Motores Termicos Utilizando Ligas com Memoria de Forma para

Explorar Calor Residual

Lucas de Oliveira Cunha

Projeto de Graduacao apresentado ao

Curso de Engenharia Mecanica da Escola

Politecnica, Universidade Federal do Rio

de Janeiro, como parte dos requisitos ne-

cessarios a obtencao do tıtulo de Engenheiro.

Orientador: Marcelo Amorim Savi

Rio de Janeiro

Agosto de 2019

Motores Termicos Utilizando Ligas com Memoria de Forma para

Explorar Calor Residual

Lucas de Oliveira Cunha

PROJETO DE GRADUACAO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO

DE ENGENHARIA MECANICA DA ESCOLA POLITECNICA DA UNIVERSI-

DADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NE-

CESSARIOS PARA A OBTENCAO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECANICO

Autor:

Lucas de Oliveira Cunha

Orientador:

Prof. Marcelo Amorim Savi

Examinador:

Prof. Fernando Pereira Duda

Examinador:

Prof. Gustavo Rabello dos Anjos

Rio de Janeiro

Agosto de 2019

ii

Declaracao de Autoria e de Direitos

Eu, Lucas de Oliveira Cunha CPF 132.352.137-24, autor da monografia Mo-

tores Termicos Utilizando Ligas com Memoria de Forma para Explorar Calor Resi-

dual, subscrevo para os devidos fins, as seguintes informacoes:

1. O autor declara que o trabalho apresentado na disciplina de Projeto de Gra-

duacao da Escola Politecnica da UFRJ e de sua autoria, sendo original em forma e

conteudo.

2. Excetuam-se do item 1. eventuais transcricoes de texto, figuras, tabelas, conceitos

e ideias, que identifiquem claramente a fonte original, explicitando as autorizacoes

obtidas dos respectivos proprietarios, quando necessarias.

3. O autor permite que a UFRJ, por um prazo indeterminado, efetue em qualquer

mıdia de divulgacao, a publicacao do trabalho academico em sua totalidade, ou em

parte. Essa autorizacao nao envolve onus de qualquer natureza a UFRJ, ou aos seus

representantes.

4. O autor pode, excepcionalmente, encaminhar a Comissao de Projeto de Gra-

duacao, a nao divulgacao do material, por um prazo maximo de 01 (um) ano,

improrrogavel, a contar da data de defesa, desde que o pedido seja justificado, e

solicitado antecipadamente, por escrito, a Congregacao da Escola Politecnica.

5. O autor declara, ainda, ter a capacidade jurıdica para a pratica do presente ato,

assim como ter conhecimento do teor da presente Declaracao, estando ciente das

sancoes e punicoes legais, no que tange a copia parcial, ou total, de obra intelectual,

o que se configura como violacao do direito autoral previsto no Codigo Penal Bra-

sileiro no art.184 e art.299, bem como na Lei 9.610.

6. O autor e o unico responsavel pelo conteudo apresentado nos trabalhos academicos

publicados, nao cabendo a UFRJ, aos seus representantes, ou ao(s) orientador(es),

qualquer responsabilizacao/ indenizacao nesse sentido.

7. Por ser verdade, firmo a presente declaracao.

Lucas de Oliveira Cunha

iii

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Escola Politecnica - Departamento de Engenharia Mecanica

Centro de Tecnologia, bloco G, Cidade Universitaria

Rio de Janeiro - RJ CEP 21949-900

Este exemplar e de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que

podera incluı-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar

qualquer forma de arquivamento.

E permitida a mencao, reproducao parcial ou integral e a transmissao entre bibli-

otecas deste trabalho, sem modificacao de seu texto, em qualquer meio que esteja

ou venha a ser fixado, para pesquisa academica, comentarios e citacoes, desde que

sem finalidade comercial e que seja feita a referencia bibliografica completa.

Os conceitos expressos neste trabalho sao de responsabilidade do(s) autor(es).

iv

A Mara, Eci, Larissa e Jessica.

v

AGRADECIMENTO

Comeco pelo comeco. Agradeco aos meus pais, Mara e Eci, pelo berco e por todo

o carinho e amor, toda a dedicacao desde entao. Tambem a minha irma, Larissa.

Sem voces, seu constante apoio e confianca, jamais poderia ser quem sou. Obrigado

por serem um lar, em todos os momentos.

A Jessica, agradeco por me mostrar o que sao amor e companheirismo. Obrigado

por estar sempre la, sempre sorridente, sendo amiga nos bons momentos e conforto

e apoio naqueles em que mais precisei. Obrigado tambem Roberta e Marcelo, por

serem uma segunda famılia, na qual eu encontrei e encontro tanto carinho quanto

em casa.

Aos meus amigos, mesmo aqueles que a rotina possa por vezes ter distanciado

fisicamente, agradeco pelas grandes historias e momentos que compartilhamos. Ro-

lezinho roots, voces foram, sao e serao pra sempre parte de mim. O que o espetiscos

uniu, nenhuma piada nao-tao-aceitavel pode separar.

Aos membros do grandioso DT, e tambem aos Europeuszinhos, obrigado por terem

aliviado o cotidiano na faculdade. Espero que possamos bandeirar por muito tempo,

unidos e, talvez, em chamas.

A galera do Solar, obrigado por conseguirem fazer da ilha o melhor lugar que

eu poderia ter morado nesses anos. A amizade de voces compensa qualquer coisa.

Em especial, Vettore, obrigado por nao ter surtado mesmo tendo que dividir quarto

comigo por 4 anos. Eu nao conseguiria.

Em especial, gostaria de agradecer ao Raphael, que foi como um orientador para

mim ao longo desse projeto. Tambem a Vinicius e Caiopa, por terem salvado muitas

horas da minha vida ajudando-me a finalizar este trabalho. Sem voces, eu prova-

velmente estaria me formando em fevereiro. Voces foram fundamentais.

vi

Um agradecimento especial a FortWayne Metals, por ter fornecido o fio essencial

a este projeto. Em especial, Patricia Wasserman e Johannes Schlesier. Sem sua

ajuda, este trabalho nao teria saıdo do papel.

Por fim, agradeco ao meu orientador, Marcelo, por toda a estrutura que me for-

neceu, pelos ensinamentos, apoio, confianca e orientacao. Obrigado principalmente

por apoiar-me neste fim um tanto quanto inesperado e corrido.

Muito obrigado a todos.

vii

RESUMO

O presente trabalho dedica-se ao estudo de motores termicos utilizando ligas de

memoria de forma, e tem por objetivo avaliar sua capacidade de extrair energia de

fontes de calor residual. Atualmente, o calor residual e encontrado como subproduto

de diversas operacoes e ainda buscam-se maneiras de aproveita-lo eficientemente.

Estes motores possuem potencial para tal, e podem ser reproduzidos com baixos

custos de fabricacao. Para avaliar a factibilidade do uso destes motores, e realizada

uma revisao bibliografica, onde sao apresentados e sumarizados trabalhos sobre o

assunto. Alem disso, e construıdo um prototipo para avaliar experimentalmente

suas caracterısticas de saıda. Documenta-se o processo de fabricacao e discutem-

se os resultados observados. O motor aqui reproduzido utiliza uma mola de liga

de memoria de forma e e fabricado por manufatura aditiva. As caracterısticas de

saıda do motor sao avaliadas por sensores em conjunto com uma placa Arduino, e

sao analisadas graficamente. Os resultados obtidos mostram que o potencial destes

motores aplica-se apenas a nichos especıficos nos quais podem competir com outras

tecnologias em desenvolvimento, pois evidenciam baixas eficiencias e potencias de

saıda, mas apresentam vantagens de custo e dimensoes.

Palavras-Chave: Motor termico de liga de memoria de forma, SMA, liga de

memoria de forma, colheita de energia, calor residual.

viii

ABSTRACT

The present work is dedicated to the study of heat engines using shape memory

alloys, and aims to evaluate their capacity to extract energy from waste heat sources.

Currently, waste heat is found as a byproduct of various operations and ways are still

being sought to efficiently utilize it. These engines have the potential to do so, and

can be reproduced at low manufacturing costs. To evaluate the feasibility of using

these engines, a literature review is performed, where are presented and summarized

works on the subject. In addition, a prototype is built to experimentally evaluate its

output characteristics. The manufacturing process is documented and the observed

results are discussed. The engine reproduced herein utilizes a shape memory alloy

spring and is manufactured by additive manufacturing. Motor output characteristics

are evaluated by sensors in conjunction with an Arduino board, and are graphically

analyzed. The results show that the potential of these engines only applies to specific

niches in which they can compete with other developing technologies, as they show

low efficiencies and output power, but have cost and size advantages.

Key-words: Shape memory alloy heat engine, SMA, shape memory alloy, energy

harvesting, waste heat.

ix

SIGLAS

UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro

NiTinol - Liga de Nıquel e Titanio

SMA - Shape Memory Alloy

M t - Martensita Maclada

Md - Martensita Nao-Maclada

Ms - Temperatura de inıcio da transformacao martensıtica

Mf - Temperatura de termino da transformacao martensıtica

As - Temperatura de inıcio da transformacao austenıtica

Af - Temperatura de termino da transformacao austenıtica

CM - Coeficiente angular da relacao de Ms e Mf com a temperatura

CA - Coeficiente angular da relacao de As e Af com a temperatura

σs - Tensao de inıcio da transformacao de martensita maclada para nao-maclada

σMs - Tensao de inıcio da transformacao de austenita para martensita nao maclada

σMf - Tensao de termino da transformacao de austenita para martensita nao

maclada

σAs - Tensao de inıcio da transformacao de martensita nao maclada para austenita

σAf - Tensao de inıcio da transformacao de martensita nao maclada para austenita

DSC - Differential Scanning Calorimeter

x

Sumario

1 Introducao 1

1.1 Motores Termicos Utilizando Ligas com

Memoria de Forma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 Organizacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Ligas com Memoria de Forma 6

2.1 Transformacoes de Fase nas Ligas com

Memoria de Forma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.1 Efeito de Memoria de Forma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1.2 Superelasticidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Aplicacoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3 Motores Termicos de SMA 20

3.1 Trabalhos Iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2 Progresso Historico e Desenvolvimento . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.2.1 Motores de Polia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.2.2 Motores de Manivela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.2.3 Motores de Campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.2.4 Outros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.3 Resultados Alcancados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4 Construcao do Prototipo e seu Aparato Experimental 36

4.1 O Prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.1.1 O Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.1.2 Manufatura dos Componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.1.3 Fabricacao da Mola de SMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

xi

4.1.4 Montagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.1.5 Resultado da Manufatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.2 O Aparato Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.2.1 Sensores e Medicao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.2.2 Estrutura para o Experimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.3 O Resultado Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5 Analise dos Resultados Experimentais 53

5.1 Definicoes Iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.2 Resultados Experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

6 Conclusao e Trabalhos Futuros 58

Bibliografia 60

A Codigos Utilizados 66

A.1 Codigo para Aquisicao de Dados dos

Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

xii

Lista de Figuras

2.1 Diagrama de fases do SMA para as variaveis de controle tensao e tempe-

ratura. Fonte: Adaptado de LAGOUDAS e KUMAR [1]. . . . . . . . . . 7

2.2 Grafico tensao-deformacao representativo do efeito de memoria de forma.

Fonte: Adaptado de LAGOUDAS e KUMAR [1]. . . . . . . . . . . . . . 9

2.3 A microestrutura no efeito pseudoelastico de ligas com memoria de forma.

Fonte: Adaptado de LAGOUDAS E KUMAR [1]. . . . . . . . . . . . . . 11

2.4 Grafico de histerese representativo do efeito de superelasticidade. Fonte:

Adaptado de PAIVA e SAVI [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.5 Diagrama tensao-deformacao-temperatura para ambos os efeitos encontra-

dos nas ligas com memoria de forma. Fonte: SANTANA [3]. . . . . . . . 13

2.6 Percentual de patentes registradas nos EUA por area de interesse, entre

janeiro de 1990 e junho de 2013. Fonte: adaptado de MOHD et al. [4]. . . 14

2.7 Protese de mao atuada por liga com memoria de forma. Fonte: CHEE

SIONG et al [5]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.8 Roda metamorfa de origami atuada por liga com memoria de forma. Fonte:

adaptado de FONSECA et al [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.9 Sistema para avaliacao da capacidade de amortecimento e de alteracao de

rigidez de molas com memoria de forma. Fonte: adaptado de ENEMARK

et al [7]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.10 Uso de molas de tracao e torcao na morfagem de winglets. Fonte: SAN-

TANA. [3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.11 Uso de fios de SMA na odontologia. Fonte: adaptado de PETRINI e

MIGLIAVACCA. [8]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

xiii

2.12 (a) Dispositivo de oclusao do septo atrial. (b) Filtro de Simon. (c)

Stent auto-extensıvel de SMA. Fonte: adaptado de PETRINI e MI-

GLIAVACCA [8] e LAGOUDAS e KUMAR [1]. . . . . . . . . . . . . 18

3.1 Desenho esquematico do motor termico de Ridgway M. Banks. Vista su-

perior. Fonte: adaptado de US03913326. [9]. . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.2 (a) Modelo de motor de sincronizado por engrenagens. (b) Versao mo-

dificada do projeto a, sincronizando as polias por compartilhamento

de eixo. Fonte: adaptado de WAKJIRA [10]. . . . . . . . . . . . . . . 22

3.3 Desenho esquematico de um motor de SMA de polia simples. Fonte: adap-

tado de US4117680. [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.4 (a) Esquema de torques sem inclinacao do conjunto de polias. (b)

Esquema de torques com inclinacao do conjunto de polias. Fonte:

adaptado de AKAGI et al [12]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.5 Esquema de dispositivo com polia intermediaria. Fonte: adaptado de

AKAGI et al. [12]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.6 Esquema de dispositivo com polias sincronizadas. Fonte: adaptado de

BROWNE et al. [13]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.7 Esquema de dispositivo de manivela sincronizado. Fonte: adaptado de

SCHILLER. [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.8 Esquema de motor de campo magnetico. Fonte: adaptado de US4027479.

