Estudos Experimentais de Materiais Utilizados
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Universidade de Brasília - UnB Faculdade UnB Gama - FGA Curso de Engenharia Aeroespacial ESTUDOS EXPERIMENTAIS DE MATERIAIS UTILIZADOS COMO ESCUDO TÉRMICO EM MOTORES FOGUETE A PROPULSÃO HÍBRIDA Autora: Ana Paula Castro de Paula Nunes Orientador: Prof. Dr. Artem Andrianov Brasília, DF 2016 ANA PAULA CASTRO DE PAULA NUNES ANA PAULA CASTRO DE PAULA NUNES TÍTULO: ESTUDOS EXPERIMENTAIS DE MATERIAIS UTILIZADOS COMO ESCUDO TÉRMICO EM MOTORES FOGUETE A PROPULSÃO HÍBRIDA Monografia submetida ao curso de graduação em Engenharia Aeroespacial da Universidade de Brasília, como requisito parcial para obtenção do Título de Bacharel em Engenharia Aeroespacial Orientador: Andrianov) . Brasília, DF 2016 (Professor Doutor Artem CIP – Catalogação Internacional da Publicação* Nunes, Ana Paula Castro de Paula. ESTUDOS EXPERIMENTAIS DE MATERIAIS UTILIZADOS COMO ESCUDO TÉRMICO EM MOTORES FOGUETE A PROPULSÃO HÍBRIDA/ Ana Paula Castro de Paula Nunes. Brasília: UnB, 2016. 103 64 pg. il. 29,5 cm. Monografia (Graduação) – Universidade de Brasília Faculdade do Gama, Brasília, 2016. Orientação: Artem Andrianov 1. Escudo Térmico. 2. Propulsão Híbrida. 3. Motor-Foguete I. Andrianov, Artem. II. ESTUDOS EXPERIMENTAIS DE MATERIAIS UTILIZADOS COMO ESCUDO TÉRMICO EM MOTORES FOGUETE A PROPULSÃO HÍBRIDA CDU 02:141:005.6 ESTUDOS EXPERIMENTAIS DE MATERIAIS UTILIZADOS COMO ESCUDO TÉRMICO EM MOTORES FOGUETE A PROPULSÃO HÍBRIDA Ana Paula Castro de Paula Nunes Monografia submetida como requisito parcial para obtenção do Título de Bacharel em Engenharia Aeroespacial da Faculdade UnB Gama - FGA, da Universidade de Brasília, em 25/11/2016 apresentada e aprovada pela banca examinadora abaixo assinada: Prof. Dr.: Artem Andrianov UnB/ FGA Orientador Prof. Dr. Sergio Henrique da Silva Carneiro Membro Convidado Prof. Dr. Manuel Nascimento Dias Barcelos Júnior Membro Convidado Brasília, DF 2016 AGRADECIMENTOS Agradeço à minha mãe Evandra e meu pai Haroldo, pela vida que gerou oportunidades de vivenciar inúmeras experiências que me trouxeram onde hoje estou. Agradeço às minhas irmãs pela paciência e carinho em momentos em que precisei abdicar de momentos de lazer para estudar e à toda minha família, pela compreensão em inúmeras ocasiões que tive que estar ausente. Agradeço ao meu orientador, Prof. Dr. Artem Andrianov pela paciência, conselhos e sugestões que contribuíram para o desenvolvimento deste trabalho. Agradeço ao meu namorado pelo carinho, dedicação e paciência de todos os dias, cuja ajuda foi essencial para eu ter conseguido alcançar todos os meus objetivos destes últimos semestres. A todos os professores e servidores da Universidade de Brasília e amigos que estiveram comigo nessa caminhada e de alguma forma contribuíram para minha formação como profissional e ao desenvolvimento deste trabalho. “Só é digno da liberdade, como da vida, aquele que se empenha em conquistá-la. ” Johann Goethe RESUMO O motor foguete SARA foi desenvolvido pela Universidade de Brasília para testar a eficiência da aplicação de propulsão híbrida com um desacelerador propulsivo (PD) para desorbitar uma espaçonave recuperável. O tempo de operação para este motor, cujo grão sólido é a parafina, é de 12 segundos. Porém o motor teste foi projetado para operar com outros tipos de combustível a fim de obter um tempo de queima desejável dentro do intervalo de 40-50 segundos. Dentro da câmara de combustão, a parede interna do motor sofre solicitações pesadas, como uma pressão de aproximadamente 30 bars (30x105 Pa) e temperatura proveniente dos produtos da combustão próxima aos 3000 graus Centígrados. Para preservar o corpo do motor e do foguete, é necessário que exista uma barreira de proteção na parte interna do motor. O escudo térmico age como isolante e protetor da câmara de combustão, mas também possui funções secundárias que auxiliam no funcionamento óptimo do motor. Os atuais materiais utilizados como escudo térmico em foguetes híbridos e sólidos apresentam bom desempenho, porém possuem alto custo de obtenção e manutenção. Propõe-se o estudo experimental de materiais off-the-shelf (que possam ser obtidos facilmente e com baixo custo) que possam ser utilizados como isolante térmico. Para este estudo é necessário o entendimento da distribuição de temperatura