3 - aula medicao condutividade termica materiais solidos

Departamento de Engenharia Mecânica

Laboratório de Engenharia Térmica I

Prof. Rogério Ramos

3 – Aula de Medição da Condutividade Térmica de Materiais Sólidos:

- Definição de Condutividade Térmica

- Técnicas de avaliação da condutividade térmica - Técnicas de avaliação da condutividade térmica

e seus princípios

- O medidor Cussons P5687




x

TAkQ xx ∂

∂= ..&

A propriedade termofísica conhecida como Condutividade Térmica é definida

a partir da dedução da Lei de Fourier para condução de calor:

x

TAkQ i r

r

∂∂−= ..

zyx QQQzyxT &&& ++⇒),,(y

TAkQ yy ∂

∂= ..&

z

TAkQ zz ∂

∂= ..&

Materiais anisotrópicos: kx ≠ ky ≠ kz

Materiais isotrópicos: kx = ky = kz = k




Material anisotrópico Material isotrópico




( )

=⇒= WQ

kdT

AkQ ..&

&

Considerando material isotrópico em condução unidimensional :

( )

=⇒=Cm

W

dxdTA

Qk

dx

dTAkQ

o....&




Algumas normas pertinentes a medição da condutividade térmica:

Association Française de Normalisation - AFNOR NFX10-021, 1972, Determination de

conductivité thermique avec la plaque chaude gardée pour des échantillons

symétriques.

American Society for Testing and Materials - ASTM E1225-87: Standart Test Method for

Thermal Conductivity of Solids by Means of the Guarded-Comparative Longitudinal Thermal Conductivity of Solids by Means of the Guarded-Comparative Longitudinal

Heat Flow Technique, 1987

British Standarts Institution - BSI BS-874: Guarded Hot Plate, Section 2.1, 1986

Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT NBR 15220-2 - Desempenho térmico

de edificações - Parte 2: Métodos de cálculo da transmitância térmica, da capacidade

térmica, do atraso térmico e do fator solar de elementos e componentes de edificações







e seus princípios

- O medidor Cussons P5687




∆∆

≈∂

∂=

xTA

Q

xTA

Qk

..

&&

Aparelho de Sealer

thermal insulation

( )

−

−=⇒

∆∆

∂∂

x

TTD

TTcmk

xTAx

TA

212

43

.4.

..

..

π&




Método por Evaporação

TA

QTA

Qk

∆≈

∂=

..

&&

xTAx

TAk

∆∆

≈∂

∂=

..




Medição de condutividade em altas temperaturas

Medição de condutividade em placas finas







e seus princípios

- O medidor Cussons P 5687




O medidor Cussons P 5687Método: Fluxo de calor em regime permanente

Localização: Laboratório de Geração de Potência




A seção de teste:




Suporte

Fonte de Calor(ResistênciaElétrica)

Corpo de

(+) V,I

(-)

T1

T2

Água:m,c, Tentr

Tsaida

Corpo de Prova - CP

Sorvedourode Calor

Mola

T3

T4




O medidor Cussons P 5687 – Visão Geral

Tampa isolante desmontada (visão do CP) Tampa isolante montada




Esquema do painel do medidor Cussons P 5687

10

8

1

9

1) Tampa Isolante Montada

4

8

5763

2

1) Tampa Isolante Montada

2) Alavanca de Travamento do Corpo de Prova

3) Bornes para Multímetro

4) Rotâmetro de medição e controle de vazão

5) Chave Seletora de Corrente

6) Chave seletora de termopar

7) Chave Lig. / Desl.

8) Amperímetro

9) Termômetros de Mercúrio

10) Alarme de queda de tensão




)(*

)]..(.[

ji

eságua

TTA

xTTcmk

−∆−

=&

⇒∆

≈∂

=TQ

TQ

k&&

⇒

∆∆

≈∂

∂=

xTAx

TAk

..

[ ])(*

..

ji TTA

xIVk

−∆=




Esquema dos Corpos de Prova Longos

4 X 1,5 mm

100 mm

5 mm

30 mm

30 mm

Vista Frontal

5 mm

30 mm

30 mm

Vista Lateral


4 X 1,5 mm

100 mm

5 mm

30 mm

30 mm

Vista Frontal

5 mm

30 mm

30 mm

Vista Lateral

4 X 1,5 mm

100 mm

5 mm

30 mm

30 mm

Vista Frontal

5 mm

30 mm

30 mm

Vista Lateral

Geometria do CP longo Cussons P 5687

25,4 mm

100 mm30 mm

30 mm

5 mm

25,4 mm

30 mm

30 mm

5 mm

25,4 mm

100 mm30 mm

30 mm

5 mm

25,4 mm

30 mm

30 mm

5 mm

25,4 mm

100 mm30 mm

30 mm

5 mm

25,4 mm

30 mm

30 mm

5 mm





Esquema dos Corpos de Prova Curtos

40 mm

5 mm

4 X 1,5 mm

5 mm

40 mm

5 mm

5 mm

Vista Frontal Vista Lateral


40 mm

5 mm

4 X 1,5 mm

5 mm

40 mm

5 mm

5 mm

Vista Frontal Vista Lateral

Geometria do CP curto Cussons P 5687

40 mm

5 mm

100 mm5 mm5 mm

40 mm

5 mm

5 mm5 mm

25,4 mm 25,4 mm

40 mm

5 mm

100 mm5 mm5 mm

40 mm

5 mm

5 mm5 mm

25,4 mm 25,4 mm





Corpos de Prova de Cobre Corpos de Prova de Aço




A geometria dos corpos de prova possibilita:

1) Avaliar a condutividade térmica de materiais metálicos de alta

condutividade (o material deve resistir a uma tensão máxima de 0,4

MPa devido à pressão da mola);MPa devido à pressão da mola);

2) Avaliar o efeito de melhoradores de condução, tais como pastas

térmicas e folhas metálicas intersticiais;

3) Avaliar a resistência térmica de contato com diferentes rugosidades

(utilizando os CP’s curtos)




405060708090

100110120130140

0,005 0,045 0,055 0,095

T (

ºC) Cobre Liso Com Pasta Térmica

Cobre Liso Sem Pasta Térmica

Exemplo de aplicação

0,005 0,045 0,055 0,095Posição (m)

405060708090

100110120130140

0,005 0,045 0,055 0,095

T (

ºC)

Posição (m)

Cobre Rugoso Com Pasta TérmicaCobre Rugoso Sem Pasta Térmica




Procedimento experimental:1) Impregnar o corpo de prova CP de pasta térmica nas superfícies de contato

térmico e nos furos dos termopares;

2) Com a tampa isolante [1] desmontada, instalar o CP na estrutura do medidor

acionando a alavanca da mola [2]. Verificar se o CP está devidamente

centralizado entre o aquecedor e o sorvedor de calor;

3) Instalar os termopares numerados de T1 a T4, iniciando de cima para baixo.

Verificar se os termopares estão instalados na linha de centro do CP;

4) Instalar a tampa isolante [1] e verificar seu correto posicionamento;4) Instalar a tampa isolante [1] e verificar seu correto posicionamento;

5) Instalar o multímetro com leitura para termopares nos bornes [3];

6) Estabelecer a vazão de água no sorvedor de calor, ajustando no rotâmetro

[4] (essa vazão deve ser constantemente verificada e ajustada para manter

seu valor constante);

7) Verificar se a chave seletora de corrente [5] está no valor mínimo e se a

chave seletora de termopares [6] está na posicão 1;

8) Ligar o equipamento na chave liga-desliga [7];

9) No amperímetro [8], ajustar a corrente em 0,4A, verificando sempre o seu

valor;

10) O aquecimento começará e deve ser acompanhado anotando-se as leituras

de temperaturas de cada termopar a cada 5 min, bem como as leituras dos

termometros de entrada e saída da água [9].




Dicas a serem consideradas na redação do relatório:

1) Na montagem do experimento deve ser definido o escopo da

medição: afinal o que vai ser avaliado ?

2) Na montagem do CP tanto as superfícies de contato como os

termopares devem estar impregnados de pasta térmica.

3) Deve ser verificado se o experimento se encontra em regime 3) Deve ser verificado se o experimento se encontra em regime

permanente . Como conferir esse regime ?

(Para estabelecer um regime permanente de qualidade, a tampa

isolante não deve ser aberta durante a realização da medição, bem

como variações de vazão e corrente elétrica)

4) Durante a avaliação devem ser anotadas todas as medidas

pertinentes (lineares, elétricas, de vazão e temperatura).

5) A leitura de vazão é volumétrica, feita por um rotâmetro. Porém, na

expressão de k é necessária a vazão mássica.




Perguntas a serem respondidas no relatório:

1) a) Qual é a melhor forma de avaliar a condutividade térmica no aparelho

P5687: Utilizando o calor gerado na resistência elétrica ou o calor absorvido

pela água?

b) Qual é a melhor relação de diferença de temperaturas e distâncias que

devem ser utilizados na expressão de k ?

Justifique suas respostas.Justifique suas respostas.

2) Qual é a condutividade térmica do material analisado ? (Apresente seu

resultado de forma tabular e organizada, incluindo cálculos e raciocínios

intermediários)

3) Estime as incertezas da medição.

4) Quais são as principais fontes de erro do experimento ?

5) O modelo matemático utilizado é verossímil ? Explique e relacione com a

questão 4.

6) Proponha melhorias no aparelho e justifique.

7) Com o medidor P5687 é possível medir a condutividade térmica de líquidos e

gases ? Explique




T1

T2

O Corpo de Prova - CP

T2

T3

T4

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Documents

sorvedor de

justifique

rogrio ramos

na montagem

medidor cussons

tampa isolante

condutividade

verificar