[15]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.9 Esquema de motor alternativo de SMA. Fonte: adaptado de US4434618.

[16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.10 Esquema de motor de placas oscilantes. Fonte: adaptado de TOBUSHI et

al. [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.11 Esquema de motor sequencial. Fonte: adaptado de US5901554. [18]. . . . 30

3.12 (a) Esquema de motor de manivela utilizado por IWANAGA et al.

Fonte: adaptada de IWANAGA et al [19]. (b) Aparato experimental

desenvolvido por SCHILLER. Fonte: adaptado de SCHILLER. [14]. . 31

xiv

3.13 (a) Motor alternativo desenvolvido por SAKUMA e IWATA. Fonte:

adaptada de SAKUMA e IWATA [20]. (b) Motor alternativo de SMA

desenvolvido por KANEKO e ENOMOTO. Fonte: adaptado de KA-

NEKO e ENOMOTO. [21]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.14 Prototipo de motor de placas oscilantes desenvolvido por TOBUSHI et al.

Fonte: adaptado de TOBUSHI et al. [22]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.15 (a) Esquema de motor de polias de AVIROVIK et al. Fonte: adap-

tada de AVIROVIK et al [23]. (b) Aparato experimental para motor

de polias com fitas de SMA e polia tensionadora desenvolvido por

AKAGI et al. Fonte: adaptado de AKAGI et al [12]. . . . . . . . . . 34

3.16 (a) Prototipo de motor de polias sincronizado desenvolvido por BROWNE

et al. [13]. (b) Motor de polias sincronizadas multiplas desenvolvido

por MANDZHAVIDZE et al [24]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.1 (a) Vista isometrica da montagem final. (b) Vista frontal da monta-

gem final. (c) Vista lateral da montagem final. . . . . . . . . . . . . . 37

4.2 (a) Suporte de uma das polias superiores com eixo montado em uma

das duas posicoes. (b) Suporte das polias inferiores com as polias

montadas em balanco nos respectivos eixos. . . . . . . . . . . . . . . 38

4.3 Vista superior da montagem, evidenciando alinhamento entre os vaos das

polias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.4 (a) Forno utilizado no tratamento termico da mola. (b) Mola apos o

tratamento termico ao lado do fuso utilizado. . . . . . . . . . . . . . . 42

4.5 Grafico das temperaturas caracterısticas obtido na analise com o aparelho

de DSC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.6 Vistas explodidas evidenciando posicionamento de componentes na

montagem final. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.7 Fotografias das vistas frontal e lateral do prototipo pronto. . . . . . . 46

4.8 Fotografias das vistas isometrica e superior do prototipo pronto. . . . 46

4.9 (a) Sensor de temperatura a prova d’agua DS18B20. (b) Modulo de

sensor de efeito Hall 3144e. (c) Encoder com optointerruptor LM393. 48

4.10 Princıpio de funcionamento de um sensor de efeito Hall. Fonte: adaptado

de Osoyoo.com [25]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

xv

4.11 Esquema de montagem dos sensores e dispositivos na placa Arduino Mega. 50

4.12 Vista frontal do resultado final da manufatura do motor e seu aparato

experimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.13 Vista da parte traseira do resultado final da manufatura do motor e seu

aparato experimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.1 Rotacao e temperatura mensurados ao longo do tempo: (a) Experi-

mento 1. (b) Experimento 2. (c) Experimento 3. . . . . . . . . . . . 54

5.2 (a) Experimento 1. (b) Experimento 2. (c) Experimento 3. . . . . . 56

5.3 Decaimento da velocidade angular com o tempo (a) Experimento 1.

(b) Experimento 2. (c) Experimento 3. . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.4 Pontos experimentais de RPM vs temperatura (a) Experimento 1.

(b) Experimento 2. (c) Experimento 3. . . . . . . . . . . . . . . . . 57

5.5 Curvas de ajuste encontradas para a relacao entre velocidade angular

e temperatura. (a) Experimento 1. (b) Experimento 2. (c) Experi-

mento 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

xvi

Lista de Tabelas

1.1 Fontes comuns de calor residual e suas temperaturas [26] . . . . . . . 2

3.1 Resultados experimentais de motores de liga de memoria de forma . . 35

4.1 Temperaturas caracterısticas obtidas para tres amostras do fio por

meio de analise com DSC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

xvii

Capıtulo 1

Introducao

Apos anos de expansao massiva e inconsequente, a demanda global por energia

tem encontrado novas barreiras provenientes de olhares mais crıticos sobre o assunto.

A ameaca cada vez mais presente e palpavel do aquecimento global, assim como suas

consequencias para o meio ambiente, alarma um numero cada vez maior de pessoas

ao redor do mundo.

Neste contexto, diversas solucoes ja foram criadas, postas em pratica, analisa-

das, discutidas e por fim aperfeicoadas. Estas alternativas a composicao vigente da

matriz energetica sao extremamente diversas, diferenciando-se umas das outras por

custo, princıpio de funcionamento, tempo para o retorno do investimento, aplicacoes,

limitacoes e outros tantos parametros flexıveis.

Entre estes parametros, um essencial para o presente estudo e a escala. Hoje,

as principais solucoes de energias renovaveis comprometem-se a complementar e

ate mesmo substituir as fontes em grande escala, como combustıveis fosseis e o

carvao mineral. Porem, em aberto, existem possibilidades que trariam menores

impactos na macroescala, mas que ainda assim, nao sao desprezıveis. Uma delas e

o reaproveitamento de energia e calor residual.

O calor residual pode ser definido como uma parcela de energia descartada por

uma operacao que nao tem necessariamente como fim a producao de energia. E,

portanto, o subproduto de um processo e em muitos casos pode inclusive retroa-

limenta-lo, aumentando sua eficiencia. Alem disso, devido a sua natureza, pode-

1

se considerar que tenha custo nulo, uma vez que seria inevitavelmente gerado na

producao do produto principal.

Comumente, estes resıduos se apresentam com baixas temperaturas, tornado-os o

que denomina-se calor de baixa qualidade. Quanto menor a temperatura, menor o

leque de possibilidades para se extrair esta energia e menor a eficiencia do processo.

Na tabela 1.1, algumas fontes de calor residual e suas temperaturas sao apresentadas.

Tabela 1.1: Fontes comuns de calor residual e suas temperaturas [26]

Industria Processo T (oC)

CimentoGases de exaustao de forno 200-350

Gases de resfriamento do forno 200-300

Aco

Fornos eletricos a arco 250

Gases de forno de coque 190

Gases de altos-fornos 250-300

QuımicaExaustao de caldeiras 230

Gases de Refinaria 150-300

AlimentıciaFritadeiras 120-210

Gases de exaustao 164

Ceramica Gases de fornos 200-300

Atualmente, poucos metodos se mostram relevantes para recuperar energia a tem-

peraturas moderadas ou baixas. Entre eles, temos os baseados nos efeitos piroeletrico

e termoeletrico, que realizam a conversao da energia de dois modos distintos: o

primeiro, aproveitando-se da variacao de uma temperatura. O segundo, de um gra-

diente entre temperaturas, sendo este o mais utilizado [23]. Contudo, para tempe-

raturas abaixo de 100oC, aparatos que se valem do efeito termoeletrico apresentam

baixas eficiencias, tipicamente entre 1% e 5% [27]. Apesar de nao ser um fator cru-

cial, uma vez que o custo da fonte e teoricamente muito baixo, a busca por novos

processos que tenham maior eficiencia justifica-se para trazer ainda mais econo-

mia. Alem disso, o uso do efeito termeletrico depende de materiais relativamente

escassos, tornando-os caros. E importante salientar que esta e uma tecnologia em

2

desenvolvimento e, portanto, apresenta um grande potencial para uso no futuro [28].

Hoje, o metodo que apresenta a tecnologia mais avancada para coletar essa energia

e o uso do ciclo Rankine organico (ORC). Este ciclo e similar ao Rankine convenci-

onal, mas utiliza um fluido organico no lugar da agua [28]. Dentre os fluidos mais

utilizados, a grande maioria trabalha a temperaturas acima dos 100oC, e nenhum

abaixo de 80oC, com uma eficiencia na ordem de 10% [26]. Por fim, o equipamento

necessario ao ciclo e relativamente grande, pois depende de ao menos uma turbina

e um compressor, alem dos trocadores. Estes equipamentos tambem adicionam em

custo ao projeto.

Com isso, ha oportunidade para explorar e desenvolver novas tecnologias que pos-

sam trabalhar em temperaturas muito baixas, entre 50oC e 100oC, que possuam

eficiencias maiores ou iguais aos materiais termeletricos, demandando menores in-

vestimentos. Dispositivos que satisfacam estes criterios poderiam ter usos ate mesmo

domesticos ou em estabelecimentos comerciais, usando o calor descartado por apa-

relhos de ar-condicionado, boilers, chuveiros, chillers, entre outros.

1.1 Motores Termicos Utilizando Ligas com

Memoria de Forma

As ligas com memoria de forma sao ligas metalicas com uma caracterıstica espe-

cial: capacidade de recuperar sua forma inicial apos sofrer deformacoes atraves de

mudancas de fase solida impostas por um ciclo termico. Esta caracterıstica peculiar

foi inicialmente descoberta por Arne Olander em 1932 [29], em ligas de cadmio-ouro.

Porem, foi apenas a partir de 1963, com a descoberta do efeito de memoria de forma

em ligas de nıquel-titanio (NiTi) por William Buehler e seus cooperadores [30], que

o efeito passou a ter mais notoriedade no meio cientıfico. Atualmente, utiliza-se a

alcunha SMA (do ingles Shape Memory Alloy) para designa-las.

A partir da decada de 60 houve uma proliferacao de estudos e publicacoes acerca

do tema, almejando descrever suas caracterısticas. Novas possibilidades foram al-

cancadas com a adicao de elementos de liga, alterando as temperaturas em que

3

ocorrem as transformacoes de fase necessarias ao efeito. Este crescente interesse le-

vou ao desenvolvimento das mais variadas aplicacoes para o material. Entre as mais

importantes, encontram-se aplicacoes nas areas automotiva, aeroespacial, robotica,

biomedica [4] e no uso como atuadores nos mais distintos cenarios. Alem disso, uma

aplicacao bastante explorada nas decadas de 80 e 90 foi o uso destas ligas para reali-

zar trabalho a partir de ciclos termomecanicos, com o uso do que hoje identificam-se

como motores termicos de SMA.

Tais motores convertem energia termica em mecanica utilizando as transformacoes

de fase solida da SMA como forca motriz. O primeiro trabalho conhecido data de

1973, registrado em patente por Ridgway M. Banks em 1975 [US03913326] [9]. Mui-

tas invencoes e patentes sucederam-no, buscando novas formas de realizar trabalho

a partir de diferentes princıpios, e algumas das principais serao discutidas mais a

fundo no capıtulo 3. Com o tempo, diversas barreiras foram encontradas no desen-

volvimento destes equipamentos, que nao mostraram-se competitivos em relacao a

outros metodos, perdendo em eficiencia e potencia, esfriando o interesse no assunto.

Todavia, o novo nicho apresentado pelas fontes de calor residual deu uma nova

vida a aplicacao, reacendendo parcialmente o interesse pelo assunto. Apesar de nao

entregarem altas eficiencias, motores de SMA tem a possibilidade de operar a bai-

xas temperaturas, sendo portanto capazes de aproveitar o calor da menor qualidade

disponıvel. Essa vantagem, aliada ao possıvel baixo custo e flexibilidade do pro-

jeto, torna o estudo sobre o assunto no mınimo interessante sob um ponto de vista

academico e economico.

O trabalho aqui apresentado e justificado em todo este cenario. Ao produzir

um motor de SMA a baixıssimo custo, utilizando processos de fabricacao modernos

como a manufatura aditiva, e ao instrumenta-lo para medir informacoes vitais de

saıda do motor, avalia-se a viabilidade economica e a factibilidade do seu uso para

recuperar uma energia antes descartada. O trabalho tambem se propoe a registrar

o desenvolvimento da tecnologia desde o seu inıcio ate as solucoes mais atuais e

funcionais.

4

1.2 Organizacao

Este trabalho foi organizado de modo a apresentar, inicialmente, uma visao geral

sobre as ligas de memoria de forma, tratando sobre a fenomenologia do efeito de

memoria de forma e de suas aplicacoes. Assim, o capıtulo 2 prepara a base para o

entendimento do funcionamento do motor de SMA.

No capıtulo 3 apresenta-se uma revisao bibliografica de modo a apresentar todo o

percurso do desenvolvimento da tecnologia de motores de SMA, incluindo as solucoes

mais recentes e com grande potencial.

