PT101653B - Fluximetro de sopro - instrumento para a medicao de fluxos de calor por radiacao e conveccao - Google Patents

Description

MEMÓRIA DESCRITIVA

Fluxímetro de Sopro Instrumento para a medição de fluxos de calor por radiação e convecção

A presente invenção refere-se a um sensor capaz de medir o fluxo de calor total que incide sobre a sua superfície de captação, sendo em particular capaz de quantificar não só o fluxo de calor total mas também as suas componentes radiativa e convectiva. A sua aplicabilidade estende-se uma gama muito vasta de situações, desde a sua integração em sistemas de controlo, sistemas de diagnóstico e sistemas periciais para equipamentos industriais com trocas de calor como caldeiras, fornos e estufas, até a medição directa de fluxos de calor das mais variadas fontes como, por exemplo, a medição da radiação solar.

O presente sensor apresenta, face aos sensores existentes, diversas vantagens entre as quais podemos destacar:

a) a possibilidade de um único sensor permitir a medição separada de fluxos de calor por radiação e por convecção;

b) a capacidade de medir mesmo em ambientes com grandes problemas de sujamento (do Inglês fouling), sem que as leituras sejam afectadas por esse efeito.

c) uma grande simplicidade construtiva que deriva essencialmente de uma grande simplicidade do princípio de funcionamento;

d) uma grande versatilidade no que respeita à gama de fluxos a medir, podendo um único sensor abranger um largo espectro de fluxos sem que seja sacrificada a sua sensibilidade, através de uma simples adaptação do caudal de gás de sopragem..

Do ponto de vista funcional o sensor baseia-se na possibilidade de relacionar o fluxo de calor incidente na superfície 1 com a diferença de temperatura entre os pontos 2 e 3. O fluxo de calor incidente pode ser subtraído da sua componente convectiva através da sopragem (destruição) da camada limite responsável por esse fluxo, por meio de um caudal de ar (ou outro gás) que é bombado através do conjunto de discos porosos 4. Nessas condições o fluxo incidente resume-se simplesmente à componente radiativa do fluxo total. O caudal de ar minímo, capaz de soprar eficientemente a camada limite denomina-se por caudal crítico de sopragem. e é relacionável com a geometria do disco poroso e respectivo suporte e com as condições do escoamento no ambiente onde se pretende medir.

As principais funções do gás de sopragem são:

a) anulação da componente convectiva do fluxo de calor total;

b) arrefecimento do conjunto de peças que constituem o sensor, sem o qual mesmo para fluxos modestos, seria necessário arrefecimento exterior;

c) evitar a deposição de detritos na superfície do sensor, i.e., sujamento (fouling), que muitas vezes ocorre em equipamentos onde se verifica transferência de calor, como por exemplo câmaras de combustão, sujamento esse que ocorrendo, limita drasticamente a capacidade de medição nesse tipo de ambientes adversos;

Do ponto de vista constitutivo, o sensor é composto por um suporte 5, cuja principal função é alojar o meio poroso 4, no interior do qual estão alojados dois termopares 2 e 3, de acordo com as figuras em anexo. O disco poroso é mantido imóvel no interior do suporte 5 através da peça roscada 6, que o aperta contra a face interior da pane frontal do suporte.

O meio poroso é constituído por três discos que são empilhados uns sobre os outros de modo a permitir o posicionamento dos termopares no seu interior. Os discos porosos poderão ser construídos em material metálico ou cerâmico consoante o nível de temperatura previsto. Do mesmo modo, o tipo de termopares a usar será escolhido de modo a apresentarem urna boa sensibilidade na gama de temperaturas prevista. As restantes peças serão construídas numa liga metálica apresentando um baixo coeficiente de expansão térmica, e um comportamento mecânico adequado as exigências de utilização, nomeadamento no que diz respeito à fluência. Na peça roscada que fixa o conjunto de discos porosos, serão abertos longitudinalmente dois canais sobre a rosca, de modo a permitir a passagem dos fios dos termopares para o exterior. Esses canais serão abertos de modo a se localizarem num plano longitudinal à peça, fazendo 90° com um plano do mesmo tipo que contenha os pinos de fixação dos discos. Os mesmos canais existirão radialmente nas duas faces do disco poroso central, abrangendo na totalidade um diâmetro, e longitudinalmente nos discos porosos central e inferior, ver figura 1 e

2. Prevê-se a necessidade do acopolamento de um sistema externo de arrefecimento no caso do sensor ser utilizado em condições extremas, i.e., fluxos de calor superiores a 500 kW/m- .

