Desenvolvimento de Um Sistema de Ciclagem Térmica...

V CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECNICA V NATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING

25 a 28 de agosto de 2008 Salvador Bahia - Brasil August 25 28, 2008 - Salvador Bahia Brazil

DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE CICLAGEM TRMICA UTILIZANDO O EFEITO TERMOELTRICO: APLICAO A CARACTERIZAO DE LIGAS COM MEMRIA DE FORMA

Rmulo Pierre Batista dos Reis, [email protected] Antonio Aristfanes da Cruz Gomes, [email protected] Joo Fernandes Coutinho Neto, [email protected] Luiz Fernando Alves Rodrigues, [email protected] Carlos Jos de Arajo, [email protected] Laboratrio Multidisciplinar de Materiais e Estruturas Ativas (LaMMEA) Unidade Acadmica de Engenharia Mecnica (UAEM) Universidade Federal de Campina Grande (UFCG) Av. Aprgio Veloso, 882 Bodocong, Cep: 58109-970, Campina Grande PB Resumo: Este trabalho teve como objetivo geral demonstrar a viabilidade de desenvolver um sistema de medio da resistncia eltrica em funo da temperatura (SMRT) direcionada caracterizao das temperaturas de transformao e histerese trmica de ligas com memria de forma (LMF) que trabalhem na faixa de -30 a 100 C. A originalidade do SMRT proposto est no emprego de um refrigerador/aquecedor do tipo pastilha termoeltrica que utiliza o efeito Peltier como principio de funcionamento. Para tanto, foi confeccionada uma plataforma experimental de teste capaz de controlar a clula de Peltier fazendo variar a temperatura de uma amostra de LMF, como tambm armazenar em tempo real as medidas da resistncia eltrica ou os sinais de tenso gerados na amostra. Para validar o sistema desenvolvido foram feitos testes em amostras de LMF da famlia Ni-Ti, Ni-Ti-Cu e Cu-Al-Ni. Os resultados obtidos foram coerentes com os resultados de um SMRT clssico, anteriormente desenvolvido (Reis, 2006) e que utiliza um banho termoregulvel de leo de silicone para fazer variar a temperatura da amostra. O SMRT baseado na pastilha termoeltrica, denominado SMRT-Plus, permitiu o levantamento das curvas de caracterizao Temperatura (C) versus Resistncia (Ohm), as quais apresentaram comportamentos semelhantes aqueles previstos pela literatura. De um ponto de vista prtico, o trabalho desenvolvido originou um novo equipamento que tem a caracterstica de ser leve, compacto e que no produz nenhum rudo em comparao ao SMRT anterior, e tal como este, tambm pode ser aplicado na caracterizao experimental para o estudo fundamental de LMF. O SMRT-Plus ser constantemente utilizado nas pesquisas desenvolvidas pelo Laboratrio Multidisciplinar de Materiais e Estruturas Ativas (LaMMEA) da UAEM/CCT/UFCG. Palavras-chave: Ligas com memria de forma, temperaturas de transformao, histerese trmica, resistncia eltrica, Efeito Peltier.

1. INTRODUO

As ligas com memria de forma (LMF) constituem um grupo seleto de materiais metlicos que tm a capacidade de

regressar a forma original aps sofrer uma deformao. Essa recuperao de forma est diretamente associada aplicao de um campo de temperatura ou a simples retirada do carregamento mecnico que origina a deformao. Esse fenmeno, estando relacionado temperatura em que o material se encontra, provoca importantes alteraes em uma srie de propriedades fsicas e mecnicas (Otsuka & Wayman, 1998). Uma das propriedades fsicas das LMF fortemente afetadas a resistncia eltrica. Neste sentido, recentemente foi desenvolvida uma plataforma experimental de teste capaz de realizar a medio da resistncia eltrica em funo da temperatura em amostras de LMF, na faixa de -20 a 200 C, denominada SMRT (Reis et al, 2006). Porm, tal sistema se utiliza de um banho termoregulvel que relativamente robusto e ruidoso, alm de que, para amostras com temperaturas de transformao abaixo de 0 C (zero graus Celsius), o experimento se torna bastante lento, podendo durar mais de 2 horas. Por outro lado, em alguns trabalhos o resfriamento de elementos de LMF realizado utilizando o efeito Peltier disponvel em pastilhas termoeltricas (Selden et al, 2004).