A prototipagem do equipamento e documentada no capıtulo 4, mostrando o passo

a passo do desenvolvimento, desde a concepcao inicial ate o produto final. Tambem

neste capıtulo e detalhada a concepcao e construcao do aparato experimental, assim

como a instrumentacao e a programacao dos sensores utilizados nas medicoes.

No capıtulo 5 apresentam-se os resultados experimentais obtidos, analisand0-os e

comparado-os com dados da literatura. Estes resultados sao usados para analisar

criticamente o uso destes motores. Em sequencia, sao apresentadas as conclusoes

do trabalho, junto com ideias de desenvolvimento futuro.

5

Capıtulo 2

Ligas com Memoria de Forma

Para a compreensao do trabalho aqui desenvolvido, a fundamentacao teorica

basica do comportamento das ligas com memoria de forma e imprescindıvel. Neste

sentido, este capıtulo procura esclarecer o assunto de forma sucinta, sem perder a

profundidade.

2.1 Transformacoes de Fase nas Ligas com

Memoria de Forma

As ligas com memoria de forma apresentam dois efeitos caracterısticos: a memoria

de forma e a superelasticidade (ou pseudoelasticidade), que dependem da existencia

de diferentes fases solidas. Para uma mesma composicao quımica, uma liga com

memoria de forma apresenta duas fases distintas. A austenita, em equilıbrio a al-

tas temperaturas e baixas tensoes, e a martensita, estavel quando as tensoes sao

elevadas e as temperaturas sao menores. A primeira geralmente tem a estrutura

cristalina cubica. Ja a segunda pode ser encontrada nas estruturas tetragonal, or-

torrombica ou monoclınica. Alem disso, a martensita e constituıda por cristais com

uma determinada direcao de orientacao, chamada de variante. A forma com que es-

tes cristais se arranjam leva a dois resultados distintos, a martensita maclada (M t)

e a martensita nao maclada (Md) [1], e este arranjo tem uma forte dependencia da

tensao aplicada. Na figura 2.1 estao dispostas as estruturas cristalinas obtidas em

relacao aos dois parametros de controle citados: tensao e temperatura.

6

Temperatura, T

Te

nsã

o,σ

Austenita

Martensita Não

Maclada

Martensita

Maclada

CaCM CaCM

Figura 2.1: Diagrama de fases do SMA para as variaveis de controle tensao

e temperatura (Fonte: Adaptado de LAGOUDAS e KUMAR [1]).

A figura 2.1 introduz novos termos, identificados por Mf , Ms, As e Af . Cada

um deles representa uma temperatura caracterıstica da mudanca de fase solida,

num estado de tensao nula. As temperaturas designadas por um M sao referentes

a transformacao de austenita para martensita, onde Ms representa a temperatura

em que a transformacao tem seu inıcio, e Mf o seu fim. E importante notar que

Ms > Mf , uma vez que a mudanca de fase da austenita para martensita se da por

um resfriamento. De modo equivalente, As e Af designam as temperaturas carac-

terısticas da transformacao da martensita em austenita, onde Af > As, indicando

que ela se da com o aquecimento do material. Os termos s e f sao abreviacoes das

palavras em ingles start e finish, respectivamente.

Ainda na figura 2.1 nota-se que ha curvas que partem das temperaturas carac-

terısticas. Estas curvas representam uma outra caracterıstica das ligas com memoria

de forma: as temperaturas de transformacao de fase variam com a tensao. Elas sao

normalmente modeladas como lineares [31], fato que se aproxima de conclusoes ex-

perimentais [32], mas nao sao necessariamente paralelas ou igualmente espacadas.

7

Os termos CM e Ca sao utilizados para designar suas inclinacoes.

Outros dois parametros ilustrados pela figura 2.1 sao as tensoes de transformacao

da martensita maclada para a nao maclada. Como discutido anteriormente, o ar-

ranjo dos cristais na martensita depende da tensao, que define as proporcoes destas

fases. Isto se deve ao carater nao difusivo das transformacoes martensıticas [33].

A martensita maclada aparece com tensoes baixas ou nulas e, a partir de um pa-

tamar definido pela tensao σs (do inges start stress), passa a se transformar em

martensita nao maclada. Ao elevar-se ainda mais a tensao, chegando a σf (do ingles

finish stress), a transformacao e completa. Os valores destes patamares tambem sao

propriedades do material.

Ha regioes do diagrama de fase em que coexistem as diferentes fases aqui descritas.

Para caracterizar a estrutura, utiliza-se a fracao volumetrica de martensita, definida

por β = β(σ, T ), um parametro auxiliar que e objeto de muitos estudos na area das

ligas com memoria de forma [2].

Em posse do conhecimento aqui explanado, e possıvel entender a fenomenologia

dos efeitos citados no inıcio deste capıtulo, sendo eles o efeito de memoria de forma

e a superelasticidade.

2.1.1 Efeito de Memoria de Forma

O comportamento conhecido como efeito de memoria de forma refere-se a habili-

dade que um SMA tem de reconfigurar-se a sua forma original apos ser deformado

mecanicamente e, posteriormente a deformacao, submetido a um ciclo termico. Ele

leva este nome justamente por funcionar como se o metal ”memorizasse”sua forma

inicial. A figura 2.2 demonstra, a partir de um grafico tensao-deformacao, as eta-

pas da estrutura durante o efeito. Uma terceira dimensao no grafico e concedida a

temperatura, de modo a contemplar seu efeito na transformacao de fases.

8

Figura 2.2: Grafico tensao-deformacao representativo do efeito de memoria

de forma (Fonte: Adaptado de LAGOUDAS e KUMAR [1]).

Partindo da configuracao inicial dada pelo ponto B, onde tensao e deformacao

sao nulos e a temperatura garante uma estrutura de martensita maclada, inicia-

se o tensionamento do material. Ao faze-lo, uma curva tıpica deste carregamento

surge, ate o momento em que a tensao atinge o valor caracterıstico σs. Ali, inicia-

se o processo de transformacao da configuracao martensıtica. Com o rearranjo

da estrutura cristalina, o material suporta grandes deformacoes com um pequeno

incremento de tensao, ilustrado pelo plato entre σs e σf . Os valores percentuais de

ε no grafico sao apenas ilustrativos e variam com o material. Apos transpassado o

limite dado por σf , a curva retorna a forma esperada para um metal. As inclinacoes

nas duas secoes elasticas nao sao necessariamente iguais. No ponto C, antes de

alcancar o limite de ruptura, a tensao e relaxada, voltando ao valor inicial, nulo, no

ponto D.

Apesar de estar livre de tensoes no ponto D, o material, neste momento, ja nao e

mais como no inıcio do ciclo, no ponto B. Isso se deve ao fato de que a reorientacao

9

martensıtica acontece apenas no aumento de tensao, nunca em seu alıvio. Assim,

quando a tensao torna a zero, o material retem a deformacao obtida na transicao

entre martensita maclada e nao maclada, em valores equivalentes ao do plato descrito

acima. O que se visualiza na macroescala e um material com aparente deformacao

plastica, mantendo o formato deformado.

Para que recupere sua forma original, efetivamente demonstrando a ”memoria

de forma”, o material deve ser submetido a um carregamento termico. Assim, a

partir do ponto D, ao ser aquecido e ao alcancar a temperatura caracterıstica As,

o metal passa por uma transformacao de fase. Nela, a microestrutura passa da

martensita para a austenita. Nesta transformacao, a estrutura cristalina passa por

um novo rearranjo e, ao chegar a temperatura Af , a macroestrutura e identica a

do inıcio do ciclo (ponto B), ou seja, a deformacao foi recuperada. Apesar disso, a

microestrutura neste ponto (F) e austenıtica. Por fim, com o resfriamento entre os

pontos F e B, passando pelas temperaturas Ms e Mf , uma ultima transformacao de

fase se completa, e a estrutura deixa de ser austenita e volta a martensita maclada.

Ao fim do ciclo, a liga com memoria de forma apresenta exatamente as mesmas

condicoes de tensao, deformacao e temperatura do inıcio, alem de possuir a mesma

estrutura cristalina. As etapas acima descrevem o efeito de memoria de forma de

sentido unico (do ingles one way shape memory effect), uma vez que a recuperacao

de forma se da apenas com o aquecimento. Existem materiais que conseguem ”lem-

brar”da sua forma tambem ao serem resfriados, e este efeito e conhecido como o

efeito de memoria de forma de sentido duplo (do ingles two way shape memory

effect), que foge do escopo deste trabalho.

2.1.2 Superelasticidade

O termo superelasticidade e usado para identificar o segundo efeito caracterıstico

das ligas com memoria de forma, e foi introduzido em 1958 por RACHINGER

[34]. Basicamente, designa a habilidade destes materiais em apresentar grandes

deformacoes, nao comuns as curvas elasticas dos metais, quando comprimidos ou

tracionados. Este comportamento so e observado quando o material encontra-se em

10

um estado de temperatura e tensao que garanta uma microestrutura austenıtica.

Tambem conhecido como pseudoelasticidade, este efeito baseia-se na transformacao

de austenita para martensita nao maclada a partir do tensionamento do material, se-

guido pela transformacao da martensita nao maclada novamente em austenita com o

relaxamento da tensao. Estas transformacoes sao conhecidas como direta e reversa,

respectivamente. Submetido a este ciclo quando em uma temperatura acima de Af ,

o material apresenta uma grande deformacao seguida de recuperacao completa da

forma inicial. A figura 2.3 representa a evolucao da microestrutura durante o pro-

cesso, alem de introduzir quatro novos parametros: σMs e σMf , que representam as

tensoes caracterısticas de inıcio e fim da transformacao direta, e as tensoes σAs e

σAf , que representam o inıcio e fim da transformacao reversa, respectivamente.

Austenita

Martensita

Não Maclada

Te

nsã

o

Temperatura

Figura 2.3: A microestrutura no efeito pseudoelastico de ligas com memoria

de forma. Fonte: Adaptado de LAGOUDAS E KUMAR [1].

A curva tensao-deformacao que representa este efeito e apresentada pela figura 2.4.

Nela, fica claro o laco de histerese do processo, uma vez que as tensoes caracterısticas

variam com o sentido da transformacao. Alem disso, o plato entre σMf e σAs ilustra

a grande deformacao recuperavel do material, o principal benefıcio deste efeito.

11

Figura 2.4: Grafico de histerese representativo do efeito de superelasticidade.

Fonte: Adaptado de PAIVA e SAVI [2].

E interessante notar que os dois efeitos caracterısticos das ligas com memoria de

forma possuem diversas semelhancas, mas sao essencialmente diferentes. Portanto,

sao adequados para aplicacoes distintas. O efeito de memoria de forma se da a me-

nores temperaturas, passa por tres diferentes microestruturas e caracteriza-se por

uma grande deformacao que e restituıda mediante aquecimento do material. A pseu-

doelasticidade se da a maiores temperaturas, passa por apenas duas microestruturas

e nao possui uma etapa intermediaria em que a deformacao e mantida na ausencia

de tensao. Assim, a restituicao da forma inicial e ato contınuo ao relaxamento da

tensao. A figura 2.5 mostra os dois efeitos lado a lado.

12

Figura 2.5: Diagrama tensao-deformacao-temperatura para ambos os efeitos

encontrados nas ligas com memoria de forma. Fonte: SANTANA [3].

2.2 Aplicacoes

Em sequencia a descoberta dos efeitos das ligas com memoria de forma, para-

lelamente aos estudos que buscavam entender, caracterizar e modelar o seu funci-

onamento, aplicacoes das mais variadas foram apresentadas, discutidas, postas a

prova e aperfeicoadas nas areas mais diversas do conhecimento. Hoje, muitas destas

aplicacoes ja estao consolidadas e mostram-se comercialmente lucrativas, enquanto

outras ainda estao em fase de desenvolvimento e apresentam enorme potencial. Ha

ainda um grupo de ideias em estagio embrionario, incognitas e apostas atuais.

A figura 2.6 mostra as principais areas de interesse comercial para as aplicacoes do

SMA, a partir de uma pesquisa realizada nos repositorios SCOPUS e USPTO sobre

patentes registradas nos Estados Unidos, e evidencia a predominancia do interesse

na area biomedica [4].

13

Figura 2.6: Percentual de patentes registradas nos EUA por area de interesse,

entre janeiro de 1990 e junho de 2013. Fonte: adaptado de MOHD et al. [4].

Para a area automotiva, o alto numero de sensores e atuadores presentes nos di-

versos sistemas que compoem um automovel apresenta o melhor e mais explorado

nicho para o uso de ligas com memoria de forma. A possibilidade de substituicao

de atuadores eletromagneticos e pneumaticos por essas ligas foi amplamente estu-

dada. Apesar disso, poucas solucoes mostraram-se comercialmente viaveis devido a

limitacoes do material, tais quais a vida util, estabilidade, temperatura de operacao,

entre outros [4]. Uma delas foi implementada no Corvette pela GM em 2013, re-

duzindo o peso de um equipamento que melhora a circulacao de ar no carro e a

manutencao de temperatura [35].

Na area de robotica, tambem foram desenvolvidos diversos usos, principalmente

como atuadores. Aqui, o desafio e alcancar dimensoes cada vez menores, com res-

postas cada vez mais rapidas, sem perder-se eficiencia e potencia. Entre as mais

interessantes, podem ser citadas a mao protetica desenvolvida por CHEE SIONG et

al [5], ilustrada na figura 2.7, e a roda de origami desenvolvida por FONSECA et

al [6], que apresenta duas configuracoes distintas que sao controladas por uma mola

de SMA, ilustrada na figura 2.8.

