Bancada Didática Instrumentada para Estudo de Transferência de Calor em Sistema Termofluido com Arduino

DESENVOLVIMENTO DE BANCADA DIDÁTICA INSTRUMENTADA PARA ESTUDO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM UM SISTEMA TERMOFLUIDO TÍTULO DO TRABALHO EM INGLÊS Aguinaldo da Silva1 Matheus Alexsander da Rosa2 Michel Alves de Mesquita3 Dianclen do Rosario Irala4 RESUMO Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx PalavrasChave Arduino Experimento didático Transferência de calor ABSTRACT X Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Keywords Xxxxxxxxxxxxxxx 1 Acadêmico de Engenharia Elétrica do Centro Universitário Católica de Santa Catarina campus Joinville aguinaldosilvacatolicascedubr 2 Acadêmico de Engenharia Elétrica do Centro Universitário Católica de Santa Catarina campus Joinville marosacatolicascedubr 3 Acadêmico de Engenharia Elétrica do Centro Universitário Católica de Santa Catarina campus Joinville michelmesquitacatolicascedubr 4 Orientador Professor integral no Centro Universitário Católica de Santa Catarina campus Joinville Doutor em Física Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais Licenciado em Física diancleniralacatolicascorgbr INTRODUÇÃO A atividade desenvolvida idealiza estrutura didática para estudoanálise em trocador de calor fazendo uso de elemento termofluído agua aquecida em um sistema automatizado constituído por circuito à ser percorrido pelo fluído acima citado motor para bombeamento do fluído medidor de vazão aquecedor elétrico sensores de temperatura reservatório de água radiador trocador de calor e ventilação forçada A automação será constituída em plataforma Arduino com programação dedicada ao sistema de trocador de calor que promoverá a ativação e interação com os diversos elementos constituintesconectados Bomba dágua aquecedor resistivo ventilação forçada sinalizadores leituras em Display 14 caracteres x 2 linhas dos sensores de temperatura medidor de fluxo O usuário terá a possibilidade de parametrizar entre máximo e mínimo a temperatura da água no reservatório e controlar manualmente o registro de vazão do fluído permitindo com essas ações expandir o leque das possíveis análises e ou medições que poderão ser observadas O desenvolvimento tem a finalidade de aplicação das bases e os conhecimentos adquiridos nas diversas disciplinas ministradas no decorrer do curso de graduação em Engenharia Elétricas na Universidade Católica de Santa Catarina em Joinville onde esse desafio promove a pesquisa encontro e superação das dificuldades encontradas eventuais novas descobertas ativação e movimentação intelectual e por fim demonstrar a capacidade potencial do estudante para com a comunidade educacional e social Como mencionado inicialmente tratase de construção montagem de sistema didático que posteriormente será disponibilizado para uso em laboratório de estudos físicos onde então os alunos poderão visualizar fisicamente a estrutura base de trocador de calor fazer as interações possíveis com o sistema bem como as análises necessárias para o conhecimento e aprendizado relatórios avaliativos discussões em grupo etc FUNDAMENTAÇÃO TÉORICA O Ensino de Física Térmica na Engenharia através de Experimentos Didáticos Instrumentados Pesquisar pelo menos três artigos recentes sobre o uso de experimentos didáticos em termodinâmica e descrever aqui de forma sucinta os exemplos encontrados seus objetivos e vantagens e principais resultados O desenvolvimento da bancada didática instrumentada para estudo de transferência de calor em um sistema termofluido foi dividido em três etapas i Projeto e Montagem do Sistema Termofluido com Trocador de calor ii Instrumentação do Sistema através da Plataforma Arduino e iii Calibração e Coleta de dados Projeto e Montagem do Sistema Termofluido Ateaqui Instrumentação do Sistema através da Plataforma Arduino Calibração e Coleta de Dados RESULTADOS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS ANEXOS DESENVOLVIMENTO DE BANCADA DIDÁTICA INSTRUMENTADA PARA ESTUDO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM UM SISTEMA TERMOFLUIDO TÍTULO DO TRABALHO EM INGLÊS Aguinaldo da Silva1 Matheus Alexsander da Rosa2 Michel Alves de Mesquita3 Dianclen do Rosario Irala4 RESUMO Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx PalavrasChave Arduino Experimento didático Transferência de calor ABSTRACT X Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Keywords Xxxxxxxxxxxxxxx 1 Acadêmico de Engenharia Elétrica do Centro Universitário Católica de Santa Catarina campus Joinville aguinaldosilvacatolicascedubr 