As pastilhas termoeltricas operam utilizando o efeito Peltier, que corresponde ao aquecimento ou resfriamento quando uma corrente eltrica passa por dois condutores de materiais diferentes (Rowe, 2006). Tais pastilhas funcionam de maneira similar a um compressor, que transfere calor de dentro para fora de um refrigerador. Porm, devido ausncia de peas mveis, estas pastilhas so mais confiveis, alm de no necessitar praticamente de manuteno. So

V C o n gr es s o N a c i o na l de En g e n h ar i a M ec n i ca , 18 a 21 de A g o st o 20 0 8 , S a l v a d or - B a h i a

ideais para aplicaes onde o tamanho, o peso e o controle da velocidade de resfriamento e aquecimento so importantes. Essas pastilhas possuem ainda a vantagem de ter um custo relativamente baixo quando comparado a outras estratgias de resfriamento.

Um conversor termoeltrico, tambm conhecido por Mdulo Termoeltrico ou ainda Clula de Peltier, consiste em um conjunto de pares de semicondutores dos tipos n e p denominados termoelementos. Esses elementos n e p so conectados eletricamente em srie atravs de um metal, e termicamente em paralelo, soldados entre dois materiais que os isolam eletricamente, porm, que conduzem termicamente formando um sanduche. Estes materiais isolantes eltricos so constitudos por placas cermicas que tambm servem para dar forma ao mdulo, conforme mostra a Fig. (1). Desde que uma diferena de temperatura seja mantida atravs do mdulo, potncia eltrica ser gerada e entregue a uma carga externa e dessa forma o dispositivo opera como um gerador. Inversamente, quando uma corrente eltrica circula atravs do mdulo, o calor absorvido em uma face e rejeitado na outra face, e assim o dispositivo funciona como um refrigerador (Melcor, 2007).

Figura 1. Representao esquemtica de uma Clula de Peltier. Fonte: MELCOR 2007

O objetivo geral deste trabalho desenvolver um aparelho de medio da resistncia eltrica em funo da

temperatura em amostras de LMF utilizando o efeito Peltier proporcionado por pastilhas termoeltricas disponveis no mercado. Esse equipamento ser empregado para a caracterizao das temperaturas de transformao e histerese em temperatura de LMF projetadas para trabalhar na faixa de -30 a 100 C.

2. MATERIAIS E MTODOS

Neste trabalho o banho termoregulvel de 13 litros de um sistema de medio da resistncia eltrica em funo da

temperatura (SMRT) anteriormente desenvolvido (Reis et al, 2006) foi completamente substitudo por uma pastilha termoeltrica modelo UT15-12-40-F2 do fabricante MELCOR. Esse novo sistema foi denominado SMRT-Plus e permite realizar ciclagens trmicas de amostras de LMF entre -30 a 100 C.

2.1. Composio do SMRT-Plus

O SMRT-Plus composto basicamente da mesma instrumentao utilizada no SMRT (Reis et al, 2006). A Fig. (2),

mostra um diagrama de blocos para o SMRT e o SMRT-Plus, demonstrando a necessidade de um aparato para fazer variar a temperatura da amostra, uma fonte de corrente continua (CC) estabilizada, um sensor de temperatura e um sistema de aquisio de dados conectado a um computador (PC). Os parmetros envolvidos na medio so a corrente eltrica constante (I) passando atravs da amostra, a resistncia eltrica (R) ou a tenso eltrica (+V-) e a temperatura do meio (T). Estes parmetros devem ser monitorados no tempo (t) e armazenados em computador para anlise posterior.