14

Figura 2.7: Protese de mao atuada por liga com memoria de forma. Fonte:

CHEE SIONG et al [5].

Configuração abertaConfiguração fechada

Configuração aberta

Configuração fechada

Figura 2.8: Roda metamorfa de origami atuada por liga com memoria de

forma. Fonte: adaptado de FONSECA et al [6].

Outra possibilidade interessante que e explorada com estes materiais e o seu uso

como amortecedores e controladores de sistemas dinamicos. Com a possibilidade

15

de alterar suas propriedades como a rigidez a partir de variacoes na temperatura,

estudos nesse sentido foram realizados, sendo exemplos o trabalho realizado por

ENEMARK et al [7] com osciladores, ilustrado pela figura 2.9 e o trabalho de SILVA

[36] com o controle da vibracao de rotores desbalanceados.

Figura 2.9: Sistema para avaliacao da capacidade de amortecimento e de

alteracao de rigidez de molas com memoria de forma. Fonte: adaptado de

ENEMARK et al [7].

Foi na area aeroespacial que se deu a primeira aplicacao comercial de ligas com

memoria de forma, com o uso destas para o acoplamento de tubos hidraulicos nos

cacas F14 no inıcio da decada de 70 [37]. Desde entao, diversas aplicacoes foram

estudadas, com usos para estruturas, atuacao, controle, entre outros. Uma interes-

sante aplicacao foi recentemente estudada por SANTANA [3], onde a possibilidade

do uso de molas de torcao e tracao fabricadas com SMA para a morfagem de winglets

foi analisada, ilustrada na figura 2.10. As molas de SMA sao usadas em oposicao a

molas comuns e atuadas por efeito joule.

No contexto biomedico, as ligas com memoria de forma possuem grande valor

por serem biocompatıveis, resistentes a corrosao e nao magneticas [4]. A primeira

16

Figura 2.10: Uso de molas de tracao e torcao na morfagem de winglets. Fonte:

SANTANA. [3].

aplicacao foi na ortodontia, quando em 1975 o Dr.Andreasen usou o SMA em um

aparelho dentario, explorando a pseudoelasticidade do material [38]. Os arames usa-

dos, ilustrados na figura 2.11, trabalham no plato da pseudoelasticidade e, portanto,

mantem a tensao necessaria mesmo com maiores deformacoes, permitindo maiores

correcoes dentarias.

Fio de SMA

Figura 2.11: Uso de fios de SMA na odontologia. Fonte: adaptado de PE-

TRINI e MIGLIAVACCA [8].

17

Alem da ortodontia, existem outras areas que valeram-se das caracterısticas unicas

das ligas com memoria de forma, entre elas a ortopedia, a neurocirurgia e a fabricacao

de instrumentos cirurgicos [8]. Porem, nenhuma de forma tao inovadora, criativa

e util quanto as aplicacoes desenvolvidas para o sistema cardiovascular. O uso do

SMA permitiu o desenvolvimento de tecnicas bem menos invasivas, como o caso

da oclusao do septo atrial, em que um dispositivo em forma de estrela-do-mar e

usado para fechar buracos entre os atrios do coracao. Este dispositivo e introduzido

dobrado, e expande-se no local correto a partir do efeito de memoria de forma,

fechando a cavidade [1], e e ilustrado pela figura 2.12a.

(a) (b) (c)

Figura 2.12: (a) Dispositivo de oclusao do septo atrial. (b) Filtro de Simon. (c)

Stent auto-extensıvel de SMA. Fonte: adaptado de PETRINI e MIGLIAVACCA [8]

e LAGOUDAS e KUMAR [1].

Porem, a primeira aplicacao cardiovascular foi o filtro de Simon, representado na

figura 2.12b. Este pequeno dispositivo e usado para bloquear coagulos na corrente

sanguınea. O efeito de memoria de forma e usado na insercao do filtro, que e fechado

dentro de um cateter e introduzido no local correto. Quando liberado, a temperatura

da corrente sanguınea e suficiente para que ocorra a mudanca de fase, fazendo com

que o dispositivo recupere sua forma inicial, abrindo-se [8].

A figura 2.12c demonstra um stent fabricado por uma rede de SMA. Um stent

e um objeto cilındrico expansıvel, que e usado para desobstruir arterias, liberando

a corrente sanguınea no local. Na configuracao fechada, e inserido pelo sistema

18

cardiovascular e, ao chegar ao local da obstrucao, e expandido, alargando a passagem

e permitindo o fluxo. Normalmente, essa expansao e feita por pequenas bexigas de

ar, que inflam e deformam o metal. Porem, parte desta deformacao e perdida na

recuperacao da deformacao elastica e por isso muitas vezes estes stents precisam

ser expandidos mais que a largura necessaria na arteria, podendo causar danos a

mesma. Quando o stent e fabricado a partir de SMA, esta expansao e realizada com

o efeito de memoria de forma, no contato do stent com a temperatura da corrente

sanguınea. Alem de nao realizar uma expansao acima da desejada, ele tambem pode

moldar-se a forma da cavidade, o que nao acontece com os stents tradicionais, de

aco inoxidavel, que sao normalmente apenas circulares.

Esta secao evidencia o carater extremamente versatil das ligas com memoria de

forma, e mostra que podem ser exploradas nos mais variados campos e necessida-

des. Nem sempre mostram-se viaveis, mas em muitos casos alcancaram sucesso

comercial ou ao menos funcional. Assim, fica clara a oportunidade de explorar sua

utilizacao nas mais improvaveis areas, tornando valida a proposta deste trabalho e

sua tentativa de aplica-las a geracao de energia.

19

Capıtulo 3

Motores Termicos de SMA

Este capıtulo dedica-se a realizar uma revisao bibliografica dos trabalhos realiza-

dos com motores cuja forca motriz e a transformacao de fase em ligas com memoria

de forma, desvendando as origens e os trabalhos mais atuais, assim como a aplica-

bilidade e factibilidade dos projetos.

3.1 Trabalhos Iniciais

Em 1973, no laboratorio Lawrence Berkely, na Universidade da California, o cien-

tista Ridgway M. Banks inventou o que viria a ser nao so o primeiro motor termico de

SMA, como tambem o primeiro motor termico de fase solida. Uma roda semelhante

a de bicicletas, com arames radiais, mas com o eixo excentrico, constitui a base da

invencao. Nos arames, como representado na figura 3.1, sao dispostos fios de SMA

flexionados, com liberdade para estenderem-se. Abaixo da roda, que e posicionada

horizontalmente, ficam duas bacias: uma com agua quente e outra com agua fria,

estando aquela a uma temperatura superior a Af , e esta a uma temperatura inferior

a Mf . Ao entrar em contato com a agua quente, o fio, que antes estava flexionado,

estende-se rapidamente e com forca, gerando uma componente nao nula - gracas a

excentricidade - na direcao tangencial, que imprime uma rotacao ao conjunto. Ao

entrar em contato com a agua fria, os fios perdem a tensao e, por estarem submeti-

dos a uma forca centrıpeta, aliada a geometria do dispositivo, retornam a sua forma

inicial. [9].

20

Lado

Quente

Lado

Frio

Figura 3.1: Desenho esquematico do motor termico de Ridgway M. Banks.

Vista Superior. Fonte: adaptado de US03913326 [9].

Surpreendentemente, a invencao operou por mais de 23 milhoes de ciclos com

os fios originais, sem intercambio de pecas ou constituintes [10]. Na configuracao

original, com 20 arcos de NiTinol e uma diferenca de 23oC entre as temperaturas, o

motor girou a 65 rpm, entregando aproximadamente 0.2W [9] E possıvel assumir que

houve grandes perdas de energia no atrito entre as argolas em movimento e a agua,

alem das perdas por irreversibilidade e a tendencia a equalizacao das temperaturas

dos recipientes com o tempo, ja que o calor e trocado entre as duas bacias por

intermedio dos fios, que o transportam.

Alguns anos apos a invencao de Ridgway M. Banks, em 1977, foi a vez de Alfred

D. Johnson patentear a sua invencao nos Estados Unidos da America, identificada

pelo codigo US4055955. Na figura 3.2, temos as duas versoes do dispositivo, que

diferenciam-se pela forma de sincronizacao entre as polias. Ambas baseiam-se em um

mesmo princıpio de funcionamento: uma mola, fabricada a partir de uma liga com

memoria de forma, tem suas extremidades unidas em um ciclo e e deformada de modo

21

a aumentar seu comprimento inicial. Nesta configuracao, e ajustada a um conjunto

de polias. Em uma parte do percurso, e submetida a uma temperatura maior que

Af e, em outra, a uma temperatura menor que Mf . Assim, formam-se duas regioes

na mola, uma austenıtica e outra martensıtica. A regiao exposta a temperatura

mais elevada se contrai com a transformacao de fase, gerando uma diferenca de

tensao e torque entre as duas porcoes que, por consequencia, gera rotacao. Por

estarem sincronizadas, a porcao resfriada deforma-se quando da contracao da porcao

aquecida, permitindo assim a repeticao do ciclo.

Água FriaÁgua

Quente

(a)

ÁguaQuente

ÁguaFria

(b)

Figura 3.2: (a) Modelo de motor de sincronizado por engrenagens. (b) Versao

modificada do projeto a, sincronizando as polias por compartilhamento de eixo.

Fonte: adaptado de WAKJIRA [10].

O modelo proposto por JOHNSON [39] e a inspiracao para o dispositivo apresen-

tado neste trabalho, sendo uma mistura entre as possibilidades ilustradas em 3.2a e

3.2b. Apesar de nao apresentar a maior eficiencia entre os modelos que serao apre-

sentados neste capıtulo, a reproducao desta invencao justifica-se pela simplicidade

de componentes, fabricacao, montagem e explanacao. Como parte do objetivo do

presente trabalho e evidenciar a possibilidade do uso de ligas com memoria de forma

para a geracao de energia, esta simplicidade e extremamente importante.

22

3.2 Progresso Historico e Desenvolvimento

O dispositivo desenvolvido por Ridgway M. Banks impulsionou o interesse pelos

motores termicos de estado solido, inspirando as mais diversas invencoes, sendo elas

adaptacoes ou ideias totalmente distintas. Entre o fim da decada de 70 e meados da

decada de 90, inumeras patentes foram registradas contendo projetos e prototipos

de motores de SMA. Com isso, tornou-se interessante cataloga-las, agrupando-as a

partir de caracterısticas em comum. O primeiro trabalho mais robusto neste sentido

foi apresentado por FUNAKUBO [40], em que o princıpio de funcionamento foi

adotado como criterio de definicao dos grupos. O trabalho propos quatro categorias:

manivela, turbina, motores de campo e miscelanea (diversos), do ingles offset crank

engines, turbine engines, field engines e miscellaneous.

Com o passar do tempo, esta divisao tornou-se em parte obsoleta, uma vez que o

ultimo grupo e vago e compreende designs muito distintos entre si. Em vista disso,

SCHILLER [14] expandiu, em 2002, a divisao para 6 novas categorias: manivela,

polia, motores de campo, placas oscilantes, alternativos e sequenciais. Com este

novo agrupamento, torna-se mais clara a fronteira que difere diferentes dispositivos,

mas com uma alteracao no criterio: aqui, a construcao e os componentes mecanicos

sao tao importantes quanto o princıpio de funcionamento. Ainda, os motores de

manivela e polia sao divididos entre sincronizados e nao-sincronizados, conceito que

sera detalhado neste capıtulo. Apresentam-se, a seguir, algumas destas categorias,

incluindo detalhes de funcionamento e exemplos patenteados. Como o design pro-

posto neste trabalho enquadra-se na categoria de polias, faz sentido dar-lhe destaque

e maior aprofundamento

3.2.1 Motores de Polia

Motores de polia caracterizam-se pela presenca de um ciclo contınuo de SMA,

como uma correia, que e posicionada ao redor de um conjunto de polias. Esta

correia pode ser um fio, diversos fios lado a lado, uma fita ou ate mesmo uma mola,

fabricados a partir de ligas com memoria de forma. Baseiam-se no atrito entre o

elemento e a polia para transmitir o movimento.

23

O modelo mais simples e constituıdo por duas polias com diametros diferentes e

um fio de liga de memoria de forma, como ilustrado na figura 3.3. Ao posicionar-se

o fio ao redor das polias, este assume uma nova forma, deformada, que se mantem

gracas a reorientacao da fase martensıtica - primeiro passo do efeito de memoria

de forma. Ao entrar em contato com agua quente (ou outra fonte de calor), o fio

tesiona-se. E importante notar que esta tensao e simetrica em relacao ao eixo e,

portanto, o conjunto nao movimenta-se automaticamente. Porem, ao receber uma

forca externa que determine a direcao do movimento, o conjunto passa a girar.

Outra alternativa e imprimir uma inclinacao ao conjunto, tirando o equilıbrio entre

os torques, fazendo com que o movimento se inicie automaticamente. Estas duas

configuracoes sao expressadas na figura 3.4.

Água quente

Figura 3.3: Desenho esquematico de um motor de SMA de polia simples.

Fonte: adaptado de US4117680. [11].

