CASOS TESTE DA CÁPSULA COM   0.5''

Para cada caso teste foi analisada a evolução da temperatura em diferentes pontos da face não aquecida da cápsula. O primeiro ponto P1 se encontra no centro da cápsula, o ponto P2 na posição 0.25Rmax, o ponto P3 na posição 0.5Rmax e o ponto P4 encontra-se na posição referente à metade da parede da cápsula, como ilustrada na Figura 5.9. Os parâmetros utilizados para os casos que seguem são: nz=60 e nz1=16, nr=60 e (nr-nr1 )=10, tendo como base a análise de convergência mostrada acima.

As Figuras 5.10 e 5.11 apresentam as análises dos casos teste para a cápsula com tampas e parede de alumínio, preenchida com água e com glicerina, respectivamente.

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Figura 5.9: Representação da localização dos pontos P1, P2, P3 e P4 na superfície não aquecida da cápsula

Figura 5.10: Comparação das curvas em diferentes pontos na face não aquecida para cápsula de alumínio preenchida com água /  0.5 ''

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Figura 5.11: Comparação das curvas em diferentes pontos na face não aquecida para cápsula de alumínio preenchida com glicerina /  0.5 ''

Comparando as Figuras 5.10 e 5.11 observa-se que na análise realizada com glicerina foram observadas temperaturas maiores para todos os pontos em questão quando comparada com a análise realizada com a água. Isto se deve ao fato da água possuir capacidade térmica maior que a glicerina.

Analisando o ponto P1, que está localizado bem próximo do centro, nos dois gráficos acima, vê-se que este aumenta de temperatura moderadamente ao longo do tempo, bem como o ponto P2, localizado a 0.25Rmax. Estes pontos conseguem alcançar uma temperatura máxima de 22.02 ºC para a água e 25.65 °C para a glicerina, em relação a temperatura inicial. Começa-se a perceber uma alteração na evolução da temperatura no ponto P3, localizado na metade do raio da cápsula, que aumenta mais rapidamente desde o início que os pontos P1 e

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P2. No ponto P4 observa-se claramente como a temperatura aumenta mais rápido que nos demais pontos e com o decorrer do tempo começa a decair até atingir uma temperatura comum aos demais pontos. Isto se deve ao fato deste ponto estar localizado na metade da parede de alumínio, confirmando que esta cápsula conduz calor significativamente pela parede lateral. A condução de calor pela parede da cápsula é um fato não desejado, podendo influenciar no resultado obtido com o método Flash no experimento. Esta condução influência o a curva aumento de temperatura para o ponto P4, chegando a um máximo de 32.04 ºC para a água e 34.68 ºC para a glicerina.

Outras simulações foram feitas utilizando o teflon como material para parede lateral da cápsula ao invés do alumínio. O teflon possui condutividade térmica mais baixa que o alumínio, reduzindo a condução de calor pela parede lateral, bem como evitando a perda de calor com o ambiente. Estas análises são mostradas nos gráficos representados pelas Figuras 5.12 e 5.13, com água e glicerina, respectivamente.

Mais uma vez, por conta de sua capacidade térmica ser menor que a da água, a análise realizada com glicerina obteve temperaturas maiores para todos os pontos em do que a realizada com a água, chegando à um aumento de temperatura máximo de 25.05ºC, enquanto que a análise realizada com a água proporcionou um aumento de temperatura de 21.75ºC.

Analisando as Figuras 5.12 e 5.13 e comparando-as com as Figuras 5.10 e 5.11, respectivamente, é possível perceber como a mudança do material da parede afetou na condução axial de calor na cápsula. Com a parede de teflon, os pontos P1, P2, P3 e P4 apresentam curvas coincidentes de temperatura no caso da análise realizada com a água, mostrada na Figura 5.12. No caso da análise realizada com glicerina, na Figura 5.13, as curvas também apresentam coincidência, De fato, os valores da condutividade térmica da glicerina e a da condutividade do teflon são muito próximos.

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Figura 5.12: Comparação das curvas em diferentes pontos na face não aquecida para cápsula de alumínio com parede de teflon, preenchida com água /  0.5 ''

Figura 5.13: Comparação das curvas em diferentes pontos na face não aquecida para cápsula de alumínio com parede de teflon, preenchida com glicerina /  0.5 ''

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No Nanoflash LFA 447, a curva de resposta do aumento de temperatura na face não aquecida capturada pelo sensor de infravermelho do Nanoflash LFA - 447 é uma curva que exibe a temperatura média da face e não a temperatura de apenas um ponto. Sendo assim, calculou-se esta temperatura para cada passo de tempo. Nas Figuras 5.14 e 5.15 observam-se comparações destas curvas, quando utilizado o alumínio como material para a parede e quando utilizado o teflon, para água e glicerina, respectivamente.

