Museu do Amanhã
Atualmente
encontra-se em fase de construção a estrutura do museu do amanhã, no Píer de
Mauá – RJ, projetada pelo arquiteto Santiago Calatrava. Um quebra cabeça de
pelo menos 5300 peças, com a cobertura que conterá aletas móveis que se movimentarão
de acordo com a posição do sol no céu, para posicionar melhor os painéis
solares. A estrutura contará com 320 metros de extensão e 50 metros de largura,
sendo composta parcialmente em aço e em concreto armado. Nas extremidades, a
cobertura avança para além das paredes do museu, criando vãos livres de até 75
metros de extensão.
Foram
realizados testes em túnel de vento, com uma miniatura para observar a
incidência de ventos, pois a estrutura ficará situada no litoral e como ela não
se encaixa em nenhum estudo previamente relatado na literatura mundial, foram
necessários vários testes para garantir a integridade da estrutura.
Para
estes testes, foram utilizados conhecimentos acerco da mecânica dos fluidos.
Através dos dados coletados no túnel de vento, os efeitos mais críticos da
estrutura serão corrigidos, e serão dimensionadas as peças e ligações, e
verificada a rigidez de toda a estrutura.
Os
túneis de vento, nada mais são do que estruturas que propiciam a simulação do
comportamento do ar em relação a diversos tipos de meio. Sendo que ocorrerá
duas situações, fluxo laminar e fluxo turbulento.
O fluxo
laminar caracteriza-se por, exibir mínima agitação das camadas do fluido, sendo
que as diferentes do fluido se deslocam em planos paralelos, sem se misturar. A
velocidade é aproximadamente constante em cada ponto do fluido. As linhas de
corrente não se cruzam. Usualmente, caso o valor deste seja inferior a 2300, o
regime é considerado laminar.
No fluxo
turbulento as partículas se misturam de forma não linear, isto é, de forma
caótica com turbulência e redemoinhos, em oposição ao fluxo laminar. É visível
o fluxo turbulento quando pressão, velocidade e densidade apresentam grande
variabilidade. O parâmetro mais utilizado para a verificação da existência
deste regime é o número de Reynolds. Usualmente, caso o valor deste seja
superior a 2300, o regime considerado é o turbulento.
Comparação de fluxo laminar e turbulento.
Aqueça regimes de fluxo de transferência.
Um dos factores importantes que controlam a transferência de calor é a resistência ao fluxo de calor através das várias "camadas" que formam a barreira entre os dois fluidos.
A força motriz para a transferência de calor é a diferença nos níveis de temperatura entre os fluidos quente e frio, maior a diferença, maior a taxa à qual o calor irá fluir entre eles e o designer deve optimizar os níveis de temperatura em cada fase para maximizar o total taxa de fluxo de calor.
A resistência ao fluxo de calor é formado por cinco camadas, como se segue:
- O interior "camada limite" formado pelo fluido que flui em estreito contacto com a superfície interior do tubo.
- A camada de incrustação formado pela deposição de sólidos ou semi-sólidos na superfície interior do tubo (que pode ou não estar presente).
- A espessura da parede do tubo e o material utilizado regulará a resistência ao fluxo de calor que o próprio tubo.
- A camada de incrustação formado pela deposição de sólidos ou semi-sólidos sobre a superfície exterior do tubo (que pode ou não estar presente).
- A "camada limite" exterior formado pelo fluido que se escoa em contacto com a superfície exterior do tubo.
Os valores a serem utilizados para a [2] e [4] são geralmente especificadas pelo cliente, como resultado da experiência, enquanto o designer irá seleccionar o tubo de tamanho, espessura e os materiais de acordo com a aplicação.
A resistência ao fluxo de calor, resultando de [1] e [5], (designados os coeficientes de transferência de calor parcial) dependem em grande medida da natureza dos fluidos, mas também, fundamentalmente, na geometria das superfícies de transferência de calor que estão em contacto com ele. Importante, os valores finais são fortemente influenciadas pelo que acontece ao nível das camadas limite, o fluido realmente em contacto com a superfície de transferência de calor.