Figura 2. Diagrama de blocos ilustrativo do SMRT-Plus.

Material cermico Metal condutor

Termo elementos tipo p e tipo n

Calor absolvido

Calor liberado

Sensor de temperatura

Sistema de variao da temperatura Aquisio de dados

PC Fonte de corrente CC

Amostra

T

T, t, ou +V-

R ou +V-

I


O SMRT-Plus construdo com base no diagrama da Fig. (2), e esquematizado na Fig. (3), consiste de uma pastilha

termoeltrica (1), duas fontes de alimentao CC (2.1 e 2.2), um sistema de aquisio de dados com placa de interface GPIB (3), um computador com programa de visualizao dos dados coletados (4) e um sistema de dissipao de calor (5). A pastilha termoeltrica (1) do fabricante MELCOR, modelo UT15-12-40-F2. As fontes de alimentao CC (2.1 e 2.2) so da marca Agilent, modelo E3633A. O sistema de aquisio de dados (3) tambm da marca Agilent, modelo 34970A, equipado com um mdulo multiplexador de 20 canais com preciso de leitura de at 6 dgitos.

Figura 3. Ilustrao esquemtica do SMRT-Plus. (1) Modulo de Peltier; (2.1) Fonte CC; (2.2) Fonte CC; (4) Microcomputador; (5) Dissipador de calor.

2.2. Principio de Funcionamento do SMRT-Plus

Para se obter a curva experimental de Resistncia Eltrica versus Temperatura (R T) necessrio variar de forma

controlada a temperatura da amostra de LMF e monitorar simultaneamente a temperatura e a resistncia eltrica, ou a variao de tenso da amostra. A idia bsica utilizar uma pastilha termoeltrica como sistema de variao da temperatura da amostra. Para isso, necessrio colocar em contato trmico a amostra com o mdulo Peltier e fazer variar a temperatura do mdulo. A maneira mais fcil de controlar a temperatura da pastilha atravs do controle de sua tenso de alimentao. A fonte de potncia (2.2) que alimenta a pastilha permite ser comandada remotamente por meio de um software que se comunica com o PC (4) atravs de uma placa de interface GPIB. O sistema de aquisio (3) permite fazer a medio da resistncia eltrica da amostra de forma direta e indireta atravs do mtodo de dois ou quatro fios. O sistema de dissipao de calor (5) utilizado como uma espcie de fonte trmica, para manter a temperatura da superfcie inferior da pastilha o mais constante possvel, ou seja, para absolver todo o calor liberado pelo modulo durante o processo de variao de temperatura.

2.3. Montagem do sistema de medio Com base no diagrama de blocos da Fig. (2), uma plataforma experimental de teste foi montada conforme

esquematizado na Fig. (3) e apresentado na Fig. (4). Um dissipador de calor foi montado em uma tampa de um recipiente plstico e vedado com cola silicone. Em seguida foram instaladas no recipiente duas conexes de 12,7 mm de dimetro interno, utilizadas para proporcionar a entrada e a sada de um fludo para troca de calor com a superfcie aletada do dissipador. Para fazer circular o fludo no recipiente foi utilizada uma bomba de aqurio do fabricante Resun, modelo P-700, com vazo mxima de 700 l/h e presso mxima de 0,9 mca. O dissipador (1) recebe o conjunto formado pelo mdulo de Peltier com a amostra de LMF (3). O detalhe (2) mostra que as aletas do dissipador ficam em contato permanente com o fludo refrigerante. O detalhe (4) apresenta, de cima para baixo, o sistema de aquisio de dados, a fonte de alimentao da amostra de LMF e por ltimo a fonte de alimentao e controle do mdulo de Peltier. O microcomputador (5) contm a placa GPIB de comunicao e est tambm equipado com os programas de controle e aquisio de dados.

