QOO 20.00 40.00 6Q00 8Q00 100.00 120.00 140.00 16Q00 18000 1000 3a00 5Q00 7Q00 9QQ0 11Q00 130.00 15100 170.00 i_I_i_I_i_I_' -1 '—I—i ■4.75 - -4 .9 3 - -125 -4.00 - -3.75 -3.50- -3.2S - - -3.00- -275 -293 — -225 -200- -1.75 -1.93- -1.25 -1.0 0- -0i75 •0.5D- -025 0.00- a25 0.50-
Ivfetfição do potencial de sucção para o espermrtoaiKiliarcomtansdita'de pressão. i + I I I I _ l_ _l _ J _ J. I I I I -I--1--I - T I ! I I I . J- - I ,_ l __ I __ l _ _L _ J I I I I I i. - I I I I I I I I I I I I I I I I I I "l “ “ “ 1 " T _l _ J _ A _ 1 I I I l • t ~ r “ r • . L _ L _ l_ . I I I Zo b òe iranpdação i I i I I I i I I i i i i I i i i i i i i i . _l__ L — J. _ J__ I___I___ I 1 1 ) 1 .. _L _ ± _ J_ I I I I -- 1 —I- —h — -I- 1 1 ( 1 I I . L _ L . I I • h - h- • I I ! I I I I _ _ | _ _ _ T - T- - r - r - i i i i i i — + — (-• i i i i i i T - - a o o -4.75 - -4.50 - AZ -4.00 - *3.75 - - a s o -3.25 - - a o o - -275 - -250 - -225 - -200 -1.75 - -1.50 •1^5 - -1.00 ■0.75 [ - - a s o -025 - QOO 025 - aso a0O10“2o.oom%.af®eQ0^%a(f^0o.diaT2o.offmoifT6Qdf”aQoo Terrço(hrs)
Figura 5.13; Determinação do potencial de sucção para um experimento auxiliar.
Da figura anterior observa-se que o comportamento do sistema para determinar o potencial de sucção é bem mais rápido do que aquele observado no manómetro. Depois de começar a medição, a pressão de sucção num tempo de 5 horas aproximadamente aumenta até valores de -4.0 m.c.a. Conforme já discutido no inicio do capítulo V para os manómetros este tempo podia chegar a 24 horas.
O valor máximo atingido nas primeiras 68 horas de começado o experimento foi de - 4.25 m.c.a. para uma umidade conhecida de 30% de saturação. Este valor obtido concorda muito bem com aquele obtido experimentalmente por Oliveira (1993) conforme é mostrado no apêndice A na figura A. 4.
Da figura 5.13, observa-se que uma vez atingido o valor de -4.25 m.c.a a pressão de sucção começou a descer 0.75 m.c.a em 8 horas aproximadamente. Isto porque bolhas de ar apareceram no sistema afetando a medição. Uma vez tirada aquelas bolhas de ar, o sistema novamente começou a succionar até -4.25 m.c.a. em 32 horas aproximadamente, e quase atingiu -4.75 m.c.a. O fato do valor não ser exatamente -4.25 m.c.a deve-se à secagem natural do meio pela superfície superior até atingir 26% de saturação conforme foi observado na determinação de umidade por gravimetria feita depois do final do experimento auxiliar.
Feito o estudo do funcionamento do sistema tensiômetro-transdutor de pressão através do experimento auxiliar, na segunda fase do experimento e para uma potência cíclica de 0 - 41.8-0 W/m em períodos de 12 horas começou-se a medir o potencial de sucção. Dispunha-se de um transdutor de pressão e três tensiômetros, desta forma conectava-se um tensiômetro por
Capítulo V Resultados Experimentais 121
vez no transdutor e os resultados são apresentados na figura 5.14. Apresenta-se os valores do potencial de sucção para o tensiômetro localizados no fundo do reservatório quando a potência era de 0 W/m e os valores do potencial de sucção perto do cabo quando a potência era de 0 W /m e 41.8 W/m. QCD 500 10.00 1500 2QOO 2500 30.00 36.00 40.00 4500 290 7.50 1250 17.50 2250 2750 3250 37.50 4250 £ Q002ffl50D7”l0.od^15oá7W % a f^ 0 .a r3 5 .0 o "W ”4500 Tempo (hrs)
Figura 5.14; Medição do potencial de sucção no fundo do reservatório e perto da fonte de calor para o ciclo 0-41.8-0 W/m de potência em períodos de 12 horas.