As camadas limite.
Quando um fluido viscoso flui em contacto com um tubo, a uma velocidade baixa, fá-lo de uma maneira que não produz qualquer intermistura do líquido, a camada limite, o fluido em contacto com o tubo, terá a sua velocidade reduzida ligeiramente viscoso arrastar e calor irá fluir através do fluido para fora do (ou para) a parede do tubo por condução e / ou por convecção.
À medida que a velocidade do fluido é aumentada acabará por se atingir um nível que irá fazer com que o fluido para formar turbilhões de turbulência em que a camada limite rompe com a parede e se mistura com a maior parte do fluido mais distante da parede do tubo.
A velocidade em que isso ocorre é influenciado por muitos factores, da viscosidade do fluido, a rugosidade da parede do tubo, a forma do tubo, o tamanho do tubo, etc
A fim de quantificar a turbulência (ou falta dela), em termos práticos Engenheiros de transferência de calor utiliza um número adimensional denominado número de Reynolds que é calculado como se segue:
Re = dg / μ
Em que:
| Por experimentação, verificou-se que o número de Reynolds inferior a 1200 descrevem a condição em que não há rompimento da parede do tubo o qual é denominado de fluxo laminar. As propriedades físicas do fluido são os factores determinantes para a transferência de calor nesta região que é ineficiente em termos de transferência de calor. A linha azul no gráfico é para um tubo liso, enquanto que o vermelho é para um tubo ondulado. Como pode ser visto, se ou não os tubos são onduladas, quando operando num regime laminar tubos de fluxo onduladas têm nenhum efeito positivo até que o número de Reynolds é superior a 1000. | |
| A valores de número de Reynolds entre 1200 e 2000, é uma zona de incerteza chamado a zona de transição em que pode ou não ser a turbulência gerada dependendo de outros factores imprevisíveis. Como se trata de uma zona de transferência de calor de incerteza Engineers tentar evitar os fluidos que fluem em esta área. Como pode ser visto, neste caso, quando os tubos são corrugadas, eles proporcionam uma melhoria significativa quando o número de Reynolds é superior a 1000, mas ainda abaixo do nível de 2000 requerido para o fluxo turbulento, com um tubo liso. | |
| No número de Reynolds acima de 2000 há substancial ruptura com a parede do tubo e a condição é descrita como um fluxo turbulento, com mistura significativa da camada limite e o fluido a granel. Esta é a área mais eficiente para permutadores de calor para trabalhar dentro Este gráfico mostra que a ondulação nos regimes de fluxo turbulento tem um efeito significativo reforço para números de Reynolds acima de 2000, quando comparado com os tubos lisos equivalentes. |
Muitas técnicas têm sido tentados para reduzir o valor do número de Reynolds, o qual é produzido um escoamento turbulento, mas a maioria tem a desvantagem de aumentar a resistência ao fluxo de fluido, a perda de pressão, a uma taxa que aumenta mais rapidamente do que a diminuição da resistência da camada limite . Alguns não são utilizáveis se existem outros sólidos presentes, se o fluido é muito viscoso.
Uma técnica que é universalmente útil e não tem as desvantagens dos outros, é que de deformar o tubo com uma espiral contínua indentação raso ou um recorte local intermitente. A pesquisa mostrou que, escolhendo a profundidade, ângulo e largura da indentação cuidadosamente, o número de Reynolds o fluxo turbulento, que é produzido pode ser reduzido significativamente inferior a 2000.
Em valores do número de Reynolds acima de 2000, este tipo de deformação também aumenta significativamente a quantidade de turbulência e, portanto, a taxa de transferência de calor, que pode, quando corretamente balanceada com os outros fatores reduzem o requisito de área de superfície e, por conseguinte, o custo do permutador de calor.
Por Ricardo Eing Roecker e Ricardo Tasca
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