Fonte

Aquisio de dados

Termopar

Amostra

Micro computador

Fonte

Pastilha termoeltrica

Sistema de dissipao de calor


Figura 4. Conjunto de aparelhos formando o SMRT-Plus. O programa de aquisio de dados e comando do mdulo de Peltier, ilustrado na Fig. 5, na verdade uma macro

criada especificamente para o SMRT-Plus e foi escrito em linguagem Visual Basic no prprio editor do Microsoft Office. Esse programa funciona no ambiente Excel e trabalha coletando os dados do sistema de aquisio e ao mesmo tempo controlando as tenses de alimentao do mdulo de Peltier. Desta forma, em um nico aplicativo possvel realizar o comando de resfriamento ou aquecimento do mdulo Peltier e os parmetros envolvidos na medio, tais como a resistncia eltrica (R) ou a tenso eltrica (+V-) e a temperatura da LMF (T), so monitorados no tempo (t) e armazenados no computador para anlise posterior.

Figura 5. Tela do programa de comando e aquisio de dados utilizado no SMRT-Plus.

SMRT-Plus

(3)

(2)

(1)

(4)

(5)


3. RESULTADOS E DISCUSSES Durante os testes de resfriamento verificou-se o comportamento da mxima temperatura negativa da superfcie

superior do mdulo (Tc), bem como o monitoramento da temperatura de sua face inferior (Th). Os resultados foram obtidos em forma de curvas caractersticas das temperaturas Tc e Th em funo do tempo (T-t), conforme mostra a Figura (6).

-25 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

aquecimento

resfriamentoTc

Th

Tem

pera

tura

(C

)

Tempo (s)

Figura 6. Curvas T t do mdulo de Peltier com Th e Tc.

Observa-se que um ciclo completo de resfriamento e aquecimento tem a durao de aproximadamente 240 s (4

minutos). Alm disso, verifica-se claramente que possvel atingir o objetivo do projeto que corresponde a uma temperatura Tc da ordem de 30 C. Isto ocorre devido ao fato de que a circulao de gua por entre as aletas do dissipador permite manter a temperatura Th em nveis mais baixos, inferiores a 15 C, permitindo atingir maiores temperaturas negativas Tc para a mesma potncia de entrada no mdulo Peltier.

A aplicao do SMRT-Plus na caracterizao da transformao termoelstica de diferentes amostras de LMF (55,11Ni-44,89Ti % em peso; 49,4Ni-44,7Ti-5,9Cu e 82,2Cu-13,8Al-4,0Ni % em peso) fabricadas no Laboratrio Multidisciplinar de Materiais e Estruturas Ativas (LaMMEA) da UAEM/CCT/UFCG esto apresentados nas Figuras (7), (8) e (9). Os comportamentos da resistncia eltrica em funo da temperatura (curvas R-T) so apresentados em comparao com o SMRT desenvolvido por Reis et al (2006). Os resultados apresentados comprovam uma coerncia qualitativa entre os dois sistemas de medio, ambos capazes de detectar a transformao de fase das amostras testadas.

Na Figura (7) observa-se que a transformao da LMF Ni-Ti caracterizada por um pico de resistncia eltrica durante o resfriamento, conforme previsto pela literatura (Otsuka e Wayman, 1998). Durante o resfriamento, as curvas R-T obtidas com o SMRT-Plus e o SMRT se superpem, indicando o bom funcionamento do novo projeto e principalmente sua capacidade de atingir temperaturas mais negativas. No aquecimento os resultados no caso do Ni-Ti no podem ser comparados, pois com a limitao em temperatura do SMRT a curva R-T procura a sua correspondente no SMRT-Plus por uma outra trajetria.

-40 -20 0 20 40 60 800,00125

0,00130

0,00135

0,00140

0,00145

0,00150

0,00155

resfriamento

aquecimento

SMRT-Plus SMRT

Res

ist

ncia

()

Temperatura (C)

Figura 7. Curva R-T para uma amostra da LMF 55,11Ni-44,89Ti (% em peso).


