Métodos de caracterização de arrefecimento de superfícies

Abstract

O arrefecimento gerado pelo impacto de um spray de neve carbónica, permite extrair elevadas quantidades de energia calorífica de um material, através da mudança de fase por sublimação do dióxido de carbono. Então, o principal objectivo desta dissertação prende-se com a necessidade de aprofundar os métodos experimentais de quantificação dos fluxos de calor numa superfície, de forma a perceber e analisar as disparidades observadas em trabalhos anteriores, assim como, quantificar e propor o método mais adequado para realizar essa quantificação.Em trabalhos anteriores a medição dos fluxos de calor no arrefecimento numa superfície previamente aquecida por intermédio de um spray de gelo seco, foi efectuada por duas metodologias distintas. Numa primeira fase a quantificação foi realizada com recurso a quatro termopares de superfície posicionados na face superior de uma placa quadrada, enquanto que numa segunda fase, a medição dos fluxos de calor passou pela implementação de sete sondas termopares posicionadas no interior da placa a cerca de 300~$\mu$m da superfície da mesma. As disparidades observadas no cálculos dos coeficientes de convecção devem-se ao facto das sondas termopares introduzidas na placa, não conseguirem vencer a resistência térmica da placa, devido à distância a que estes se encontram na superfície não ser a ideal, o que impossibilita a sua utilização nestas condições.Por forma a propor o método mais adequando na quantificação de fluxos de calor numa superfície, foi construído e implementado um termopar de filme-fino. Estes termopares têm como particularidade utilizar como junção de referência, o mesmo material do substrato, mergulhado num banho de gelo a 0ºC. A outra junção é definida por um fio eléctrico inserido num furo vertical na placa de alumínio e isolado por uma pasta cerâmica, e um fino filme de tinta de prata depositado na superfície do furo por forma a criar uma ligação eléctrica entre o fio de constantan e a placa. A diferença de potencial entre as duas junções permite calibrar este termopar com base na temperatura de superfície.Estes termopares possibilitam medir rápidas variações de temperatura com um tempo de resposta bastante baixo, que pode ser implementado tanto em superfícies planas como em superfícies rugosas, relativamente fáceis de construir e reparar. Estes termopares têm várias limitações na sua construção, uma vez que todos os seus componentes são relativamente sensíveis e ficam expostos ao ambiente com pouca protecção, tornam-se bastante susceptíveis a avariar ou partir. Outra limitação prende-se com o facto de cada vez que este avaria ou deixa de funcionar, é necessário calibrar novamente por forma a garantir que este funciona da forma correta.

One way to extract high amounts of heat energy from a material is to use a spray os carbonic snow, through the sublimation of carbon dioxide. So, the main objective of this thesis comes with the need to explore the experimental methods we have to determine the heat flux on a surface, since in past theses some disparities were observed in the values obtained in the convection coefficients, and explore and propose the most appropriate method to perform this quantification of heat flux.In previous works, the measurement of heat flows in cooling on a previously heated surface using a spray of dry ice, was done by two different methodologies. In the first one, the quantification was carried out using four surface thermocouples positioned on the surface of a plate, while in a second phase, the measurement of heat flows was achieved with the implementation of seven thermocouple probes positioned inside the plate about 300~$\mu$m of its surface. The disparities observed in the convection coefficients values are due to the fact that the thermocouple probes inserted in the plate, fail to overcome the thermal resistance between the plate and the electric wire, due to a not ideal distance at which they are on the surface.To measure rapid surface temperature change a thin film thermocouple was construct, since this type of thermocouple is relatively simple to construct and easy to repair. These thermocouples have the particularity of using the same substrate material as a reference junction, immersed in an ice bath at 0ºC. The second juntion is a electric wire added into a hole in the aluminium plate, isolated by a ceramic cement, where the electric connection between the constantan wire and the plate is accomplish with a thin film of silver. The temperature difference beteween the two junctions, produces a voltage difference witch can be related to the surface temperature.The thin-film thermocouples has been developed to measure rapid temperature variations with very low response time, which can be implemented on both flat and rough surfaces, relatively easy to build and repair. These thermocouples have several limitations in their construction, since all their components are relatively sensitive and are exposed to the environment with little protection, they become quite susceptible to damage or break. Other limitation is connected to the fact that every time this sensor stops working correctly or break, is necessary to calibrate it again.