dentro do motor de teste, bem como o esclarecimento de como se dá a transferência de calor nas paredes do motor. Serão desenvolvidos corpos de prova como amostras dos materiais compósitos escolhidos para a realização de medições de propriedades e estudos experimentais com tempo de queima de 40-50 segundos com validação complementada por simulações no software ANSYS. Palavras-chave: Escudo Térmico, Foguete Motor, Propulsão Híbrida, Condução de Calor, Simulação, Materiais Compósitos ABSTRACT The SARA rocket engine was developed by the University of Brasilia to test the efficiency of hybrid propulsion system as a propulsive decelerator (PD) responsible for deorbiting of recoverable spacecraft. The operation time for this motor, whose solid grain is a paraffin, is 12 seconds. However, the test engine is designed to operate with other fuel types to obtain a desirable burning time within the 40-50 second interval. Inside the combustion chamber, an engine internal wall endures high pressures up to 30 bars (30x105 Pa) and temperatures caused by combustion products of approximately 3000 degrees Centigrade. To preserve the engine’s casing and the rocket itself, it is necessary to exist a protective barrier on the inside of the engine. The thermal shield acts as an insulator and shield for the combustion chamber, but also has secondary functions that assists the engine’s optimal functioning. The current materials used as heat shield in hybrid and solid rockets present good performance, however they also present high cost of fabrication and maintenance. It is proposed the experimental study of off-the-shelf materials (which can be easily obtained and at low cost) to be used as thermal insulator. For this study is needed to understand the temperature distribution inside the test engine, as well as clarification on how heat transfer occurs on the engine walls. Specimen of the chosen composite materials will be developed for measuring its properties and for the experimental testing with burning time of 40-50 seconds using validation complemented by simulations in ANSYS. Keywords: Thermal Insulator, Hybrid Propulsion, Test-Engine, Heat Conduction, Simulation, Composite Materials. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 2.1. - Motor Foguete Sólido. Fonte: University of Walkato. ............................19 Figura 2.2. - Motor Foguete Híbrido. Fonte: University of Walkato.............................20 Figura 2.3 - Fluxo de Calor num Tubo. (NETZSCH,2016 ).........................................19 Figura 2.4 - Orientação das fibras e partículas em materiais compósitos..................27 Figura 2.5 - Efeito da concentração de madeira na Resistência à Tração no ponto de escoamento com Intervalo de Confiança de 95%. (WLADIMIR, 2004)......................28 Figura 3.1 - Processo básico de fabricação de um material compósito.....................34 Figura 3.2 - Ilustração do processo RTM. (ORENCO, 2016).......................................35 Figura 3.3 - Ilustração do Processo de Prensagem (PALLONE, 2016) ....................33 Figura 4.1 - Posição dos termopares no foguete SARA.............................................36 Figura 4.2 - Geometria do escudo térmico a ser considerado ...................................36 Figura 4.3 - Distribuição de Temperaturas na superfície do escudo..........................39 Figura 4.4 - Pressão dentro da Câmara de Combustã.................................................40 Figura 4.5 - Procedimento para solução do problema de fluxo de calor ...................38 Figura 4.6 - Marcação da superfície dos termopares na geometria..........................39 Figura 4.7 - Malha da geometria ...............................................................................40 Figura 4.8 - SOLID87 Nó tetraédrico para o sólido térmico (ANSYS,2016) ...............41 Figura 4.9 - Geometria do método SURF152 (ANSYS, 2016) ....................................41 Figura 4.10 - a) Simetria do problema b) Malha do novo objeto ................................42 Figura 4.11 - Número de nós (TIPO 1) e superfícies (TIPO 2) gerados na malha.. …42 Figura 4.12 - Fluxo de calor aplicado às faces internas .............................................43 Figura 4.13 - Gráfico do fluxo de calor x Número de Passos......................................44 Figura 4.14 - Variação de