Nas Figuras (8) e (9) observa-se o comportamento clssico, em forma de S com histerese, das curvas R-T para a

maioria das LMF (Otsuka & Wayman, 1998). As diferenas entre as curvas obtidas com o SMRT-Plus e o SMRT podem ser atribudas fundamentalmente diferena das taxas de resfriamento e aquecimento entre os dois aparelhos.

-40 -20 0 20 40 60 800,00028

0,00030

0,00032

0,00034

0,00036

0,00038

0,00040

aquecimento

resfriamento

SMRT-Plus SMRT

Res

ist

ncia

()

Temperatura (C)

Figura 8. Curva R-T para uma amostra da LMF 82,2Cu-13,8Al-4,0Ni (% em peso).

-40 -20 0 20 40 60 800,00112

0,00116

0,00120

0,00124

0,00128

0,00132

0,00136

aquecimento

resfriamento

SMRT-Plus SMRT

Res

ist

ncia

()

Temperatura (C)

Figura 9. Curva R-T para uma amostra da LMF 49,4Ni-44,7Ti-5,9Cu (% em peso). A Tabela (1) resume as temperaturas de transformao das amostras de LMF determinadas a partir das Figs. (7), (8)

e (9) utilizando o mtodo das tangentes bastante difundido na literatura (Otsuka & Wayman, 1998). Nesta tabela, Ms e Mf so respectivamente as temperaturas de incio e final da transformao direta (austenita martensita) durante o resfriamento, enquanto As e Af so as temperaturas de inicio e final da transformao reversa (martensita austenita) durante o aquecimento. Verifica-se a boa concordncia entre os dois sistemas de medio, principalmente para o caso da LMF Cu-Al-Ni, assim como a melhor performance do SMRT-Plus para a determinao da transformao na LMF Ni-Ti binria.

Tabela 1. Temperaturas de transformao de fase das LMF testadas.

Temperatura de transformao de fase

LMF Ni-Ti LMF Ni-Ti-Cu LMF Cu-Al-Ni SMRT SMRT-Plus SMRT SMRT-Plus SMRT SMRT-Plus

C C C C C C As - - 5,65 3,98 29,04 29,05 Af - 4,72 38,43 33,48 35,91 35,68 Ms -8,13 -10,32 16.78 17,75 27,31 28,00 Mf - -19,92 0,39 -3,76 14,36 15,65


Na Figura (10), observa-se um comparativo de tempo de operao entre o SMRT e o SMRT-Plus. Vale ressaltar

que um ciclo completo com o SMRT entre -10 C e 30 C dura aproximadamente 1 hora enquanto no SMRT-Plus essa mesma ciclagem pode ser feita em apenas 5 minutos.

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

SMRT-Plus SMRT

Res

friam

ento

Aquecimento

Aquecimento

Resfriamento

Tem

pera

tura

(C

)

Tempo (s)

Figura 10. Curvas T - t comparativa entre o SMRT-Plus e o SMRT.

4. CONCLUSES

Os resultados obtidos neste trabalho permitem concluir que o mdulo Peltier perfeitamente aplicvel na caracterizao trmica de ligas com memria de forma (LMF). A plataforma experimental originada em torno desse mdulo, denominada SMRT-Plus, que permite levantar curvas do comportamento da resistncia eltrica em funo da temperatura, ser de especial utilidade para a verificao e quantificao das temperaturas de transformao de fase das LMF produzidas no Laboratrio Multidisciplinar de Materiais e Estruturas Ativas (LaMMEA) da UAEM/CCT/UFCG.