Este modelo mais simples foi melhorado com o decorrer dos anos, a partir de mo-

dificacoes estruturais. A insercao de uma polia intermediaria tensionante, ilustrada

na figura 3.5, que tira o equilıbrio entre os torques na polia inferior aumenta de

24

Elemento

SMA

Água Quente

(a) (b)

Figura 3.4: (a) Esquema de torques sem inclinacao do conjunto de polias. (b)

Esquema de torques com inclinacao do conjunto de polias. Fonte: adaptado de

AKAGI et al [12].

forma significativa a potencia de saıda do equipamento [12]. Alem disso, uma outra

melhoria interessante e a troca do fio por superfıcies como fitas, que aumentam a

troca de calor.

Polia Superior

Polia Intermediária

Sentido de Rotação

PoliaInferior

Água Quente

Distância de tensionamento

Ângulo de Instalação

Figura 3.5: Esquema de dispositivo com polia intermediaria. Fonte: adaptado

de AKAGI et al. [12].

25

Quando trata-se de dispositivos de polia, a divisao entre os sincronizados e nao-

sincronizados faz-se necessaria. A diferenca entre estes grupos consiste na presenca -

ou nao - de um elemento sincronizante entre as polias, isto e, um elemento mecanico

que estabeleca uma relacao fixa entre suas velocidades de rotacao. Ha diversas

possibilidades, como correias, engrenagens, correntes, compartilhamento de eixo,

entre outras. Os dispositivos apresentados nas figuras 3.3 e 3.5 sao exemplos de

motores nao sincronizados.

A figura 3.6 ilustra a segunda classe de motores de polia, os chamados sincroni-

zados. Um conjunto secundario de polias e correntes sincroniza o movimento das

polias pelas quais passa a mola de liga de memoria de forma. A sincronizacao permite

transmitir a tensao causada pela deformacao da porcao aquecida, movimentando e

deformando a porcao resfriada. Aqui, enquadra-se o modelo proposto por Alfred

Davis Johnson, apresentado na secao que abre este capıtulo. Nele, a sincronizacao

se da pelo compartilhamento de um mesmo eixo.

Aquecimento

Resfriamento

Corrente Sincronizadora

Mola de SMA

Figura 3.6: Esquema de dispositivo com polias sincronizadas. Fonte: adap-

tado de BROWNE et al. [13].

Na maioria das vezes, a sincronizacao e utilizada em dispositivos com molas de

SMA, ja que estas apresentam maiores deformacoes lineares e, portanto, a relacao

26

entre velocidades dos dois trechos (quente e frio) e mais crıtica. Sincronizando-os, a

relacao entre as deformacoes nas regioes quente e fria e fixada, alem da velocidade

com que cada trecho ira movimentar-se. No dispositivo apresentado na figura 3.6,

o aquecimento da mola gira a polia da esquerda. Como estao sincronizadas, a polia

da direita ira girar, puxando a mola tensionada no lado aquecido e impulsionando a

porcao resfriada. Com isso, obtem-se o movimento. Para isso e necessario, porem,

um impulso inicial.

3.2.2 Motores de Manivela

Motores de manivela sao definidos pela presenca de elementos de liga de memoria

de forma conectados de forma excentrica a um eixo, de tal modo que seu movimento

alternativo transforme-se em rotacao. A figura 3.7 ilustra um exemplo desenvol-

vido por SCHILLER [14]. Nele, fios de SMA sao conectados entre duas rodas de

diametros distintos e, quando em contato com agua quente, contraem-se, movimen-

tando o conjunto. Como as duas rodas sao sincronizadas, o movimento e transmitido,

permitindo assim que o ciclo se repita.

Quente

Direção de

Rotação

Elemento resfriado

Elemento aquecido

Frio

Elemento sincronizante

Figura 3.7: Esquema de dispositivo de manivela sincronizado. Fonte: adap-

tado de SCHILLER. [14].

27

Este e apenas um dos exemplos dos motores a manivela que, assim como os de

polia, foram largamente explorados. Neles, tambem ha a divisao entre sincronizados

e nao-sincronizados, com a mesma definicao usada anteriormente. Nesta categoria

enquadra-se o modelo de Banks, apresentado na abertura deste capıtulo.

3.2.3 Motores de Campo

Motores de campo sao aqueles que trabalham contra forcas de campo, de forma

que possam usar-se dessas para fechar o ciclo de transformacao das ligas com

memoria de forma. Geralmente, o elemento parte de uma condicao inicial e e aque-

cido, gerando trabalho ao fim da transformacao, chegando a uma configuracao di-

ferente da inicial. Neste momento, a forca de campo entra em cena, restaurando a

condicao inicial. Outra forma e a variacao da densidade entre trechos de um ciclo

ao aproximarem-se seus elementos com o aquecimento de um fio que os una. Desta

forma, um trecho do ciclo fica mais denso e portanto a forca do campo sobre ele e

maior. A figura 3.8 exemplifica um destes dispositivos.

Figura 3.8: Esquema de motor de campo magnetico. Fonte: adaptado de

US4027479. [15].

28

3.2.4 Outros

Por mostrarem-se menos difundidos ou promissores, os motores alternativos, se-

quenciais e placas oscilantes serao apresentados nesta mesma secao.

A comecar pelos alternativos, grupo que e caracterizado pelo aproveitamento dos

movimentos lineares alternativos de um elemento de liga de memoria de forma para

realizar trabalho a partir de uma diferenca entre temperaturas. O movimento al-

ternado e transmitido para um conjunto mecanico ou pistao, como no exemplo da

figura 3.9. O maior desafio dos motores deste tipo e a aplicacao do ciclo termico,

uma vez que os componentes nao se deslocam de uma regiao para a outra (dife-

rentemente dos exemplos em que o elemento de SMA desloca-se entre duas regioes

de temperaturas distintas). Geralmente, sao expostos a fluxos de fluidos, o que

compromete a eficiencia por causa da necessidade de bombas.

Figura 3.9: Esquema de motor alternativo de SMA. Fonte: adaptado de

US4434618. [16].

Motores de placas oscilantes sao similares aos de manivela, no sentido de transfor-

marem o movimento linear do SMA em rotacao. Porem, diferenciam-se pela direcao

do eixo de rotacao em relacao a forca obtida do elemento de liga de memoria de

forma. Um exemplo e ilustrado pela figura 3.10. Ao expor uma porcao das molas

ao calor, elas se contraem, gerando uma forca. A componente tangencial desta forca

e o que move o aparato [22].

29

Mola de

SMA

Figura 3.10: Esquema de motor de placas oscilantes. Fonte: adaptado de

TOBUSHI et al. [17].

Por fim, motores sequenciais sao aqueles em que o deslocamento e dado por peque-

nos e potentes passos, onde uma das extremidades do aparato estende-se e posteri-

ormente puxa a outra extremidade, num movimento similar ao de uma lagarta. Este

grupo e extremamente singular e pouquıssimo explorado, mas tem seus exemplos,

como o dado pela figura 3.11.

Figura 3.11: Esquema de motor sequencial. Fonte: adaptado de US5901554.

[18].

30

3.3 Resultados Alcancados

Apos a apresentacao dos diversos conceitos e designs desenvolvidos, patenteados

e testados, faz-se essencial a discussao dos resultados alcancados com alguns destes

motores. Assim, essa secao dispoe e destrincha resultados observados na literatura,

comparando-os entre eles e com as outras tecnologias apresentadas no comeco deste

trabalho. Com isso, e possıvel analisar de forma crıtica a factibilidade de tais apa-

ratos.

A figura 3.12 apresenta dois prototipos de motores a manivela. A 3.12a ilustra

o dispositivo testado experimentalmente por IWANAGA et al [19] e modelado por

ZHU et al [41]. Com esta montagem, foram possıveis torques de ate 0.6 N.m,

velocidades de ate 160rpm e uma potencia de ate 1.6W, operando entre 90oC e a

temperatura ambiente (entre 12-15oC). O pico de potencia deu-se proximo a 40rpm,

com um torque aproximado de 0.4 N.m e 1.6W. Ja SCHILLER [14], em seu trabalho

ilustrado pela figura 3.12b, alcancou velocidades maximas de apenas 26.7rpm, e

previu por modelos matematicos e computacionais uma potencia maxima de saıda

na ordem de 1W para rotacoes na ordem de 10rpm, operando entre 25oC e 85oC.

Mola de SMA

Eixo de saída

Eixo deManivelas

Engrenagens

(a)

Elemento de SMA

Elemento

Sincronizante

(b)

Figura 3.12: (a) Esquema de motor de manivela utilizado por IWANAGA et al.

Fonte: adaptada de IWANAGA et al [19]. (b) Aparato experimental desenvolvido

por SCHILLER. Fonte: adaptado de SCHILLER. [14].

Apresentados na figura 3.13 estao dois dispositivos distintos do tipo alternativo.

Na imagem 3.13a, ilustra-se o motor desenvolvido por SAKUMA e IWATA [20].

31

Nele, enquanto um elemento de SMA e aquecido, o outro e resfriado. Ambos sao

conectados a uma alavanca, que transmite o movimento de um para o outro. Assim,

ao submete-los a ciclos termicos alternantes, eles realizam um movimento alterna-

tivo. E importante notar que parte do trabalho realizado pelo elemento aquecido

e usada para deformar o elemento resfriado, possibilitando a continuidade do ciclo.

Com este aparato, foi observada uma potencia maxima de saıda de 1W, operando

entre 293K e 363K.

Aquecimento Resfriamento Aquecimento

Resfriamento

AlavancaAlavanca

(a)

Aquecimento Resfriamento

Fio de SMA

Mola

linearEixo com catraca

unidirecionalO eixo Gira Eixo não gira

Pino

Alavanca

(b)

Figura 3.13: (a) Motor alternativo desenvolvido por SAKUMA e IWATA. Fonte:

adaptada de SAKUMA e IWATA [20]. (b) Motor alternativo de SMA desenvolvido

por KANEKO e ENOMOTO. Fonte: adaptado de KANEKO e ENOMOTO. [21].

Observa-se, na figura 3.13b, o motor alternativo de liga com memoria de forma

desenvolvido por KANEKO e ENOMOTO [21]. Nele, um conjunto de valvulas

regula um fluxo alternado de agua fria e quente que flui por um elemento de SMA.

Ao ser aquecido, este contrai-se, vencendo a mola linear e rodando um eixo. Ao

ser resfriado, perde a tensao e e deformado pela mesma mola. Porem, nesta etapa,

uma catraca unidirecional nao permite a rotacao do eixo, fazendo com que ele gire

sempre no mesmo sentido durante todos os ciclos. Este equipamento entregou uma

potencia maxima de 0.1W a 35rpm, operando entre 23oC e 85o.

Um modelo de motor de placas oscilantes, ilustrado na figura 3.14 e desenvol-

vido por TOBUSHI et al [42], vale-se do princıpio anteriormente explanado para

movimentar-se, alcancando velocidades angulares de ate 120rpm, com potencia

maxima de 1.6W e densidade de potencia de 1.08 W/g.

32

Molas de SMA

Figura 3.14: Esquema de motor de placas oscilantes prototipado por TO-

BUSHI et al. Fonte: adaptado de TOBUSHI et al. [22].

Na figura 3.15, temos dois modelos de motores de polia. O primeiro, ilustrado

pela figura 3.15a, e o design mais simples desta categoria, contando apenas com

duas polias, um fio de SMA e uma diferenca de temperaturas. Com ele, AVIROVIK

et al [23] apresentam resultados indicando velocidades de ate 400rpm e potencias

calculadas de 2.5mW, sendo efetivamente gerados 1.6mW de potencia eletrica a

partir de um gerador acoplado. Ja no esquema ilustrado pela figura 3.15b, ha um

aparato praticamente semelhante, com apenas uma pequena diferenca: a presenca

de uma polia tensionadora, assim como a da figura 3.5. Os resultados demonstram

potencias de ate 160mW, sendo em media 40mW superiores aos resultados dos

experimentos realizados no mesmo aparato, mas sem a presenca deste tensionamento

[12].

Por fim, ilustrado pela figura 3.16a esta um motor de polias com sincronizacao

e tensionamento. Operando entre 20oC e 200oC, os experimentos retornaram va-

lores de ate aproximadamente 350rpm, com uma densidade de potencia de ate

110mW/g. Ja na figura 3.16b, temos o equipamento de multiplas polias desen-

volvido por MANDZHAVIDZE et al [24], que entregou incrıveis 7W de potencia a

33

95oC.

Gerador

Polia resfriada

Polia aquecida

Fonte

Quente

Ventoinha

(a)

SensoresPolia

Tensionadora

Polia Superior

Polia InferiorÁgua quente

(b)

Figura 3.15: (a) Esquema de motor de polias de AVIROVIK et al. Fonte: adaptada

de AVIROVIK et al [23]. (b) Aparato experimental para motor de polias com fitas

de SMA e polia tensionadora desenvolvido por AKAGI et al. Fonte: adaptado de

AKAGI et al [12].

Elemento

Sincronizante

Ar quente

Ar frio

Ciclos paralelos

de SMA

(a)

Água quente

Elemento de SMA

Polia

(b)

Figura 3.16: (a) Prototipo de motor de polias sincronizado desenvolvido por

BROWNE et al. [13]. (b) Motor de polias sincronizadas multiplas desenvolvido

por MANDZHAVIDZE et al [24].

A tabela 3.1 sumariza os dados apresentados nesta secao, e evidencia a baixa

potencia gerada por estes motores. Apesar disso, e importante notar que os gerado-

res feitos a partir de materiais termoeletricos apresentam potencias na mesma ordem

34

em temperaturas mais elevadas e com baixıssimas eficiencias perto dos 100oC [27].