O suporte terá em conta a necessidade de alimentação de um gás de sopragem, assim como de extracção dos cabos dos termopares a serem ligados a aparelhagem de tratamento do sinal. Terá ainda uma zona roscada na parte anterior, de modo a permitir a sua fixação no local de medição, sendo os fixadores desenvolvidos para cada aplicação.

Do ponto de vista dimensional, as peças referidas no parágrafo anterior, apresentarão dimensões em função da gama de fluxos de calor a ter em conta. Pode no entanto ser adiantado que o diâmetro dos discos porosos será de alguns centímetros, enquanto que a sua espessura será de alguns milímetros. Sendo esta a peça de maior imponancia no conjunto será ela a ditar aas restantes dimensões.

Claims (6)

1. REIVINDICAÇÕES

   C

   Fluximetro de sopro - Instrumento para a medição de fluxos de calor por radiação e convecção, para fins industriais, meteorológicos, ambientais e outros, constituído por três discos porosos empilhados (4) , apresentando dois termopares alojados em posição central, um entre os discos superior e central (2) e outro entre os discos central e inferior (3), discos porosos que são fixos entre si através de dois pinos localizados na posição (7) e na posição diametralmente oposta e que são por sua vez fixos ao interior de um suporte (5), através da peça roscada (6) que os aperta contra a face interior da parte frontal do suporte
2. 2‘Fluxírnetro de sopro - Instrumento para a medição de fluxos de calor por radiação e convecção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar corno superfície sensível um meio poroso de elevada emissividade, através do qual e feito passar um caudal de um gás de sopragem.
3. 3Fluxímetro de sopro - Instrumento para a medição de fluxos de calor por radiação e convecao, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por funcionar baseado na possibilidade de anular o fluxo de calor de origem convectiva pela sopragem das camadas limite térmica e hidrodinâmica inicialmente existentes sobre a sua zona sensível e responsáveis por essa componente do fluxo de calor total.

   'Γ'
4. 4^a

   Fluximetro de sopro - Instrumento para a medição de fluxos de calor por radiação e convecao, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por relacionar fluxo de calor com a diferença de temperatura entre os pontos (2) e (3), i.e., entre dois pontos distribuídos axialmente sobre o eixo do cilindro definido pelos três disco porosos — a

   Fluximetro de sopro - Instrumento para a medição de fluxos de calor por radiação e convecao, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por ser capaz de distinguir entre o fluxo de origem radiativa e o fluxo de origem convectiva mediante duas medições de fluxo sucessivas usando primeiro um caudal de sopragem inferior a um valor denominado por caudal critico de sopragem medindo deste modo uma diferença de temperatura entre os pontos (2) e (3) que é proporcional ao fluxo de calor total e usando de seguida um caudal de sopragem superior ao valor critico de sopragem sendo agora a diferença de temperatura proporcional ao fluxo de calor por radiação que subtraído ao fluxo total previamente medido proporciona a determinação do fluxo de calor por convecção.
5. 6 ^a

   Fluximetro de sopro - Instrumento para a medição de fluxos de calor por radiação e convecao, de acordo com a reivindicação 5, sendo o caudal critico de sopragem função de parâmetros de natureza física, caracteristicos do ambiente onde o conhecimento do fluxo de calor é pretendido (velocidade e densidade do fluido em circulação) e da geometria do sensor.

   rFluximetro de sopro - Instrumento para a medição de fluxos de calor por radiação e convecao. de acordo com a reivindicação 6, passível de utilização em ambientes a elevada temperatura devido ao forte poder refrigerador do gas de sopragem ao atravessar um meio com elevada capacidade de troca de calor como o e um meio poroso
6. 8Fluxímetro de sopro - Instrumento para a medição de fluxos de calor por radiação e convecao, de acordo com a reivindicação 7, passível de requerer arrefecimento exterior apenas quando utilizado em condições extremas de fluxo, i e., acima dos 500 kW/m²

   Fluximetro de sopro - Instrumento para a medição de fluxos de calor por radiação e convecao, de acordo com a reivindicação S, capaz de operar em ambientes caracterizados por uma forte capacidade de sujamento (do Inglês foulin^), sem prejuízo das suas capacidades de diagnóstico graças ao efeito do gás de sopragem, que afasta da superfície sensível as partículas em suspensão responsáveis por esse efeito.