Sensores de fluxo de calor em diferentes aplicações

Como comentado no início deste capítulo, os SFC’s vêm sendo cada vez mais utilizados em diferentes aplicações. A principal motivação para a utilização dessa classe de sensores térmicos se deve à qualidade da informação que a mesma fornece em relação à instrumentação baseada exclusivamente em sensores de temperatura. Além de realizar a leitura do fluxo de calor, muitos SFC’s comerciais são dotados de um termopar embutido

CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

em sua estrutura, para que a temperatura da superfície onde o fluxo de calor é medido seja também medida.

Os SFC’s podem ser facilmente instalados sobre superfícies de interesse, fornecendo, através de medições de fluxo de calor, coeficientes de transferência de calor locais, muito úteis na caracterização da troca de calor. Naturalmente, também é possível estimar tais coeficientes a partir, exclusivamente, de medições de temperatura. No entanto, em muitas das situações, uma instrumentação superficial não é suficiente para atingir esse propósito, requerendo assim um maior investimento de tempo e apresentando um maior grau de dificuldade.

Com o intuito de evidenciar potenciais aplicações de SFC’s, apresenta-se na seqüência uma revisão de alguns dos muitos trabalhos realizados ao longo dos últimos anos, em diversas áreas do conhecimento.

A agrometeorologia é uma das áreas que mais demanda SFC’s em suas aplicações. Os estudos agrometeorológicos consistem em avaliar a relação entre as condições climáticas de uma determinada região e o cultivo adequado de uma determinada espécie agrícola. Existem diferentes métodos que podem ser empregados para analisar a relação entre a cultura de uma espécie agrícola e o clima da região, e um dos principais é o balanço de energia na interface solo/atmosfera, o qual relaciona os diferentes mecanismos de troca de calor entre solo e atmosfera, ou seja, as parcelas de radiação, condução e convecção. O fluxo de calor do solo para a atmosfera, e vice-versa, é medido por SFC’s enterrados no mesmo e especialmente fabricados para este propósito. Exemplos deste tipo de rabalho são os de Silberstein et al. (2001) e Borges et al. (2008).

Da mesma forma, a transferência de calor é um parâmetro de extrema relevância no tocante ao conforto térmico. Existem diversos trabalhos que abordam o fenômeno relacionado ao corpo humano. Kurazumi et al. (2008) utilizaram SFC’s para medir o fluxo de calor e, conseqüentemente, o coeficiente de transferência de calor, sob condições de convecção natural. Os autores obtiveram resultados para sete posturas diferentes do corpo humano, e propuseram novas correlações empíricas para troca de calor por convecção. Coeficientes de troca de calor por radiação também foram avaliados.

Há registros também da utilização de SFC’s em aplicações na área de construção civil. Segundo Marinoski et al. (2006), ao longo das últimas décadas, janelas e demais fenestras de um edifício deixaram de ser projetadas apenas do ponto de vista estético e funcional, passarando a ser relacionadas ao consumo de energia do edifício. Pesquisas realizadas apontam que as fenestras têm influência significativa na carga térmica de um

CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

51 recinto devido à radiação solar. O fator solar é um dos índices de maior importância relacionado ao desempenho energético de uma fenestra e representa a fração da radiação incidente que atravessa a mesma. Marinoski et al. (2006) apresentaram um estudo em um sistema para medição do ganho de calor solar através de fenestras. O sistema permite a quantificação do calor radiante que passa pela fenestra, e a determinação do fator solar. Tal quantificação é possível devido à medição do fluxo de calor por um SFC, instalado no sistema.

A área de fabricação e processamento de materiais também vem apresentando estudos onde são empregados SFC’s. Um exemplo da aplicação é o trabalho desenvolvido por Sabau & Wu (2007), no qual foi avaliado, através de medições com SFC’s, o nível de resfriamento de moldes de fundição através da atomização de lubrificantes durante o processo de ejeção da peça fundida. A utilização do lubrificante facilita a retirada da peça fundida, além de resfriar o molde. As medições de fluxo de calor são importantes, pois auxiliam no projeto de canais para resfriamento do molde, e fornecem resultados para serem utilizados como condições de contorno em simulações numéricas do processo de fundição sob pressão.

Migrando para a área de refrigeração, trabalhos como os desenvolvidos por Silva (1998) e Seidel (2001) destacam-se na utilização de SFC’s para a caracterização térmica de refrigeradores. Silva (1998) utilizou SFC’s para a medição em regime permanente do fluxo de calor em evaporadores de diferentes geometrias e posições no interior do refrigerador. As medições permitiram estimar a capacidade de refrigeração do sistema em condições de teste variadas. Seidel (2001) utilizou SFC’s para medir o fluxo de calor na parede externa e no evaporador de um refrigerador, indicando ser possível a identificação de áreas críticas, em termos de troca de calor, na parede externa do refrigerador. Outra contribuição se refere à determinação instantânea da transferência de calor para o interior do refrigerador e da capacidade de refrigeração do sistema.

Por apresentar uma maior semelhança com o presente trabalho, do ponto de vista de instrumento de medição, decidiu-se abordar por último o trabalho desenvolvido por Prasad (1992). O autor mediu o fluxo de calor instantâneo no interior da câmara de compressão de um compressor alternativo de ar utilizando SFC’s. Para tanto, foram instalados dois SFC’s na superfície interna do cabeçote da câmara de compressão, um entre as válvulas de sucção e o outro entre as válvulas de descarga. Adicionalmente, três termopares de resposta rápida foram instrumentados para medir a temperatura do gás no interior da câmara de compressão, dois deles próximos às válvulas de sucção e descarga,

CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

e o terceiro próximo ao centro da superfície interna do cabeçote. O objetivo da pesquisa foi avaliar a contribuição do calor dissipado pela câmara de compressão no superaquecimento do gás na sucção e, conseqüentemente, sua relação com a perda de capacidade.

Prasad (1992) comparou seus resultados experimentais de fluxo de calor com a correlação proposta por Adair et al. (1972), e embora tenha sido notada uma tendência semelhante do comportamento do fluxo de calor medido e calculado, não é observada uma boa concordância entre eles. O autor argumenta que a discrepância pode estar associada à não-uniformidade do fluxo de calor na parede da câmara de compressão, e ao fato de o modelo de Adair et al. (1972) não poder ser considerado universal, em função das escalas de velocidade e comprimento, atribuídas na análise, não representarem corretamente o fenômeno físico.

Através das medições, o autor obteve um valor de perda de capacidade em torno de 3,85%, enquanto que a aplicação da correlação de Adair (1972) indica um valor de 2,64%. Segundo Prasad (1992), esta diferença pode estar atribuída ao fato de que suas medições levaram em consideração o aquecimento do gás na passagem pelas válvulas, além do próprio aquecimento na câmara de compressão, retornando assim um nível de superaquecimento mais elavado. O autor concluiu ainda de seus experimentos que o fluxo de calor no interior da câmara de compressão é altamente não-uniforme e que há uma defasagem temporal entre a diferença de temperatura e fluxo de calor no processo de expansão/sucção do compressor. Tal defasagem foi atribuída à mistura insuficiente do gás proveniente da sucção com o gás remanescente na câmara de compressão durante esse processo, o que promoveria a não uniformidade do campo de temperaturas. Por outro lado, durante o processo de compressão/descarga, Prasad (1992) observou que a defasagem temporal é menor, podendo ser justificada por um maior grau de mistura do gás nesse processo.