2 Acadêmico de Engenharia Elétrica do Centro Universitário Católica de Santa Catarina campus Joinville marosacatolicascedubr 3 Acadêmico de Engenharia Elétrica do Centro Universitário Católica de Santa Catarina campus Joinville michelmesquitacatolicascedubr 4 Orientador Professor integral no Centro Universitário Católica de Santa Catarina campus Joinville Doutor em Física Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais Licenciado em Física diancleniralacatolicascorgbr INTRODUÇÃO A atividade desenvolvida idealiza estrutura didática para estudoanálise em trocador de calor fazendo uso de elemento termofluído agua aquecida em um sistema automatizado constituído por circuito à ser percorrido pelo fluído acima citado motor para bombeamento do fluído medidor de vazão aquecedor elétrico sensores de temperatura reservatório de água radiador trocador de calor e ventilação forçada A automação será constituída em plataforma Arduino com programação dedicada ao sistema de trocador de calor que promoverá a ativação e interação com os diversos elementos constituintesconectados Bomba dágua aquecedor resistivo ventilação forçada sinalizadores leituras em Display 14 caracteres x 2 linhas dos sensores de temperatura medidor de fluxo O usuário terá a possibilidade de parametrizar entre máximo e mínimo a temperatura da água no reservatório e controlar manualmente o registro de vazão do fluído permitindo com essas ações expandir o leque das possíveis análises e ou medições que poderão ser observadas O desenvolvimento tem a finalidade de aplicação das bases e os conhecimentos adquiridos nas diversas disciplinas ministradas no decorrer do curso de graduação em Engenharia Elétricas na Universidade Católica de Santa Catarina em Joinville onde esse desafio promove a pesquisa encontro e superação das dificuldades encontradas eventuais novas descobertas ativação e movimentação intelectual e por fim demonstrar a capacidade potencial do estudante para com a comunidade educacional e social Como mencionado inicialmente tratase de construção montagem de sistema didático que posteriormente será disponibilizado para uso em laboratório de estudos físicos onde então os alunos poderão visualizar fisicamente a estrutura base de trocador de calor fazer as interações possíveis com o sistema bem como as análises necessárias para o conhecimento e aprendizado relatórios avaliativos discussões em grupo etc FUNDAMENTAÇÃO TÉORICA O Ensino de Física Térmica na Engenharia através de Experimentos Didáticos Instrumentados Existem diferentes plataformas estratégias e avanços recentes com relação a possibilidades de experimentos didáticos instrumentados para o ensino da termodinâmica aplicado à engenharia Nesse sentido fazse de suma importância indicar alguns trabalhos que envolvem este tema a fim de elucidar de forma genérica o estado da arte desta pesquisa Portanto primeiramente trabalhos como VOLZ 2022 apresentam a construção de uma bancada didática voltada para o ensino no curso de Engenharia Mecânica Neste trabalho propõese a criação de um sistema de aquecimento e resfriamento de água sendo este tomado como objeto de ensino nas aulas do referido curso O trabalho é dividido em etapas sendo estas o projeto da bancada didática construção da estrutura física implementação e por fim a fase de testes e análise de resultados A autora mostra o quanto que estas etapas são fundamentais para que se cumpra o objetivo inicial Para o projeto em questão a primeira etapa envolve a detecção de materiais e dispositivos necessários para confecção e funcionamento da bancada Com isso é possível montar um modelo do protótipo a ser utilizado Neste caso o modelo é composto por um reservatório resistor elétrico bomba dágua termistor encapsulado trocador de calor ventiladores tubulação de saída sensor de fluxo tubulação de retorno base mangueira suporte etc Para que se concretize este modelo partese para a etapa de construção da estrutura física Nesse ínterim a autora indica a importância da utilização de materiais e peças reutilizados a fim de reduzir custos e reaproveitar recursos de forma a contribuir para a preservação do meio ambiente Além disso demonstrase também que todos os procedimentos envolvidos nesse processo precisam ser embasados em referências confiáveis a fim de que cada componente do protótipo seja dimensionada de maneira correta Feito isso a implementação do projeto pode consistir no uso auxiliar de um controlador lógico programável CLP responsável pelo processo de automatização do sistema Com isso a partir da montagem