Portanto, estes dados mostram-se extremamente relevantes, evidenciando a factibi-

lidade do uso destes aparatos em menores escalas, para baixas temperaturas. Ao

compara-los entre sı, e possıvel notar que motores de polias simples possuem altas

velocidades, mas baixa potencia, enquanto aqueles a manivela e de placas oscilantes,

apesar de mais lentos, entregam maiores potencias. O dispositivo de MANDZHA-

VIDZE et al [24] apresentou uma potencia fora da curva, bem acima das demais, e

apresenta portanto grande potencial.

Tabela 3.1: Resultados experimentais de motores de liga de memoria de formaTipo de Motor Temperaturas de Operacao (oC) Velocidade Angular Maxima(rpm) Potencia Maxima Referencia

Manivela 15-90 160 1.5W IWANAGA et al [19]

Manivela 25-85 26.7 1W SCHILLER [14]

Alternativo 20-80 - 1W SAKUMA e IWATA [20]

Alternativo 23-85 60 0.1W KANEKO e ENOMOTO [21]

Placas Oscilantes Ambiente - 90 120 1.6W TOBUSHI et al [42]

Polia Ambiente - 71 480 2.5mW AVIROVIK et al [23]

Polia 23-80 - 0.16W AKAGI et al [12]

Polia Sincronizada 20-200 350 110mW/g BROWNE et al [13]

Polia Sincronizada Ambiente - 95 - 7W MANDZHAVIDZE et al [24]

35

Capıtulo 4

Construcao do Prototipo e seu

Aparato Experimental

Este capıtulo visa demonstrar as diversas etapas entre a concepcao inicial do

projeto e sua versao final, assim como a elaboracao de todo o aparato experimental

necessario para realizar as medicoes de interesse.

4.1 O Prototipo

O objetivo que norteou este trabalho foi a reproducao de um motor de SMA fun-

cional, a baixo custo, que evidenciasse de forma simples o potencial das ligas de

memoria de forma na colheita de energia. Tendo isso em vista, entre os diversos de-

signs aqui dispostos, foi escolhido um que melhor cumprisse com estas necessidades.

Por sua simplicidade, aliada aos interessantes resultados em termos de velocidade

e potencia para um equipamento extremamente compacto, o modelo proposto por

JOHNSON, apresentado na figura 3.2b e explanado na secao 3.1 foi aqui adotado

como inspiracao. Algumas modificacoes foram realizadas, como o uso de engrena-

gens sincronizadoras e reguladores de distancia entre as polias, que serao exploradas

mais a fundo nesta presente secao.

4.1.1 O Projeto

Antes de fabricar o motor, e necessaria a elaboracao de um projeto determinando-

se dimensoes, relacoes mecanicas, componentes necessarios, materiais e procedi-

36

mento de montagem. Para isso, o equipamento e inteiramente modelado por meio

de desenhos computacionais, que posteriormente servirao tambem como base para

a manufatura. Cada peca e desenhada separadamente e todas sao unidas na mon-

tagem final. A figura 4.1 ilustra a montagem do projeto em sua versao final visando

facilitar o entendimento do processo de concepcao a partir daqui.

(a) (b) (c)

Figura 4.1: (a) Vista isometrica da montagem final. (b) Vista frontal da montagem

final. (c) Vista lateral da montagem final.

Nota-se que o numero de componentes e relativamente pequeno, sendo o motor

constituıdo por: uma estrutura central de suporte, duas engrenagens, quatro polias,

quatro eixos (parafusos), seis rolamentos e um parafuso central para unir toda a

estrutura, alem da mola de liga com memoria de forma (que nao esta nas imagens).

Sao utilizadas porcas e arruelas para a montagem. Destes itens, sao fabricados os

suportes, as polias e as engrenagens.

O ponto mais importante do projeto sao as engrenagens, ja que definem a relacao

entre as velocidades das polias pelas quais passam as porcoes aquecida e resfriada

da mola de liga com memoria de forma. Isso tem a implicacao mais profunda de

determinar exatamente qual e a relacao entre os tamanhos destas regioes da mola,

a menos que ocorram pequenos escorregamentos das espiras em relacao as polias.

37

Neste caso, utiliza-se a relacao de 3:1 entre as engrenagens. Com isso, para que

ocorra o fluxo contınuo e sem escorregamento do material, e necessario que a porcao

deformada (resfriada) tenha 3 vezes a densidade da porcao tensionada (aquecida),

isto e, o comprimento do passo entre as espiras da porcao resfriada deve ser o triplo

do da aquecida. Assim, no funcionamento, a mola e deformada e deve restituir-se a

um terco do seu tamanho ao entrar em contato com a agua quente. A escolha deste

valor tem por objetivo evitar a inducao de deformacoes plasticas na mola.

A partir daı, simplifica-se o projeto dos componentes restantes. A estrutura prin-

cipal, que sustenta as polias, e dividida em tres partes com o intuito de facilitar

a producao por manufatura aditiva. Duas dessas partes sao iguais, representadas

pela figura 4.2a. Estes componentes sao usados para sustentar as polias superiores,

com o auxılio do eixo, tambem presente na figura supracitada. Como estas polias

compartilham o eixo com suas respectivas engrenagens, a distancia vertical entre

os seus centros e fixada, de modo a permitir a operacao. Com isso, apenas duas

posicoes sao possıveis neste suporte, determinadas pelos dois furos passantes. Outro

furo passante, na base do suporte, permite a uniao posterior entre as tres pecas por

meio de um fuso.

(a) (b)

Figura 4.2: (a) Suporte de uma das polias superiores com eixo montado em uma das

duas posicoes. (b) Suporte das polias inferiores com as polias montadas em balanco

nos respectivos eixos.

38

A terceira peca desta estrutura central e representada pela figura 4.2b, e diferencia-

se das duas anteriores principalmente pelo fato de sustentar duas polias ao mesmo

tempo, que sao montadas em balanco nos seus respectivos eixos. Alem disso, os

quatro furos passantes nas pernas da estrutura servem para permitir o ajuste da

posicao das polias, tornando a geometria regulavel, assim como a deformacao inicial

que e dada a mola ao posiciona-la no equipamento.

Um ultimo ponto que e importante para o funcionamento do equipamento e que

os vaos das polias devem estar alinhados, fazendo com que a mola nao tenha in-

clinacoes indesejadas e possa movimentar-se livremente, com as componentes das

forcas na direcao correta em relacao as polias (perpendiculares ao seus eixos). As-

sim, a geometria dos suportes e das polias e dimensionada com o intuito de garantir

um posicionamento como o ilustrado na figura 4.3. Este dimensionamento tambem

garante o alinhamento entre as engrenagens.

Figura 4.3: Vista superior da montagem, evidenciando alinhamento entre os

vaos das polias.

Durante o desenvolvimento, outras alternativas foram analisadas, tendo sempre

como foco principal a facilidade de fabricacao, montagem e entendimento.

39

4.1.2 Manufatura dos Componentes

Desde a concepcao inicial, o uso da manufatura aditiva para a fabricacao das

pecas da estrutura do motor estava definida como solucao. Alem de baixo custo,

o metodo e moderno e extremamente versatil, adaptavel e flexıvel, sendo portanto

adequado para a necessidade. Para a fabricacao da mola, uma revisao da literatura,

explorada mais a frente nesta secao, forneceu as informacoes necessarias. Por fim, a

montagem se da de forma simples, utilizando componentes disponıveis no mercado,

como parafusos, porcas e arruelas.

A impressora 3D a ser utilizada e a Ultimaker 2, que opera com os plasticos ABS

e PLA, e possui uma area de impressao de 23x22.5x23cm. Com isso, as primeiras

limitacoes ficam evidentes: o material e o tamanho maximo de cada componente.

O tamanho nao teve interferencia no projeto. Porem, a restricao quanto ao mate-

rial e importante e teve influencia direta no projeto: ambos os plasticos possuem

temperaturas de transicao vıtrea relativamente baixas, o que limita as temperaturas

de operacao do motor. A temperatura de transicao vıtrea define a temperatura na

qual o plastico apresenta degradacao, perdendo propriedades mecanicas, e varia em

torno de 62oC para o PLA e 95oC para o ABS [43] [44] [45].

As pecas sao fabricadas de forma independente, partindo dos desenhos apresenta-

dos anteriormente. Os desenhos dos componentes sao tratados separadamente com

o auxılio do software Cura, disponibilizado pela Ultimaker, onde e possıvel deter-

minar os parametros de impressao. Em linhas gerais, sao utilizadas velocidades de

impressao entre 40-70mm/s, com preenchimentos variando de 20-40%, sendo maior

para as pecas centrais de estrutura. Para as camadas, alturas de 0.1mm, um pouco

mais finas que o padrao, de modo a garantir uma melhor superfıcie e, alem disso,

possibilitar a manufatura de camadas suspensas sem o uso de suportes (estruturas

auxiliares fabricadas para suportar o material acima e que devem ser removidas apos

o termino da impresao). Estes suportes sao evitados em todos os componentes, ga-

rantindo tambem a qualidade da superfıcie. Nas camadas de base e topo, alem das

paredes, sao utilizadas espessuras proximas a 1mm, visando o total preenchimento

das mesmas, nao permitindo que as pecas apresentem superfıcies vazadas.

40

Somente as engrenagens e os suportes superiores sao fabricados com PLA, uma

vez que nao entram em contato com a agua, e nem com a mola aquecida. Para

eles, o bico extrusor e aquecido a temperaturas entre 190-210oC e a mesa a 50oC.

As pecas produzidas foram satisfatorias, nao apresentando maiores problemas na

impressao. Para os outros componentes, o uso do ABS trouxe uma complicacao:

um efeito conhecido como warp e muito comum para este plastico. Basicamente,

caracteriza-se pelo fato do material recem depositado contrair-se e curvar-se, gerando

uma deformacao em relacao a forma original. Visando evitar esse fenomeno, a mesa

e aquecida a 90oC, com o bico extrusor operando entre 225 e 250oC. Alem disso, a

mesa recebe uma camada de cola, pratica comum que auxilia a fixacao dos compo-

nentes. Apos algumas tentativas frustradas e diversas alteracoes nos parametros de

impressao, todos os componentes foram fabricados de forma satisfatoria.

4.1.3 Fabricacao da Mola de SMA

A fabricacao da mola de SMA buscou inspiracao nos metodos descritos por ENE-

MARK et al [46] e FOLLADOR et al [47], que consistem em enrolar um fio de

SMA na rosca de um fuso, conformando-o e, apos fixar suas pontas, submeter o

conjunto a um tratamento termico. Neste tratamento, o fio conformado e aquecido

ate uma determinada temperatura, que e mantida por alguns minutos e, ao fim,

resfriado rapidamente em agua. No trabalho aqui disposto, a temperatura utilizada

e de 450oC e o tempo de patamar, 30 minutos. A agua, na etapa final, encontra-se

a temperatura ambiente. Para tal, utiliza-se um forno Mufla, ilustrado na figura

4.4a. A mola apos o tratamento termico, assim como o fuso utilizado, podem ser

visualizados na figura 4.4b. Nota-se a presenca de porcas na extremidade do fuso

que sao utilizadas para travar as extremidades do fio.

Ao fim do tratamento, o fio assume a forma a qual e conformado com dimensoes

dadas pelas da rosca escolhida. Neste projeto, utiliza-se uma rosca N10 (3/16”.24)

UNC - rosca unificada grossa. Esta rosca apresenta um diametro maximo do nucleo

de aproximadamente 4mm, e um passo pouco maior que 1mm (24 fios por pole-

gada). Assim, a mola possui um diametro externo proximo aos 5mm, ao somar-se

ao diametro do nucleo o diametro do fio e tambem a distancia entre fio e nucleo

41

(a) (b)

Figura 4.4: (a) Forno utilizado no tratamento termico da mola. (b) Mola apos o

tratamento termico ao lado do fuso utilizado.

da rosca. Alem disso, a mola e produzida com 216 espiras, totalizando 9 polegadas

de comprimento, ou 228,6mm. Um dos desafios desta fabricacao e a uniao entre as

duas pontas da mola, fechando-a num ciclo. A utilizacao de solda nao mostrou-se

uma opcao interessante, visto que o calor poderia trazer alteracoes microestruturais

nao desejaveis. Algumas alternativas foram testadas, e a melhor solucao encontrada

foi uni-las utilizando linha de costura, amarrando-as. Esta solucao, apesar de apa-

rentemente simples, provou ser a de menor impacto na continuidade do ciclo, alem

de nao desbalancea-lo, resistindo as tensoes geradas.

Para que atendesse a necessidade da operacao a temperaturas menores que os

100oC, as temperaturas caracterısticas da liga com memoria de forma utilizada

no fio, apresentadas anteriormente, estavam tambem limitadas. Essencialmente,

a transformacao de fase austenıtica deveria estar completa antes dos 100oC, com

alguma margem. Alem disso, seria interessante que a transformacao reversa, de

austenita para martensita, se concretizasse em temperaturas superiores a 0oC, uma

vez que, dos metodos de resfriamento mais simples, o com a menor temperatura

seria com o uso de gelo. Complementando estas duas limitacoes ha ainda o fato de

que, quando em operacao, o fio estaria necessariamente tensionado, levando a uma

42

variacao das temperaturas caracterısticas no sentido de seu acrescimo. Tendo todos

estes fatos em vista, encontrar uma liga que atendesse a estes criterios nao foi tarefa

facil, dificultada ainda mais pelos obstaculos comerciais da compra de quantidades

pequenas de um material tao especıfico. Sendo assim, e entendıvel o fato de que a

liga utilizada, fornecida a tıtulo de apoio pela empresa Fort Wayne Metals, possa

nao ser exatamente a melhor opcao.