Figura 5.14: Comparação das curvas de temperaturas médias na face não aquecida da cápsula com paredes de alumínio e de teflon utilizando água / 0.5 ''

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Figura 5.15: Comparação das curvas de temperaturas médias na face não aquecida da cápsula com paredes de alumínio e de teflon utilizando glicerina / 0.5 ''

Nos dois casos apresentados nas Figuras acima, nota-se que a curva da temperatura média para a cápsula com parede de alumínio alcançou um maior valor do que com a parede de teflon. A capacidade térmica do teflon é maior do que a do alumínio fazendo com que este material armazene mais energia do que o alumínio. Além disso, o alumínio possui condutividade térmica e difusividade térmica maiores, fazendo assim com que reconduza maior quantidade de calor em menos tempo que o teflon.

Realizadas estas comparações, verifica-se que a cápsula com paredes de alumínio demonstrou uma condução axial através de suas paredes o que pode vir a interferir na medição das propriedades da amostra líquida, enquanto que a cápsula feita com paredes de teflon apresentou uma temperatura média mais uniforme.

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5.7 ANÁLISES PARA UMA CÁPSULA COM UMA POLEGADA DE DIÂMETRO

Nesta seção são apresentadas as análises realizadas para uma cápsula com uma polegada de diâmetro. Foram simulados casos onde a cápsula é feita com tampas de cobre ou de alumínio e paredes de teflon, cujas propriedades foram apresentadas nas Tabelas 5.1 e 5.12. Os coeficientes de transferência de calor por convecção foram tomados com valores iguais aos das análises da cápsula de meia polegada de diâmetro. As dimensões da cápsula são as mesmas adotadas anteriormente, porém com rmax=12.7 mm. Todas as simulações foram realizadas para um tempo de pulso de 0.3ms e de 5s para o tempo de medição. Os materiais utilizados para o preenchimento no interior da cápsula foram água e glicerina.

5.7.1 ANÁLISE DE CONVERGÊNCIA DA MALHA ESPACIAL

Antes de analisar os casos-teste desejados faz-se necessária a análise de convergência da malha apresentada a seguir.

A Tabela 5.16 apresenta a análise de convergência na direção axial para o caso da cápsula com tampas de cobre e parede de teflon, preenchida com água.

Tabela 5.16 Análise de Convergência na direção axial para cápsula com tampas de cobre e parede de teflon, preenchida com água com  1''

Número de volumes na direção axial Número de volumes nas tampas Tempo de Execução (h) aquec sup 30 8 0.59 0.1175 0.0153 60 16 1.80 0.1172 0.0153 120 32 6.19 0.1170 0.0151

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Percebe-se na Tabela 5.16 uma convergência na terceira casa decimal dos valores obtidos nas temperaturas máximas das faces, enquanto o tempo computacional aumenta à medida em que aumenta-se o número de volumes. Optou-se, portanto, por utilizar o caso onde nz=60 e nz1=16.

Da mesma maneira, realizou-se a análise de convergência da malha na direção axial para uma cápsula com tampas de alumínio com paredes de teflon, preenchida com água. Esta análise pode ser observada na Tabela 5.17.

Em ambas as temperaturas indicadas na Tabela 5.17, percebe-se uma convergência na terceira casa decimal, enquanto que para os casos extermos o tempo computacional aumentou em aproximadamente 3 vezes. Dessa forma, optou-se por escolher de 60 volumes na direção axial e nz1=16.

Tabela 5.17 Análise de Convergência na direção axial para cápsula com tampas de alumínio e parede de teflon, preenchida com água para  1''

Número de volumes na direção axial Número de volumes nas tampas Tempo de Execução (h) aquec sup 30 8 1.69 0.1823 0.0183 60 16 1.79 0.1818 0.0181 120 32 5.03 0.1816 0.0180

A Tabela 5.18 apresenta a análise de convergência na direção radial para o caso da cápsula com tampas de cobre e parede de teflon, preenchida com água. Analisando a Tabela 5.19, observa-se a variação da temperatura da face posterior da cápsula e do tempo de execução do programa em relação ao aumento dos números de volumes da malha temporal.

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Tabela 5.18: A análise de convergência na direção radial para o caso da cápsula com tampas de cobre e parede de teflon, preenchida com água.  1''

Número de volumes na direção radial Número de volumes na parede Tempo de Execução (h) aquec sup 30 5 0.64 0.1172 0.0118 60 10 1.80 0.1172 0.0153 120 25 3.91 0.1172 0.0153

Analogamente, realizou-se a análise de convergência da malha na direção radial para uma cápsula de alumínio com paredes de teflon, preenchida com água. Esta análise pode ser observada na Tabela 5.19.

Tabela 5.19: A análise de convergência na direção radial para o caso da cápsula com tampas de alumínio e parede de teflon, preenchida com água.  1''

Número de volumes na direção radial Número de volumes na parede Tempo de Execução (h) aquec sup 30 5 0.80 0.1818 0.0178 60 10 1.79 0.1818 0.0181 120 20 3.21 0.1818 0.0181

Observando as Tabelas 5.18 e 5.19 percebe-se que não houve variação da temperatura na face aquecida com o número de volumes na direção radial. Sendo assim, o número de

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volumes na direção radial escolhido e utilizado foi de 60 pontos com 10 pontos na parede da cápsula.