Da figura 5.14 observa-se que o potencial de sucção no fundo do reservatório quando o backfill ainda não é aquecido (zona de 0 W/m) é de -4.5 m.c.a e corresponde a uma saturação inicial de 29% aproximadamente. Isto é determinado pelo valor máximo do potencial de sucção da figura 5.14. Este valor é coerente com a umidade inicial na qual o backfill foi introduzido no reservatório. A queda do potencial de sucção observada na figura após o valor máximo ter sido atingido deve-se ao surgimento de bolhas de ar que, antecedendo cada medição, eram retiradas.
A medição do potencial de sucção perto do cabo começa logo quando no meio é dissipada a potência de 41.8 W/m. Como observa-se na figura 5.14, o valor do potencial de sucção atingido perto do cabo indica uma saturação de 30% .
Depois de tirar as bolhas de ar do sistema e retomar a fonte para uma potência de 0 W/m, a medição do potencial de sucção mostra que o valor atingido passou a ser de -5.9 m.c.a o que corresponde a uma saturação perto do cabo de 25%, aproximadamente. Este valor obtido, mostra que a secagem do backfill ocorre bem próximo da fonte de calor. Adicionalmente verifica-se que o sistema de medição pode demorar 6 horas, aproximadamente, para registrar a movimentação da umidade.
Capítulo V Resultados Experimentais 122
Quando novamente se aplicou a potência de 41.8 W/m no meio e tirando rapidamente as pequenas bolhas de ar que já estavam presente no sistema, mediu-se um potencial de sucção perto do cabo de -6.6 m.c.a. o que corresponde a uma saturação de 23%. Este valor é quase o mesmo obtido no fim da primeira fase do experimento quando através do método gravimétrico se obteve o valor da saturação perto do cabo de 22.7% (ver figura 5.11).
O último aspecto importante da figura 5.14, diz respeito às grandes instabilidades do sistema de medição da umidade quando existem grandes potenciais de sucção. Isto ocorre em virtude das bolhas de ar. Tais bolhas afetam danosamente as medições. De fato, isto é observado quando o sistema atinge os -6.5 m.c.a. ; rapidamente bolhas de ar entram no sistema e o potencial medido caia. Deve-se ter em conta que ditas bolhas não necessariamente são de ar já que considerando que as pressões no sistema correspondem a temperaturas de saturação d'
água muito próximas às da atmosférica, é provável então a formação de vapor no sistema.
No decorrer desta fase, o transdutor de pressão foi danificado e não foi mais possível medir a umidade no meio poroso. A quebra do transdutor ocorreu ao se manusear o sistema para retirar as bolhas de ar. A medição de umidade em solos tem se mostrado difícil e com muitas incertezas. No presente experimento foram adotadas as duas técnicas comumente empregadas: o método gravimétrico (pesagem) e o método do potencial de sucção. A despeito dos esforços dispendidos ambos os métodos possuem limitações. O primeiro por ser uma técnica destrutiva e o segundo por ter dificuldades em capturar altos potenciais de sucção. Presentemente Larrosa (1996) e Larrosa et al. (1995) têm explorado o método da reflectometria no domínio do tempo, (técnica TDR) que tem se mostrado bastante promissor.
5.5 An á l i s e Ge r a l Do s Re s u l t a d o s
A abundante informação obtida e analisada sobre o comportamento térmico/hidráulico do solo em presença de uma fonte de calor permite estabelecer várias conclusões.
O solo reage rapidamente frente às variações externas da temperatura ou ainda frente às variações internas da potência dissipada no meio. Isto em termos gerais indica a grande capacidade do solo para transportar a energia térmica. Na prática, observa-se que rápidas variações de potência da fonte de calor são imediatamente percebidas pelo solo dentro dos primeiros 7 cm da fonte de calor (raio/raio da fonte «5.5).
As diferenças de temperaturas observadas entre os planos verticais (superior, inferior) e horizontais do reservatório mostram que a menor resistência ao transporte de calor é no plano vertical no sentido da superfície do reservatório. Este fato põe em evidência a importância das condições de contorno estabelecidas no reservatório.