A caracterizacao da liga com memoria de forma e feita a partir de testes em

um DSC (do ingles differential scanning calorimeter) considerando tres amostras

retiradas por corte lento de precisao, com alcool como fluido de corte. Um dos

resultados e mostrado na figura 4.5, sendo resumidos na tabela 4.1, assim como

a media dos valores. Essa figura mostra as transformacoes de fase nas zonas com

picos, e um calculo e feito em relacao a temperatura no inıcio e fim destas indicacoes.

Observa-se um pequeno pico durante o resfriamento, em azul, mas este e referente

a um comportamento que foge do escopo deste trabalho e, portanto, utilizam-se os

valores do pico com menores temperaturas.

Figura 4.5: Grafico das temperaturas caracterısticas obtido na analise com o

aparelho de DSC.

Tendo em vista que estes testes sao realizados em um estado livre de tensoes, as

temperaturas de transformacao de martensita para austenita sao satisfatorias para

43

Tabela 4.1: Temperaturas caracterısticas obtidas para tres amostras do fio por meio

de analise com DSC.

AmostrasTemperaturas (oC)

Mf Ms As Af

1 -17.6 -3.5 45.5 53.8

2 -16.5 -3 44.1 53.8

3 -15 -3 45.5 54.5

Media -16.3 -3.1 45.0 54.0

o trabalho. Uma vez que esses valores estao abaixo dos 100oC, ainda ha uma folga

para seu incremento quando a mola for tensionada. Isso torna fontes termicas com

temperaturas menores que os 100oC passıveis de serem utilizadas para a geracao de

energia. Isto evidencia um novo carater deste tipo de aplicacao: a flexibilidade de

operacao em diferentes faixas de temperatura, possıvel por meio do uso de materiais

com caracterısticas distintas e pela variacao da tensao aplicada.

No entanto, as temperaturas da transformacao reversa, Ms e Mf , apresentam um

resultado que nao e muito conveniente. As temperaturas encontradas sao muito

baixas, o que dificulta o uso do gelo como meio de resfriamento. Apesar disso, o

tamanho da mola e projetado de modo a induzir maiores tensoes, elevando as tem-

peraturas de transformacao e, por consequencia, possibilitando que a transformacao

ocorra ao menos de forma incompleta. Este foi um dos pontos crıticos do projeto. A

solucao mais adequada pode estar associada a uma mudanca na composicao quımica

da SMA ou ainda a tratamentos termicos que possam alterar as temperaturas de

transformacao de fase, solucoes que estao fora do escopo deste projeto.

4.1.4 Montagem

Alguns detalhes da montagem devem ser destacados. Apesar da estrutura simples

e do baixo o numero de componentes, a montagem e realizada por interferencia.

A estrategia adotada e a impressao dos furos com o diametro ligeiramente menor

que o diametro externo dos rolamentos adquiridos, na ordem de 0.1mm (precisao

da impressora), e posteriormente o lixamento das paredes destes furos ate que a

44

montagem por interferencia se mostre satisfatoria. O mesmo procedimento e adotado

na montagem das polias nos eixos (parafusos M3 de pescoco comprido). Entre

parafuso e os rolamentos, o uso de porca contra porca visa travar o conjunto. Por

fim, na ponta dos eixos das polias superiores, as engrenagens tambem sao montadas

por interferencia. Unindo os tres componentes da estrutura central, um grande fuso

M4, com arruelas e porcas nas extremidades. A figura 4.6 ilustra a vista explodida,

evidenciando o posicionamento dos componentes.

(a) (b)

Figura 4.6: Vistas explodidas evidenciando posicionamento de componentes na mon-

tagem final.

4.1.5 Resultado da Manufatura

Apos a realizacao de todas as etapas descritas, obtem-se o produto final, ilustrado

pelas fotografias das figuras 4.7 e 4.8.

45

(a) (b)

Figura 4.7: Fotografias das vistas frontal e lateral do prototipo pronto.

(a) (b)

Figura 4.8: Fotografias das vistas isometrica e superior do prototipo pronto.

4.2 O Aparato Experimental

Com o intuito de caracterizar o funcionamento do motor projetado e construıdo,

um aparato experimental se fez necessario. Para tal, sao definidas as necessidades

do projeto: permitir o funcionamento do conjunto, retornando medidas de tempe-

46

ratura, velocidade de rotacao e tempo decorrido, com o mınimo de interferencia

possıvel no movimento. Assim, alem de uma estrutura de suporte, sao necessarios

sensores ligados a um interpretador. Neste caso, optou-se por utilizar o Arduino.

Nesta secao sao descritos os sensores utilizados, assim como discutidos os codigos de

funcionamento e as alternativas analisadas. E importante notar que a elaboracao da

estrutura do suporte aos sensores ocorre de forma simultanea a definicao do aparato

de medicao, pois ha influencias recıprocas, que levaram ao conceito final.

4.2.1 Sensores e Medicao

Para medir os tres parametros definidos no projeto, a saber: temperatura, velo-

cidade de rotacao e tempo transcorrido, uma placa Arduino Mega e utilizada. Por

definicao do projeto, a fonte fria e um volume de agua e gelo em equilıbrio termico,

estando o gelo em processo de fusao. A medicao da temperatura e realizada apenas

na fonte quente. Apesar deste simplificador, ha dois desafios nesta medicao: o fato

de ser subaquatica e a necessidade de um tempo de resposta nao muito grande de

modo a avaliar corretamente o decrescimo esperado para a temperatura da fonte

quente.

Para atender estas necessidades e utilizado o sensor DS18B20 ilustrado pela figura

4.9a. Com faixa de medicao de -55 a +125oC e precisao de ate 0,5oC entre -10 e

+85oC, este sensor possui um tempo de resposta inferior a 1s, podendo ser muito

menor, a depender de condicoes ambientais e definidas no codigo, o que e suficiente

para este projeto. Alem disso, o sensor de temperatura e a prova d’agua e possui

preco acessıvel.

A avaliacao da velocidade de rotacao pode ser feita de algumas formas diferentes,

destacando-se duas alternativas: o uso de um encoder (optointerruptor) e o uso

de um sensor magnetico (efeito Hall). Na primeira alternativa, um modulo pre-

montado possui uma estrutura em forma de U, ilustrado pela figura 4.9c, na qual

sao posicionados opostamente um led infravermelho e um fotoreceptor. Desta forma,

o sensor permite computar a interrupcao da luz com a passagem de um objeto

opaco entre os dois, que pode ser utilizada para medir a rotacao de um objeto.

47

(a) (b) (c)

Figura 4.9: (a) Sensor de temperatura a prova d’agua DS18B20. (b) Modulo de

sensor de efeito Hall 3144e. (c) Encoder com optointerruptor LM393.

Porem, para utiliza-lo e necessario acoplar uma extensao a polia, que passaria entre

as ”pernas”da estrutura em U. Apesar de ser factıvel, algumas dificuldades para

posicionar precisamente sensor e extensao pesaram contra a sua escolha.

Desta forma, optou-se por utilizar o sensor magnetico de efeito Hall. Este efeito

e caracterizado pelo uso de um material semicondutor, ao qual e aplicada uma vol-

tagem, gerando uma corrente contınua. Ao aproximar-se de um campo magnetico,

o material e polarizado e, por isso, uma diferenca de potencial e medida na direcao

transversal a corrente. A figura 4.10 ilustra o efeito. Assim, posicionando um pe-

queno ima em uma das polias, e possıvel fazer a contagem das interacoes entre o

mesmo e o sensor, sendo possıvel contar cada volta da polia. Apesar de princıpio de

funcionamento totalmente distinto, esta contagem e similar a feita com o encoder.

A diferenca que determina o uso do efeito Hall e a maior facilidade de posiciona-

mento no aparato. E importante notar que ambos os sensores nao sao de contato e

portanto pouco interferem no movimento do conjunto, um dos requisitos iniciais.

Os codigos utilizados para realizar as medidas estao presentes no apendice A.1,

mas vale destacar a transformacao da contagem das voltas em uma medida de ve-

locidade angular. A resposta do sensor e um sinal enviado toda vez que a polia da

uma volta completa. Assim, sabendo que

RPM =V oltas

Tempo(min)

, duas sao as possibilidades de determinar a velocidade angular: fixando-se um

intervalo de tempo e contando o numero de voltas ou fixando-se o numero de voltas e

48

Semi-condutor

Vcc

VoltagemHall

CampoMagnético

Corrente constante

Figura 4.10: Princıpio de funcionamento de um sensor de efeito Hall. Fonte:

adaptado de Osoyoo.com [25].

marcando o tempo decorrido entre elas. A segunda, apesar de mais precisa e acurada,

esbarra em um problema: a depender da velocidade do conjunto e do tempo de uma

volta, pode ser que o numero estipulado mostre-se grande, o que faria com que a

medida demorasse muito a se atualizar - causando a perda de informacoes e podendo

ate mesmo haver o congelamento da medida caso o motor pare. A primeira, em

contraponto, esbarra em outro problema: a depender da janela de tempo utilizada,

pode ser que nao seja computada uma unica volta, retornando assim erroneamente

um valor nulo para a velocidade. Ambas tambem esbarram em outro problema:

do modo que sao definidas, retornam um valor medio para o intervalo, que pode

se provar errado caso haja grandes variacoes na velocidade. Tendo tudo isso em

vista, a solucao encontrada foi utilizar os dois metodos em conjunto, e o primeiro

limite satisfeito (numero de voltas ou tempo transcorrido) determina a atualizacao

da medida. Alem disso, os limites foram calibrados utilizando um equipamento

com rotacao conhecida. Por tudo aqui disposto, e importante notar que o melhor

funcionamento deste sensor se da quanto maior a velocidade de rotacao, pois o

intervalo torna-se mais curto e a media mais representativa da velocidade atual, por

ter mais pontos.

49

Por fim, utiliza-se um display LCD para apresentar os valores medidos em tempo

real. O esquema da montagem dos sensores, do display e da placa encontra-se

ilustrado na figura 4.11, montada com o auxılio da ferramenta Fritzing.

SensorHall

Display LCD

Sensor de Temperatura

Potenciômetro

Figura 4.11: Esquema de montagem dos sensores e dispositivos na placa

Arduino Mega.

4.2.2 Estrutura para o Experimento

Brevemente, apresenta-se aqui a concepcao da estrutura necessaria para a rea-

lizacao do experimento. Utilizam-se dois aquarios como reservatorios da agua aque-

cida e resfriada, separados por uma camada de isopor, isolante termico, numa tenta-

tiva de amenizar as trocas de calor entre eles, ja que estrutura que suporta as polias

inferiores nao permite que distanciem-se de forma satisfatoria os mesmos. Constroi-

se uma estrutura em madeira para suportar os tanques, horizontalmente, e o motor,

verticalmente. Esta, alem de suportar o aparato, e desenhada de modo a manter

fixos os locais destinados ao posicionamento dos sensores. Para fabrica-la, utiliza-

se uma maquina de corte a laser, melhorando a precisao destes posicionamentos.

50

Ha, ainda, espaco para apoiar e ao mesmo tempo nao deixar a vista toda a parte

eletronica. O resultado final completo e ilustrado na proxima secao.

4.3 O Resultado Final

Concluindo este capıtulo, apresenta-se o resultado final do prototipo e do aparato

experimental alcancado apos todos os passos anteriormente descritos, que pode ser

conferido nas figuras 4.12 e 4.13. Nelas, pode-se notar a presenca de todos os itens

discutidos, desde a estrutura ate os componentes eletronicos. Pode-se dizer que o

resultado e condizente com as necessidades iniciais do projeto.

Figura 4.12: Vista frontal do resultado final da manufatura do motor e seu

aparato experimental.

51

Figura 4.13: Vista da parte traseira do resultado final da manufatura do

motor e seu aparato experimental.

52

Capıtulo 5

Analise dos Resultados

Experimentais

Este capıtulo visa apresentar os ensaios realizados, analisando os resultados obti-

dos nos experimentos e discutindo-os de maneira crıtica.

5.1 Definicoes Iniciais

Antes de apresentar os resultados, faz-se interessante discutir quais as definicoes

para este grupo de experimentos. Comecando pela temperatura da fonte quente,

ha duas opcoes: aquece-la a uma temperatura inicial que, ao longo do experimento,

ira decair com as trocas de calor entre a mola e as duas fontes; ou estabiliza-la em

um patamar, com o auxılio de um controlador. Adota-se a primeira opcao, nao

so por simplificar o experimento, como tambem por permitir quantificar o efeito

da temperatura na velocidade de transformacao e, por conseguinte, de rotacao do

motor. Um controlador preciso, que mantivesse o patamar com uma estabilidade

mınima aceitavel para que dela se tirasse conclusoes, demandaria sensores mais

sofisticados e um sistema de aquecimento rapido e eficiente. Apesar disso, entender

o comportamento do motor em temperaturas constantes e extremamente importante

para demonstrar a vida apos certo numero de ciclos. Portanto, encontra-se aqui uma

oportunidade para estudos futuros, mais aprofundados. Ainda para a temperatura,

seu valor inicial tambem e uma variavel importante. Tendo em vista os objetivos

dispostos para este trabalho, utiliza-se valores entre 80 e 90oC.

