamada por qualquer meio adequado, tal como um fósforo, acendedor ou
dispositivo de ignição, para formar a coroa de chama.
O fluxo de ar ao longo do interior do tubo de visualização 64 faz com que a bolha,
formada pelo meio formador de bolha 90, seja sugada do arco extremo 93 do braço
91 para formar uma bolha, geralmente em forma de filme transversal no interior do tubo
de visualização 64. A bolha se desloca ao longo da passagem interna do tubo de
visualização 64 à medida que o ar flui. O tempo que a bolha leva para se deslocar de
uma linha de marcação de medição 69 à outra é função da vazão do ar. O tempo de
deslocamento da bolha pode ser determinado por um cronômetro ou pelo uso de
sensores óticos adequados (não ilustrados) nas linhas de marcação de medição 69.
93
Conhecendo-se as dimensões internas da seção de medição M do tubo de visualização
64 e o tempo de deslocamento da bolha ao longo da distância conhecida entre as duas
linhas de marcação de medição 69, a vazão do ar pode ser determinada. Sabendo-se
ainda a vazão de gás pela válvula de controle de gás 46, pode ser calculada a
percentagem de ar na mistura ar-gás.
Considerando que a bolha toma geralmente a forma de um filme disposto
transversalmente ao eixo geométrico do tubo de visualização 64 e ocupa toda a seção
transversal desse último, pode ocorrer um certo atrito entre a bolha e a face interna do
tubo de visualização 64. Para minimizar esse atrito, o tubo de visualização 64 pode ser
internamente revestido por um filme anti-fricção 80, por exemplo, uma camada de um
detergente neutro.
O dispositivo da invenção é útil para definir o consumo primário real de ar em
queimadores de gás de fogões de cozinha, permitindo o projeto e desenvolvimento de
tais queimadores de gás.
Características específicas da invenção são ilustradas em um ou mais desenhos apenas
por conveniência, uma vez que cada característica pode ser combinada com outras, de
acordo com a invenção. Configurações alternativas poderão ser reconhecidas por
técnicos no assunto e devem ser incluídas no escopo das reivindicações. Da mesma
maneira, a descrição acima deve ser tomada como ilustrativa e não limitante do escopo
da invenção. Todas as mudanças e modificações óbvias incluem-se no escopo
patenteado das reivindicações anexas.
94
95
96
97
9.2 Anexo 2 – Portaria INMETRO - Requisitos mínimos de segurança e desempenho
para os fogões e fornos a gás, de uso doméstico.
98
99
100
9.3 Anexo 3 – Regulamento específico para uso da etiqueta nacional de conservação de
energia – ENCE, linha de fogões e fornos a gás
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
9.4 Anexo 4 – Equação da combustão para vários gases
127
128
Livros Grátis
( http://www.livrosgratis.com.br )
Milhares de Livros para Download:
Baixar livros de Administração
Baixar livros de Agronomia
Baixar livros de Arquitetura
Baixar livros de Artes
Baixar livros de Astronomia
Baixar livros de Biologia Geral
Baixar livros de Ciência da Computação
Baixar livros de Ciência da Informação
Baixar livros de Ciência Política
Baixar livros de Ciências da Saúde
Baixar livros de Comunicação
Baixar livros do Conselho Nacional de Educação - CNE
Baixar livros de Defesa civil
Baixar livros de Direito
Baixar livros de Direitos humanos
Baixar livros de Economia
Baixar livros de Economia Doméstica
Baixar livros de Educação
Baixar livros de Educação - Trânsito
Baixar livros de Educação Física
Baixar livros de Engenharia Aeroespacial
Baixar livros de Farmácia
Baixar livros de Filosofia
Baixar livros de Física
Baixar livros de Geociências
Baixar livros de Geografia
Baixar livros de História
Baixar livros de Línguas
Baixar livros de Literatura
Baixar livros de Literatura de Cordel
Baixar livros de Literatura Infantil
Baixar livros de Matemática
Baixar livros de Medicina
Baixar livros de Medicina Veterinária
Baixar livros de Meio Ambiente
Baixar livros de Meteorologia
Baixar Monografias e TCC
Baixar livros Multidisciplinar
Baixar livros de Música
Baixar livros de Psicologia
Baixar livros de Química
Baixar livros de Saúde Coletiva
Baixar livros de Serviço Social
Baixar livros de Sociologia
Baixar livros de Teologia
Baixar livros de Trabalho
Baixar livros de Turismo
