Metodologia experimental para Estimativa do local fluxos de calor e queima Tarifas em estacionário limite laminar Chamas camada de difusão

O objetivo geral deste experimento é descrever o uso de microtermopares para estimar gradientes de temperatura locais em superfícies de combustíveis condensados em chamas de difusão com camada limite laminar estacionária. Este método pode ajudar a responder questões fundamentais na área da ciência do fogo, como explorar a relação dinâmica entre uma superfície de combustível condensado inflamável e chamas na fase gasosa em camadas limites laminares e turbulentas. A principal vantagem dessa técnica é que ela pode ser usada para medir com precisão taxas locais de queima de massa em chamas de difusão com camada limite laminar estacionária.

Colin Miller e Wei Tang demonstrarão este procedimento. Ambos são estudantes de doutorado em engenharia mecânica. Para experimentos com combustível líquido, prepare um pavio de combustível a partir de um material poroso não combustível, como lã de silicato de terra alcalina.

Asse o pavio por cerca de 20 minutos usando uma chama de difusão de um maçarico de propano. Isso queimará todas as ligantes orgânicas dentro do pavio. Em seguida, aplique um adesivo de alta temperatura na folha de alumínio e fixe a folha de alumínio ao pavio.

A parte superior deve permanecer limpa. Para experimentos com combustível sólido, prepare uma folha do combustível sólido com as mesmas dimensões do pavio. Para fixar o combustível sólido, corte um entalhe longo em uma folha de placa de isolamento de fibra cerâmica, ou use um material poroso não inflamável selado com tinta preta fosca resistente a altas temperaturas.

Para experimentos de convecção livre ou de fluxo forçado, posicione uma câmera fotográfica digital SLR de modo que ela possa visualizar o eixo central do combustível e um lado completo da chama. Para chamas de convecção forçada, observe o centro da amostra de combustível em uma área de dezesseis por oito centímetros, para que a distância de afastamento da chama na zona de pirólise possa ser calculada. Em seguida, posicione o mecanismo de varredura acima da amostra de combustível.

Em seguida, prenda cuidadosamente um termopar de fio de 50 micrômetros ao seu eixo horizontal. Depois, ligue o controlador programável do motor de passo e, para experimentos com fluxo forçado, conecte o ventilador centrífugo do túnel de vento. A seguir, ajuste o controlador PWM de acordo com a velocidade do ventilador.

Use um anemômetro de fio quente para verificar a velocidade na saída do túnel de vento. Agora, coloque os equipamentos de proteção e faça os preparativos finais para realizar o teste. Sature o pavio com combustível líquido.

Em seguida, coloque cuidadosamente o pavio embebido em combustível ou a placa de combustível sólido no suporte do pavio-combustível. Agora, verifique criticamente o nivelamento da superfície do pavio-combustível utilizando um medidor de ângulo. Depois, verifique a balança de massa e anote sua leitura antes do teste.

Antes de inflamar o combustível, verifique a ventilação da sala. O exaustor deve funcionar, mas estar ajustado para perturbar minimamente o fluxo de ar ao redor do experimento. Antes de inflamar uma amostra, calibre a câmera digital utilizando uma régua no local onde a amostra será colocada.

Além disso, inicie a aquisição de dados a partir do software da balança. Agora, posicione a amostra e, em seguida, acenda o combustível com um maçarico de propano. Para pavios, toque momentaneamente a superfície da ponta com a chama.

Para combustíveis sólidos, passe a chama uniformemente sobre a superfície por 50 a 60 segundos. Após o período de queima, apague a chama soprando-a. No caso de combustíveis sólidos, deixe a queima ocorrer por um tempo determinado.

Em seguida, repita o processo de queima várias vezes utilizando o mesmo intervalo de tempo. Após coletar todos os dados de queima, desligue o soprador ajustando o controlador PWM para zero e desconectando o soprador. Por fim, desligue o controlador do motor de passo.

Após várias queimas, a regressão incremental de um combustível sólido pode ser medida para verificar outras métricas. Após cada período de queima, corte o combustível sólido queimado ao longo da linha central. Em seguida, documente a regressão da queima com uma fotografia de vista lateral.