53

Quanto ao numero de testes, opta-se por realizar tres ensaios, para avaliar a

repetibilidade do processo, alem do decaimento da velocidade ao longo dos ciclos. Tal

decaimento e esperado principalmente em funcao de possıveis deformacoes plasticas

e irreversıveis na mola, alem da fadiga do componente, exposto a ciclos relativamente

intensos de tensionamento.

Alem de gravar os dados medidos pelos sensores, filmam-se todos os experimentos

realizados, mantendo o registro do funcionamento do motor em vıdeos. Alem de

ilustrarem a operacao, tais registros permitem controlar ainda melhor todos os passos

e possıveis interferencias durante a operacao. Por fim, e importante notificar que

a polia que tem sua velocidade medida pelo equipamento e a mais veloz. Como a

relacao de velocidade entre as polias e fixada pelas engrenagens, conhecem-se ambas

as rotacoes.

5.2 Resultados Experimentais

Os resultados experimentais sao apresentados e discutidos na sequencia. A figura

5.1 ilustra o experimento por completo, desde momentos antes da adicao da agua

quente, fonte de energia, ate o momento de parada do motor. Os resultados de cada

um dos 3 ensaios mostram os valores medidos para RPM e temperatura, utilizando

eixos diferentes.

(a) (b) (c)

Figura 5.1: Rotacao e temperatura mensurados ao longo do tempo: (a) Experimento

1. (b) Experimento 2. (c) Experimento 3.

Algumas consideracoes importantes podem ser feitas a partir da figura 5.1. Pri-

meiro, no contexto macro, pode-se notar uma aceleracao extremamente acentuada a

54

partir do inıcio do movimento, que evidencia um torque elevado. Alem disso, nota-

se tambem que, nos tres casos, o motor cessa seus ciclos justamente ao alcancar

temperaturas proximas a 65oC. Tendo em mente as temperaturas caracterısticas

de transformacao de fase, alem do fato explanado do aumento destas quando ha

tensionamento do material, e seguro inferir que esta parada se deve ao fato da tem-

peratura estar menor que Mf , e possivelmente inferior ou ao menos proxima a Ms,

onde transformacoes de fase nulas ou parciais nao produzem energia o suficiente

para movimentar o conjunto.

Outra conclusao importante, tirada da comparacao entre os experimentos, e o

decaimento dos valores de RPM entre o primeiro ensaio e os subsequentes. Na

figura 5.1a, a curva com os valores de velocidade angular alcanca 1200 rotacoes por

minuto no seu pico, enquanto que nas curvas da velocidade angular para os ensaios 2

e 3, figuras 5.1b e 5.1c, estes valores sao mais modestos, sendo aproximadamente 700

e 550rpm, respectivamente. Este decaimento tem como causa provavel a deformacao

plastica da mola, uma vez que estas deformacoes nao podem ser recuperadas pelo

efeito de memoria de forma. Alem de ser esperado, este comportamento tambem

foi atestado pelo aumento do passo da mola apos seguidas operacoes, estando estes

espacamentos bem maiores ao final dos tres experimentos quando comparados ao

estado original. Este fenomeno e bastante crıtico para aplicacoes comerciais da ideia

e deve ser objeto de estudos mais profundos. Porem, as causas destas deformacoes

podem estar ligadas ao dimensionamento inicial da mola. Entende-se que, com

um comprimento inicial maior, este efeito poderia ser mitigado. Existem algumas

solucoes que poderiam ser propostas, como o retratamento termico do material, que

poderia ser levado facilmente ao seu estado inicial, ou ate mesmo a troca da mola.

Ao analisar a velocidade angular e a temperatura simultaneamente, e possıvel

confirmar a ideia de que estes parametros sao diretamente proporcionais. Isto pode

ser explicado pelo simples fato de que temperaturas elevadas favorecem a troca

de calor entre o meio e a mola, aumentando a velocidade de transformacao e, por

consequencia, a velocidade com que as espiras da mola se aproximam, resultando em

maiores taxas de rotacao. Por fim, o fato do tempo de operacao ser bem menor no

primeiro ensaio tambem pode estar relacionado a troca de calor. Com velocidades

55

maiores, os ciclos onde o calor e trocado entre as fontes fria e quente tornam-se mais

curtos e portanto, atinge-se mais rapidamente um patamar de temperatura que nao

permita mais o movimento.

(a) (b) (c)

Figura 5.2: (a) Experimento 1. (b) Experimento 2. (c) Experimento 3.

(a) (b) (c)

Figura 5.3: Decaimento da velocidade angular com o tempo (a) Experimento 1. (b)

Experimento 2. (c) Experimento 3.

A figura 5.2 apresenta os valores a partir do pico de velocidade angular de modo

a facilitar a visualizacao e o entendimento do comportamento. A figura 5.3 eli-

mina a distribuicao de temperatura para apresentar a expressao encontrada pelo

metodo polyfit, da linguagem de programacao Python, que busca representar ma-

tematicamente o decaimento da velocidade angular com o tempo para cada um dos

experimentos. E interessante notar que as expressoes para as duas ultimas curvas

apresentam uma tendencia para a convergencia.

As figuras 5.4 e 5.5 apresentam respectivamente, a velocidade angular pela tem-

peratura e as curvas de ajuste desta relacao (encontradas com o polyfit). Nelas,

observa-se uma relacao quase linear entre as variaveis temperatura e velocidade,

que pode ser reflexo da linearidade entre a taxa de troca de calor e a diferenca de

temperaturas, na equacao formulada para a conveccao:

56

Q = hA(T1 − T2), (5.1)

onde h e o coeficiente de transferencia termica e A a area de contato.

(a) (b) (c)

Figura 5.4: Pontos experimentais de RPM vs temperatura (a) Experimento 1. (b)

Experimento 2. (c) Experimento 3.

(a) (b) (c)

Figura 5.5: Curvas de ajuste encontradas para a relacao entre velocidade angular e

temperatura. (a) Experimento 1. (b) Experimento 2. (c) Experimento 3.

Apesar da discrepancia para a figura 5.4a e a sua curva de ajuste, dada na figura

5.5a, em relacao aos outros dois ensaios, pode-se dizer que, aparentemente, a relacao

tende a uma estabilidade nos dois experimentos finais. Cabe a explicacao da de-

formacao plastica da mola que interfere nos ensaios por diferenciar o primeiro teste

dos demais. Assim, e possıvel dizer que, para o conjunto analisado, a expressao para

a relacao entre temperatura e velocidade seja na ordem de:

ω = 27T − 1750, (5.2)

onde ω e a velocidade angular da polia mais veloz, em rotacoes por minuto,

e T a temperatura em graus Celsius.

57

Capıtulo 6

Conclusao e Trabalhos Futuros

Este trabalho teve como finalidade apresentar uma revisao bibliografica que for-

necesse uma visao detalhada dos trabalhos realizados com motores utilizando ligas

com memoria de forma, alem da fabricacao a baixo custo de um prototipo funcional,

analisando-o experimentalmente.

A revisao bibliografica abarcou realizacoes pioneiras no ramo e as contribuicoes

mais atuais, diferenciando-as e classificando-as segundo definicoes consolidadas na

literatura. Alem disso, foram colhidas informacoes sobre seus desempenhos reais re-

portados em experimentos, discutindo a viabilidade de tais aparatos, e demonstrados

trabalhos de aprimoramento de dispositivos consolidados.

O prototipo mostrou-se funcional e de simples fabricacao, atendendo as condicoes

iniciais de projeto. Em ensaios realizados puderam ser aferidas informacoes que

servem como base para a analise de suas caracterısticas de saıda.

E possıvel indicar que os motores de estado solido, movidos pelas transformacoes

de fase em ligas com memoria de forma, sao factıveis apenas em termos, respeitado

o pequeno nicho de baixas temperaturas em que a aplicacao seria valida. Apesar

disso, como mostram os estudos aqui referenciados, ha uma constante evolucao que

poderia leva-los a factibilidade comercial.

Tomando como base a analise experimental aqui disposta, podem ser definidas

as diretrizes para trabalhos futuros. Tres pontos fazem-se interessantes: o aprofun-

58

damento da caracterizacao dos parametros de entrada e saıda do motor, buscando

relaciona-los matematicamente e ate mesmo utilizando modelos numericos conso-

lidados na literatura para comparar e prever resultados; a discussao e analise dos

parametros e fenomenos da transferencia de calor, fazendo uma analise termica pro-

funda; o desenvolvimento do prototipo visando aumentar sua eficiencia e diminuir

seu custo. Uma discussao mais aprofundada do ciclo de funcionamento do motor

tambem e um ponto interessante a ser investigado em maior profundidade.

59

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65

Apendice A

Codigos Utilizados

O codigo a seguir foi utilizado para coletar os dados dos sensores do Arduino, e

foi programado no Arduino Idle.

A.1 Codigo para Aquisicao de Dados dos

Sensores

//Codigo para medicao de velocidade angular e temperatura

no motor de SMA

//Criado por Lucas Cunha em 2018 - Mecanon UFRJ

//Codigo do sensor DS18B20 adaptado de: https://www.

filipeflop.com/blog/sensor-de-temperatura-ds18b20-

arduino/

//Incluindo bibliotecas necessarias

#include <OneWire.h>

#include <DallasTemperature.h>

#include <LiquidCrystal.h>

// Porta do pino de sinal do DS18B20

66

#define ONE_WIRE_BUS 3

// Define uma instancia do oneWire para comunicacao com o

sensor

OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);

//Declaracao de Variaveis

const int hallSensorPin = 2; // Sensor

hall no PIN 2

int rpmMaximum = 0; //

Armazena RPM maxima

unsigned long measureTime = 0; //

Armazena tempo de medicao

float tempMin = 999; // Armazena temperaturas minima e

maxima

float tempMax = 0;

DallasTemperature sensors(&oneWire);

DeviceAddress sensor1;

// Inicializa o LCD

LiquidCrystal lcd(12, 11, 7, 6, 5, 4);

//Localiza sensores

void setup(void)

{

Serial.begin(9600);

pinMode(hallSensorPin,INPUT);

sensors.begin();

// Localiza e mostra enderecos dos sensores

67

Serial.println("Localizando sensores DS18B20...");

Serial.print("Foram encontrados ");

Serial.print(sensors.getDeviceCount(), DEC);

Serial.println(" sensores.");

if (!sensors.getAddress(sensor1, 0))

Serial.println("Sensores nao encontrados !");

// Mostra o endereco do sensor encontrado no barramento

Serial.print("Endereco sensor: ");

mostra_endereco_sensor(sensor1);

Serial.println();

Serial.println();

lcd.begin(16, 2);

}

void mostra_endereco_sensor(DeviceAddress deviceAddress)

{

for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)

{

// Adiciona zeros se necessario

if (deviceAddress[i] < 16) Serial.print("0");

Serial.print(deviceAddress[i], HEX);

}

}

void loop()

{

// Le a informacao do sensor

sensors.requestTemperatures();

68

float tempC = sensors.getTempC(sensor1); // Armazena

temperatura do sensor

// Atualiza temperaturas minima e maxima

if (tempC < tempMin)

{

tempMin = tempC;

}

if (tempC > tempMax)

{

tempMax = tempC;

}

int rpm = getRPM(); //Roda a funcao definida abaixo para

recuperar a informacao da velocidade angular.

if (rpm > rpmMaximum) rpmMaximum = rpm;

// Mostra dados no serial monitor

//Serial.print("Temp C: ");

Serial.print(measureTime);

Serial.print(’,’);

Serial.print(tempC);

Serial.print(’,’);

//Serial.print(" Min : ");

//Serial.print(tempMin);

//Serial.print(’,’);

//Serial.print(" Max : ");

Serial.print(tempMax);

Serial.print(’,’);

//Serial.print("RPM = ");

Serial.print(rpm);

Serial.print(’,’);

//Serial.print(" MAX RPM = ");

Serial.println(rpmMaximum);

//Serial.println(’;’);

69

// Mostra dados no LCD

lcd.clear();

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("Temp.: ");

//Simbolo grau

lcd.write(223);

lcd.print("C");

lcd.setCursor(7,0);

lcd.print(tempC);

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("RPM: ");

lcd.setCursor(6,1);

lcd.print(rpm,1);

}

int getRPM()

{

int count = 0; // Armazena a

contagem de voltas - numero de vezes que o sensor e

sensibilizado.

boolean countFlag = LOW; // Variavel

utilizada para eliminar medicoes duplicadas ao mudar-se

o estado do sensor (que muda de estado duas vezes por

volta).

unsigned long currentTime = 0; // Armazena tempo

transcorrido

unsigned long startTime = millis(); // Tempo de inıcio

da janela de medicao

while (count<8 && currentTime < 6000 ) // Definicao da

janela de medicao: ou 8 voltas ou ao fina de 6 segundos,

o que for mais rapido. Dentro do laco, a variavel count

70

e atualizada para cada volta.

{

if (digitalRead(hallSensorPin) == HIGH)

{

countFlag = HIGH;

}

if (digitalRead(hallSensorPin) == LOW && countFlag == HIGH)

{

count++;

countFlag=LOW;

}

currentTime = millis() - startTime;

}

int countRpm = int(60000/float(currentTime))*count; // RPM

a partir do numero de voltas e tempo transcorrido

measureTime = millis();

return countRpm;

}

71