do circuito e da programação lógica do controlador é possível testar o projeto a fim de identificar seus resultados Neste trabalho os resultados são provenientes da simulação de diversas situações de resfriamento e aquecimento de um sistema de forma automatizada sendo estes processos controlados por uma serpentina e uma resistência elétrica respectivamente Além disso a partir de leituras feitas por um sensor foi possível identificar as mudanças das variáveis medidas do processo indicando o correto funcionamento do sistema e cumprimento do objetivo principal a saber a construção de uma bancada didática que efetivamente conseguisse simular situações físicas envolvendo a termodinâmica As principais vantagens encontradas para este tipo de projeto dizem respeito à construção de uma banca com materiais e equipamentos de baixo custo construindo assim uma bancada com bom desempenho e sem muitos gastos Outro exemplo muito importante pode ser encontrado em PENEREIRO 2016 Neste trabalho o autor propõe a construção de dois coletores solares planos bem como um estudo comparativo entre os mesmos das suas eficiências térmicas em função das velocidades dos ventos Aliado a isso o autor propõe também que um dos coletores seja construído a partir de material de baixo custo enquanto o outro seja um coletor de metal disponível no mercado Ainda o objetivo principal do trabalho consiste em aplicar o ensino da física para a construção e funcionamento do referido sistema de aquecimento de água solar De maneira genérica a metodologia do trabalho consiste em criar um sistema automático de medidas de temperatura radiação solar e velocidade do vento Tais medidas são calculadas através de microcontroladores interfaciados com um microcomputador Nesse sentido o autor demonstra passoapasso o processo de montagem dos coletores solares assim como se dá a montagem e funcionamento bem como os componentes que compõem o sistema de aquisição de dados Como principal resultado identificouse que o coletor de metal é 144 mais eficiente que o coletor de baixo custo Este resultado foi possível de ser obtido através do levantamento de curvasrespostas dos coletores com base no vento incidente assim como suas respostas em termos de eficiência térmica por absorção de energia solar Apesar da diferença de eficiência o autor demonstra que projetos de baixo custo como este sugerido podem permitir com que os alunos compreendam a importância dos conceitos teóricos envolvidos na construção do projeto e também podem servir como uma ferramenta didática para o professor sendo esta uma importante vantagem da metodologia proposta Além disso apesar da diferença da eficiência tal diferença não é tão significativa o que faz com que o projeto de baixo custo sugerido seja importante e relevante Por fim outro trabalho relevante pode ser encontrado em PATEL 2021 Neste trabalho o autor sugere o desenvolvimento de uma bancada didática para análise do ciclo de refrigeração por compressão de vapor Tal bancada é destacada por ter um caráter de exemplo didático de ciclo de refrigeração Para sua construção utilizouse um compressor alternativo do tipo pistão dois trocadores de calor e um dispositivo de expansão do fluido Além disso a bancada foi composta dos seguintes equipamentos auxiliares oito medidores mecânicos de pressão e oito sensores de temperatura conectados a uma placa de aquisição de sinal sendo o sinal tratado posteriormente pelo software LabVIEW Como principais resultados temse o preciso cálculo de importantes valores referentes ao ciclo de refrigeração como capacidade de refrigeração e coeficiente de desempenho Os resultados se mostraram satisfatórios a partir da validação com o software EES Como principal vantagem temse a proposta de uma bancada de baixo custo que se mostrou eficiente sendo esta acoplada ao laboratório de instrumentação controle e metrologia da universidade A partir dos exemplos demonstrados é possível identificar tendências objetivos em comum e diretivas para a proposta deste trabalho Portanto neste trabalho dizse que o desenvolvimento da bancada didática instrumentada para estudo de transferência de calor em um sistema termofluido foi dividido em três etapas i Projeto e Montagem do Sistema Termofluido com Trocador de calor ii Instrumentação do Sistema através da Plataforma Arduino e iii Calibração e Coleta de dados Projeto e Montagem do Sistema Termofluido Ateaqui Instrumentação do Sistema através da Plataforma Arduino Calibração e Coleta de Dados RESULTADOS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS ANEXOS