Analise as fotos de vista lateral no ImageJ. Abra-as por meio de Selecionar Arquivo e Abrir Imagem. Em seguida, abra a imagem da régua usando a opção Abrir Imagem de Calibração.

Em seguida, empilhe a imagem de calibração sobre a imagem do combustível sólido. Agora, defina a escala de medição traçando uma linha entre dois pontos com distância conhecida na régua. Depois, escolha Definir Escala no menu Analisar.

No painel Definir Escala, insira a Distância Conhecida da linha e clique em OK. Repita este procedimento com uma nova linha para confirmar que a escala de medição está correta. Agora, meça as distâncias na fotografia da amostra desenhando uma linha e observe o ângulo e a distância na barra de status. Ao pressionar Control M, os dados são salvos na janela de dados.

A regressão da queima é calculada como a espessura da amostra subtraída de sua espessura inicial. Importante observar o intervalo de tempo durante o qual a superfície do combustível permanece aproximadamente plana. Utilize a regressão da queima desse período para comparação com o mapeamento de temperatura ou para ajustes nas posições dos termopares realizados para compensar a regressão da superfície.

Para configurar o mapeamento de temperatura, alinhe cuidadosamente um termopar micro com a superfície do combustível utilizando um unislide X-Y. Posicione-o no centro do pavio de uma amostra sólida. Para um pavio de combustível, use o unislide X-Y para posicionar cuidadosamente o termopar micro ao longo da borda dianteira.

É fundamental que um termopar seja posicionado perfeitamente sobre a superfície da amostra. Se estiver desalinhado, todas as medições apresentarão algum grau de imprecisão. Ele deve estar o mais próximo possível da superfície do combustível para medições precisas.

No script Velmex, defina o intervalo de mapeamento de temperatura durante queimas estáveis como 150 segundos para PMMA sólido ou como 400 segundos para pavios impregnados com líquido. Defina o tamanho do passo, medido na superfície da amostra, para coletar dados a cada quarto de milímetro. Defina a taxa de amostragem entre 100 e 500 hertz.

Se a superfície se deformar dentro das margens de erro do experimento durante a varredura, os resultados deixarão de ser válidos; portanto, é fundamental ajustar corretamente o período de medição e o espaçamento. Agora, ao realizar o experimento de queima, execute o programa de aquisição de dados para que ele leia o algoritmo de varredura da grade a partir de uma pasta na área de trabalho. Com o programa em execução, os dados serão registrados automaticamente quando acionados pelo módulo de aquisição de dados no LabVIEW.

As taxas de perda de massa e os perfis de temperatura em uma chama de difusão em camada limite com convecção forçada foram medidas para amostras de PMMA. Os resultados mostram que temperaturas precisas podem ser capturadas próximas à superfície do combustível com pequenos erros, graças a termopares microscópicos e ao método de correção da radiação de dois termopares. Os gradientes de temperatura adimensionais ao longo da superfície do combustível de uma chama de difusão em camada limite de PMMA foram medidos em duas velocidades da corrente de ar.

As variações das taxas locais de queima de massa também foram medidas em diferentes condições de corrente livre. As taxas locais de queima de massa obtidas por meio de gradientes de temperatura adimensionais também foram comparadas com os dados experimentais obtidos por meio da regressão da superfície de PMMA. Os resultados foram muito semelhantes.

Os componentes dos fluxos de calor da chama foram examinados com maior detalhe em um fluxo forçado de 2,06 metros por segundo. O detalhamento das medições de temperatura próxima à superfície permitiu a extração dos fluxos de calor convectivo, os quais, quando combinados com as taxas de perda de massa na superfície, forneceram todos os componentes da queima para análise local. Uma vez dominada, esta técnica pode ser realizada em poucos minutos por amostra de combustível.

Após este procedimento, pode-se realizar a análise das taxas locais de queima e da transferência de calor para melhor compreender o comportamento de queima dos materiais e validar códigos numéricos. Não se esqueça de que trabalhar com estas chamas pode ser extremamente perigoso, e precauções como o uso de proteção ocular, trabalhar em ambientes bem ventilados e garantir que os materiais em combustão sejam não tóxicos devem sempre ser tomadas durante a realização deste procedimento.