A utilizao do SMRT-Plus para a caracterizao trmica da transformao martenstica reversvel de algumas LMF, mostrou que possvel obter altas taxas de resfriamento e/ou aquecimento para amostras com temperaturas de transformao situadas abaixo de 0C. Constatou-se tambm que correntes de teste que produzam queda de tenso na amostra superior a 500 mV permitem obter laos de histerese resistncia temperatura (R T) de boa qualidade que levam a perfeita determinao das temperaturas de transformao e histerese em temperatura pelo mtodo das tangentes 5. AGRADECIMENTOS

Ao CNPq pelo financiamento dos projetos 550325/2005-0 (CT-ENERG) e 478651/2007-4 (Universal). Um agradecimento especial dirigido as Centrais Eltricas do Norte do Brasil (Eletronorte) pelo o apoio financeiro do projeto Finatec 02850. 6. REFERNCIAS Melcor, Thermoelectrics Handbook eletrnico. Disponvel em: . Acesso em: 19 set. 2007. Otsuka, K., Wayman, C. M., 1998, Shape Memory Materials, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 284p. Rowe, D. M., 2006, CRC Handbook of Thermoelectrics, Ed. Crc Press, Wales, Uk, 1008 p. Reis, R. P. B., de Arajo, C. J., Silva, L. A. R., Queiroga, S. L. M., 2006, Desenvolvimento de um sistema de medio

da variao de resistncia eltrica em funo da temperatura: aplicao caracterizao de ligas com memria de forma, IV Congresso Nacional de Engenharia Mecnica (CONEM 2006), Recife PE, Brasil, pp. 1-10.

Selden, Brian., Cho, Kyu-Jin, Asada, H. Harry, 2004, Segmented Binary Control of Shape Memory Alloy Actuator Systems Using the Peltier Effect. In: International Conference on Robotics & Automation, 0-78034232-3, New Orleans, La.IEEE. pp. 4931 - 4936.

7. DIREITOS AUTORAIS Os autores so os nicos responsveis pelo contedo do material impresso includo no seu trabalho.

V CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECNICA V NATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING

18 a 22 de agosto de 2008 Salvador Bahia - Brasil August 18 21, 2008 - Salvador Bahia Brazil

DEVELOPMENT OF A THERMAL CYCLE SYSTEM USING THE THERMOELECTRICAL EFFECT: APPLICATION TO THE

CHARACTERIZATION OF SHAPE MEMORY ALLOYS

Rmulo Pierre Batista dos Reis, [email protected] Antonio Aristfanes da Cruz Gomes, [email protected] Joo Fernandes Coutinho Neto, [email protected] Luiz Fernando Alves Rodrigues, [email protected] Carlos Jos de Arajo, [email protected]

Laboratrio Multidisciplinar de Materiais e Estruturas Ativas (LaMMEA) Unidade Acadmica de Engenharia Mecnica (UAEM) Universidade Federal de Campina Grande (UFCG) Av. Aprgio Veloso, 882 Bodocong, Cep: 58109-970, Campina Grande PB

Abstract. This work had as general objective demonstrate the viability to develop an electrical resistance versus temperature measurement system (ERTS) for the characterization of the transformation temperatures and thermal hysteresis of shape memory alloys (SMA) in the range -30 to 200C. The originality of proposed ERTS is in the employment of a refrigerator/heater operated by thermoelectric effect (TE). For so much, it was mounted an experimental test bench to vary the temperature of SMA samples as well as to save simultaneously in a computer the electrical resistance or tension generated in the sample. To validate the developed system, tests were made using three specimens of SMA (Ni-Ti, Ni-Ti-Cu and Cu-Al-Ni). The obtained results are in agreement with the ones of a classic ERTS previously using a programmable digital rapid-cool circulating bath to control the temperature of the SMA samples. The ERTS based on the thermoelectrically tablet, denominated ERTS-Plus, allowed to obtain characteristic Temperature (C) versus Resistance (Ohm) curves, which present agreement with the literature. In practice, the developed work originated new equipment that is light, compact and noiseless in comparison with the first ERTS, and can also be applied in the experimental characterization for the fundamental study of SMA. The ERTS-Plus will constantly be used in the researches developed by the Multidisciplinary Laboratory on Active Materials and Structures (LaMMEA) from UAEM/CCT/UFCG.

Keywords: Shape Memory Alloys, transformation temperatures, thermal hysteresis, electrical resistance, Peltier effect.

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