As diferenças de temperaturas verticais registradas para a mesma posição superior e inferior aumentam em função de uma maior potência, o caso extremo é aquele da potência de
Capítulo V Resultados Experimentais 123
80 W/m com uma diferença de 4.8 °C. Provavelmente estas diferenças ocorrem pelo efeito das variações das condições de contomo.
As temperaturas medidas nas secções B-B e C-C em geral apresentam simetria axial. Quando compara-se porém as temperaturas da secção A-A com as outras secções observa-se diferenças máximas de 3°C quando a potência é de 80 W/m. Este mesmo efeito foi captado através dos transdutores de fluxo de calor quando detectou-se uma diferença máxima de potência dissipada entre o centro e o extremo da fonte de calor em torno de 9%. Esta diferença é pequena e tem pouco efeito prático sobre as temperaturas; observa-se da medição do fluxo de calor que para uma diferença de potência de 9% a diferença de temperatura é de 0.4 °C.
Na figura 5.15 foi plotada a temperatura adimensional em função do logaritmo do número de Fourier para as diversas potências dissipadas no meio. A temperatura foi normalizada em relação à taxa de calor na superfície da fonte de calor de forma que T* = 2n X* (T-Tj) / q onde X é a condutividade térmica aparente do meio para 30% de saturação e temperatura de 50°C com um valor de 1.69 W/m-K; Tj é a temperatura inicial do solo e q ' o calor por unidade de comprimento. O número de Fourier é F0 = a j t / rc 2 0nde a j é a difusividade térmica do meio (8.415*10-^ m^/s), t o tempo e rc o raio da fonte de calor.
Capítulo V Resultados Experimentais 124
Na figura observa-se uma curva quase universal para este tipo de solo, que permite, para qualquer potência, conhecer num tempo definido a temperatura próxima do cabo. Hartley e Black (1981) obtiveram numericamente uma curva semelhante para outro tipo de solo; através desta curva conseguiram determinar o momento em que acontece a chamada instabilidade térmica. Para nosso solo ditas instabilidades térmicas não chegam a ocorrer e a variação observada na curva para 80 W/m é justificada pelas irregularidade da fonte de alimentação conforme foi descrita na secção 5.2.7 e mais especificamente observada na figura 5.10. Na figura 5.15 foi plotada na mesma forma a solução unidimensional da equação da energia com propriedades térmicas constantes sem dependência da umidade. Duas condutividades térmicas foram utilizadas (1.69 W/m-K e 1.47 W/m-K) com o objetivo de verificar a sensibilidade da solução para dita propriedade. Os resultados mostram uma importante diferença entre as curvas analíticas e as experimentais onde dois aspectos devem ser considerados para justificar os desvios entre as curvas. O primeiro diz respeito à bidimensionalidade do problema e o segundo se deve à dependência das propriedades com a umidade.
A fim de visualizar a temperatura imediatamente próxima ao cabo para diferentes períodos em função do tempo foi preparada a figura 5.16.
Figura 5.16, Temperatura adimensional função da razão tempo/período para o ciclo periódico de 0-41.8-0 W/m.
Capítulo V Resultados Experimentais 125
Esta figura, que foi construída com os dois últimos ciclos de potência periódica 0-41.8-0 W/m, permite conhecer o comportamento do sistema cabo-solo para diversas potências dissipadas no meio. Verifica-se da figura que as curvas apresentam o mesmo comportamento independente da duração do período de carga.
Com relação ao efeito da umidade no experimento, para o nível de potência analisado e o conteúdo de umidade investigado, a relação existente entre a umidade do meio e a resposta térmica é pequena. Para uma potência aplicada de até 41.8 W/m determinou-se que para uma umidade inicial de 30% o campo de umidade estabelecido no solo é:
• Até 2 cm da fonte de calor => 23% de saturação; • Entre 2 até 15 cm da fonte de calor => 25% de saturação; • Acima de 15 cm os valores são em media 26 % de saturação.
A diminuição de saturação de 30% até 23% como máximo é muito pequena para observar fenômenos de transferência de massa com instrumentos tradicionais. Por último a pouca variação da umidade mostra que o backfill é um solo muito bom na retenção de umidade e, assim, na utilização dos cabos subterrâneos.