Aplicação de Diferentes Intensidades de Fluxo de Calor para a Estimação Simultânea de Propriedades Termofísicas de Materiais Metálicos em Função da Temperatura.

Abstract

Apresenta-se neste trabalho um método para estimar simultaneamente, em função da temperatura, a condutividade térmica, λ, e a capacidade de calor volumétrica, ρcp, de amostras de Aço AISI 1045 e Aço Inoxidável AISI 304. O modelo térmico utilizado é baseado na equação da difusão unidimensional transiente considerando propriedades térmicas constantes para variações de até 5 °C. Neste método as propriedades são determinadas de forma simultânea utilizando um mesmo experimento. A bancada experimental consiste em uma montagem simétrica para minimizar os erros na medição do fluxo de calor, onde a amostra é colocada entre um aquecedor resistivo e um isolante. Devido a necessidade de variar a temperatura inicial, a montagem é inserida em uma estufa. Com o intuito de reduzir as perdas de calor por convecção, a montagem foi completamente isolada com placas de fibra cerâmica. Além disso, a amostra possui espessura muito pequena quando comparada as suas outras dimensões e o período de realização do experimento é pequeno. O modelo considera um fluxo de calor constante na superfície superior da amostra e condição de isolamento na superfície oposta, onde a temperatura é medida por um termopar tipo T. Desta forma, a estimação das propriedades é realizada baseando-se nos coeficientes de sensibilidade, definidos pela primeira derivada parcial da temperatura em relação ao parâmetro analisado, multiplicado pelo parâmetro analisado. Baseando-se nesta análise, duas intensidades de fluxo de calor foram utilizadas: a maior intensidade foi aplicada no começo do experimento para aumentar a sensibilidade para estimar λ, e a menor intensidade no restante do experimento para garantir sensibilidade para a estimação do ρcp. Para estimar as propriedades, uma função objetivo definida pela diferença ao quadrado da temperatura experimental e numérica mais o quadrado do erro sistemático gerado pela resistência térmica foi minimizada aplicando-se a técnica de otimização BFGS (Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno). A temperatura numérica foi obtida pela solução do modelo térmico proposto aplicando-se o método das diferenças finitas com formulação implícita. Além disso, uma análise de incertezas foi realizada com o objetivo de garantir a qualidade dos resultados obtidos. Nesta análise, a resistência térmica de contato, o erro do termopar, o erro da aquisição de dados, dos multímetros, do método de otimização, entre outros, foram analisados. As propriedades estimadas e a análise de incertezas estão em acordo com a literatura.