Turbulador
Um turbulador é um dispositivo que transforma um fluxo laminar em um fluxo turbulento. O fluxo turbulento pode ser desejado em partes da superfície da asa de avião (aerofólio) ou em aplicações industriais, tais como permutadores de calor e na mistura de fluidos. O termo “turbulador” é aplicado a uma variedade de aplicações e é utilizado como um derivado das palavras turbulenta ou turbulência. No entanto, a palavra (originalmente no inglês turbulator) não tem significado comumente aceito técnica ou cientificamente. Como tal, ela foi aprovada como uma marca registrada nos EUA e outros países em conjunto com peças de máquinas usadas dentro de tambores rotativos, esterilizadores, fornos, equipamentos de transferência de calor, máquinas de mistura e peletização, e os circuladores e ventiladores de desestratificação de ar para usos em horticultura e agricultura, entre outros.
Turbuladores de aerofólio
Quando o ar flui sobre a asa (aerofólio) de uma aeronave, há uma camada de ar chamada camada limite entre a superfície da asa e a na qual o ar não é perturbado. Dependendo do perfil de asa, o ar irá fluir suave e frequentemente numa camada limite muito fina através da superfície da asa. A camada limite laminar estará perto do bordo de ataque e irá tornar-se turbulenta a uma certa distância a partir do bordo de ataque, dependendo da rugosidade da superfície e do número de Reynolds (dependendo pois da velocidade). No entanto, chega um momento, o ponto de separação, em que a camada limite rompe com a superfície da asa, devido à magnitude do gradiente de pressão positiva. Abaixo da camada separada, formam-se bolhas de ar estagnado, criando arrasto adicional devido à pressão mais baixa na esteira atrás do ponto de separação.[1]
Estas bolhas podem ser reduzidas ou mesmo eliminadas por meio da conformação do aerofólio para movimentar a jusante do ponto de separação ou por adição de um dispositivo, um dispositivo de turbulência que desloca a camada limite em turbulência. A camada limite turbulenta contém mais energia, então irá atrasar a separação até que uma magnitude maior do gradiente de pressão negativa seja atingida, de forma eficaz em mover o ponto de separação ainda mais à popa sobre a separação aerodinâmica e, possivelmente, a eliminar completamente. Uma consequência da camada limite turbulenta é o aumento da fricção de superfície relativamente a camada de limite laminar, mas isso é muito pequeno em comparação com o aumento de arrasto associado com a separação.
Em planadores o turbulador é muitas vezes uma fina tira em zig-zag, que é colocada sobre o lado superior da asa e por vezes no estabilizador vertical.[2] O planador DG 300 usa pequenos furos na superfície da asa para soprar ar para dentro da camada limite, mas existe o risco de que esses buracos ficarem bloqueados por resíduos de produtos de limpeza e polimento, poeira e umidade.
Turbulador em fita auto-adesiva em zig-zag de 60° - www.theaerodyne.com
Glaser-Dirks DG-300 - www.dg-flugzeugbau.de
Para a aeronaves com números de Reynolds baixos (ou seja, onde a minimização da turbulência e do arrasto são uma grande preocupação), tais como planadores, o pequeno aumento no arrasto da turbulência em altas velocidades é menor em comparação com as melhorias maiores a melhores velocidades de planeio, na qual o planador pode voar mais longe para uma dada altura.
Em fluxos em tubulações
O coeficiente de transferência de calor para líquidos e gases que fluem através de tubulações em trocadores de calor tende a ser limitado devido a uma camada limite do fluido próximo à parede do tubo que está estagnado ou se move em velocidade lenta, assim agindo como uma camada isolante. Tais permutadores de calor são, por exemplo, os de sistemas domésticos de aquecimento central. Esta camada limite pode ser quebrada ou reduzida em espessura, se turbuladores são colocados nos tubos, o que cria um fluxo turbulento, que reduz a espessura da camada limite e, assim, aumenta o coeficiente de transferência de calor.
Exemplos de turbuladores para fluxos em tubulações são:
Turbuladores de fita torcida, uma fita em helicoide que obriga o fluido a mover-se em um caminho helicoidal, em vez de em uma linha reta;
“Brock” turbuladores “brock”, uma fita dobrada em zig-zag;
Turbuladores de fios, tipicamente uma estrutura aberta de fios laçados e enredada que se estende ao longo de todo o comprimento de um tubo.
Turbuladores também podem ser colocados em uso em certos motores de combustão interna - em particular, um motor “ramjet”. Uma simples tela de arame poroso colocado no difusor da “ramjet” pode aumentar a turbulência no fluxo que entra na câmara de combustão, o que ajuda na mistura de combustível.[3]
Em tambores rotativos
Barras axiais são colocadas sobre a superfície interior de tambores de rotação aquecidos a vapor para criar turbulência na camada de condensado formando película (“rimming”). Se o espaçamento das barras for corretamente escolhido, ondas ressonantes são criadas na película de condensado, entre cada par de barras. Isso aumenta significativamente o nível de turbulência, mesmo a altas velocidades do tambor. Este aumento na turbulência diminui a resistência à transferência de calor do vapor, através da película de condensado, a caixa de tambor. O aumento da transferência de calor pode ser tão grande como 50%, mesmo quando comparado com o desempenho de cilindros com sifões rotativos modernos apurados. O aumento máximo, no entanto, exige que as barras operarem com a espessura ideal da camada de condensado.[4]
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Os três estágios da formação de condensado em tambores totativos. Editado de Heat Transfer with Turbulator® Bars - blog.kadant.com
Além disso, essas barras axiais podem reduzir a velocidade a que a camada de condensado vai passar da fase de cascata para o estágio de formação de película. Isto pode fornecer uma redução significativa da potência e do torque necessário para accionar o cilindro rotativo.[5] Quando se opera com a configuração correta de barras e com a profundidade de condensado ótima correspondente, essas barras axiais alcançam uma elevada taxa de transferência de calor e um elevado grau de uniformidade na transferência de calor.
Barras axiais são comumente usadas dentro de tambores rotativos em indústrias de papel e fabrico de tecidos, por exemplo, em cilindros de secagem da máquina de papel e os cilindros aquecidos a vapor similares, que são rodam a alta velocidade, onde o condensado estaria normalmente numa condição “rimming”. Estas barras aumentam a velocidade de secagem e a uniformidade do perfil de humidade transversal da máquina de papel. Uma série de diferentes configurações de barras axiais têm sido utilizadas nestas aplicações, com diferentes construções mecânicas. O termo "turbulator" é uma marca registada da Kadant Johnson e define uma configuração específica de barras axiais utilizadas nestas aplicações de tambores rotativos.[6]
Referências
1. Turbulators - www.mh-aerotools.de
2. Proper Turbulator Placement. Maughmer, Swan, Willits (2003).
3. The Talos Propulsion System, William B. Shippen, Walter G. Berl, William Garten Jr., and Everett J. Hardgrave, Jr., Johns Hopkins APL Technical Digest Vol. 3, No. 2, 1982, page 127.
4. Wedel, G. L., & Timm, G. L. (May, 2009). Heat Transfer Performance with Dryer Bars. Three Rivers, Mich.
5. Wedel, G. L., & Timm, G. L. (April, 2009). Drive Power and Torque in Paper Machine Dryers. Three Rivers, Mich.
6. Turbulator® Tube™ Bars; US Patent Nos. 7,028,756; 7,178582 and 7,673395 - www.kadant.com