PROJETO DE UM APARATO DE MEDIÇÃO DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA

Leonardo Lachi Manetti

Itamar Dias Júnior

Nathália Santana

Rocheli Carnaval Cavalcanti

Fernando Jorge Corrêa Magalhães Filho

Fabiano Pagliosa Branco

Introdução

• A condução é umdos processo de transferência decalor.

• A taxa na qual o calor é transferido por condução (qk)é proporcional ao gradiente de temperatura:

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• A proporcionalidade é uma propriedade de transportede calor (k) conhecida como condutividade térmica(W/mK), e é uma característica do material.

Introdução

• Os métodos de medição de propriedades térmicas podemser divididos emdois grupos: métodos estacionários emétodos dinâmicos.

• Entre os estacionários, existe o método Fluximétricocomparativo, no qual utiliza materiais de referências paradeterminação da condutividade térmica de uma amostra.

• Um método Fluximétrico comparativo pode serconstruído seguindo a norma ASTME-1225:– Faixa de medição: 0,2 <k < 200 W/mK

– Faixa de temperatura: 90 a 1300 K

Objetivo

• O objetivo deste trabalho é apresentar o projeto de umaparatode medição de condutividade térmica seguindo a norma ASTME-1225, para sua futura construção e medição emamostras dediversos materiais que ainda não possuemsua condutividadena literatura.

Metodologia

• Projetou-se o aparato utilizando um software CAD, realizando o projeto dos seguintes componentes:– Amostra (corpo de prova);

– Barra de medição (referência);

– Guarda cilíndrica longitudinal;

– Isolante térmico;

– Aquecedor;

– Refrigerador;

– Sistema de Aquisição de temperatura.

Metodologia

• Adotou-se, a metodologia da norma ASTM E-1225.

Metodologia

• No regime permanente, a condutividade térmica é calculada:

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� � ��

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�� � ������2

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�� � ��

Resultados• Barras de medição:

– escolheu-se usar barras cilíndricas comdiâmetro de 2 polpor ser uma dimensão comercialmente disponível;

– Os furos para a alocação dos termopares devem estar a um raio de distância da extremidade;

– As barras de medição serão de Aço Inoxidável Austenítico304 por possuir uma condutividade térmica conhecida:

�� � 1,22 ∙ ��, ��

Resultados

• Amostra:– Deve possuir o mesmo diâmetro das barras de medição;

Resultados• Guarda cilíndrica longitudinal:

– A guarda deve possuir um diâmetro que seja entre 2 à 3,5 vezes maior que o diâmetro da amostra;

– para a guarda cilíndrica longitudinal será usado um tubo de aço com diâmetro de 6 pol.

Resultados

• Isolante:– O isolante térmico deverá preencher todo o espaço entre a

guarda cilíndrica longitudinal e pilha de medição.

– optou-se por usar a espuma de poliuretano expansiva porser de fácil aplicação, alémde possuir condutividadetérmica de aproximadamente 0,025 W/mK.

Resultados

• Aquecedor:– possuirá uma resistência elétrica ligada emuma fonte de

energia elétrica. A resistência escolhida foi do tipocartucho.

– Ela será colocada dentro de umcilindro de alumínio.

Resultados

• Refrigerador:– será colocado na extremidade oposta ao do aquecedor,

criando assimumgradiente de temperatura.

– será composto por uma placa termoelétrica PeltierTEC12706 (15,4 V e 6 A) junto comum conjuntodissipador aletado comventoinha.

Resultados

• Sistema de aquisição de temperatura:– serão usados sensores termopares devido a sua pequena

dimensão, robustez, rápida resposta e disponibilidade.Sendo eles do Tipo J e Tipo K.

– para a leitura do sinal vinda dos termopares, será utilizado um Data Acquisition (DAQ) Agilent® 34970A

Resultados• Montagem final:

Nº do Item Descrição Material Qnt.

1 Guarda Cilíndrica Aço Carbono 2

2 Isolante térmico Poliuretano 2

3 Barra de medição Aço Inox. 304 2

4 Aquecedor Alumínio 1

5 Resistência elétrica - 1

6 Amostra - 1

7 Placa termoelétrica - 1

8 Dissipador térmico Alumínio 1

Conclusão

• Com a finalização do projeto do aparato e obtençãodos materiais, pretende-se realizar sua construção everificar seu funcionamento. A partir de testesexperimentais será possível fazer alterações emelhorias no aparato e por fimrealizar as mediçõesde condutividade térmica de diversos materiais.

ReferênciasAmerican Society for Testing and Materials (ASTM), 1999, “E1225: Standard Test Method forThermal Conductivity of Solids by Means of the Guarded-Comparative-Longitudinal Heat FlowTechnique”, ASTM, 8p.Bejan, A., 2004, “Transferência de Calor”, Ed. Edgard Blücher, São Paulo, Brasil, 540p.Callister, W. D., 2002, “Ciência e Engenharia de Materiais:Uma Introdução”, Ed. LTC, Rio deJaneiro, 5 ed., 589p.Incropera, F. P., Dewitt, D. P., Bergman, T. L. and Lavine, A.S., 2008, “Fundamentos deTransferência de Calor e de Massa”, Ed. LTC, Rio de Janeiro, Brasil, 6 ed., 643p.Müller, F. G., 2007, Estudo de Transferência de Calor em Equipamento de Medição deCondutividade Térmica baseado na norma ASTM E1225, UFRGS, Porto Alegre.Ribeiro, L. C., Borges, V. L., Guimarães, G., Silva, S. M. M. L., 2003, “Medição deCondutividade Térmica em Materiais Sólidos Não Condutores”, Anais do 13º Simpósio doPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica (POSMEC).Simioni, W. I., 2005, Análise de erro na Medição de Condutividade Térmica de Materiais atravésdo Método Fluximétrico, UFSC, Florianópolis.PROTOLAB - Laboratório de Propriedades Termofísicas. 2013, Condutividade térmica. 15 Abril2014 <http://www.protolab.com.br/Condutividade_Termica.htm>.Çengel, Y. A.; Ghajar, A. J.; Kanoglu, M., 2012, “Transferência de Calor e Massa: uma abordagemprática”. Ed. AMGH, Porto Alegre, Brasil, 4 ed, 904p.

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