Temperatura: Experimental x Simulação Termopar 2......46 Figura 4.15 - Variação de Temperatura: Experimental x Simulação Termopar 3........48 Figura 5.1 – Molde com corpos de prova das resinas..................................................50 Figura 5.2 - Corpos de prova após o corte..................................................................56 Figura 5.3 - Molde de aço INOX 304L para confecção das amostras.........................57 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Eficiência do reforço das fibras no material compósito.............................19 Tabela 2- Propriedades típicas de materais termoendurecedores (AHMED, 2009)...20 Tabela 3 - Propriedades típicas de elastômeros (AHMED,2009) ..............................30 Tabela 4 – Propriedades típicas de materiais plásticos (AHMED, 2009)....................27 Tabela 5- Propriedades Celeron (POLIEX,2016)........................................................35 Tabela 6 -Corpos de Prova Desenvolvidos.................................................................49 Tabela 7 - Densidade dos CPDs.................................................................................52 Tabela 8 - Características dos CPDs .........................................................................53 Tabela 9 - Comparação de preços dos materiais.......................................................57 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 14 1.1 OBJETIVOS ........................................................................................................................... 16 1.1.1 Objetivos Específicos .......................................................................................... 17 2.2 METODOLOGIA DE TRABALHO ................................................................................... 17 2. ASPECTOS TEÓRICOS ...................................................................................... 18 2.1 MOTOR FOGUETE SARA ................................................................................................ 18 2.1.1 Motor Foguete A Propelente Híbrido E Sólido .......................................... 18 2.2 TRANSFERÊNCIA DE CALOR E CONDUTIVIDADE TÉRMICA ......................... 20 2.2.1 Condutividade Térmica ....................................................................................... 22 2.3. ESTUDO DE MATERIAIS UTILIZADOS COMO ISOLANTE TÉRMICO ......... 24 2.3.1 Materiais Compósitos .......................................................................................... 26 2.3.2 Isolantes Com Materiais Termo Endurecedores ...................................... 29 2.3.3 Isolantes Com Materiais Elastômeros .......................................................... 31 3. MÉTODOS DE FABRICAÇÃO DE MATERIAIS COMPÓSITOS ......................... 34 4. PROBLEMA DO FLUXO DE CALOR ................................................................... 37 4.1 JUSTIFICATIVA DO PROBLEMA .................................................................................. 37 4.2 PROCEDIMENTOS PARA RESOLUÇÃO DO PROBLEMA .................................. 39 4.3 HIPÓTESES UTILIZADAS NA RESOLUÇÃO DO PROBLEMA ........................... 47 4.4 RESULTADOS ...................................................................................................................... 48 5. DESENVOLVIMENTO DE CORPOS DE PROVA ................................................ 49 5.1 PREPARAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA............................................................... 50 5.2 MEDIÇÃO DA DENSIDADE DOS CORPOS DE PROVA ....................................... 51 5.2.1 Instrumentos Utilizados e Procedimentos de Medição ......................... 52 5.3 CARACTERÍSTICAS DOS CORPOS DE PROVA DESENVOLVIDOS.............. 54 5.4 FABRICAÇÃO DAS AMOSTRAS COM OS MATERIAIS SELECIONADOS .... 57 5.5 COMPARAÇÃO DE CUSTOS DOS MATERIAIS ...................................................... 59 6. CONCLUSÃO ....................................................................................................... 60 6.1 SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS ......................................................... 61 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 62 14 1. INTRODUÇÃO Os isolantes térmicos internos (ITI – Internal thermal insulators) são vastamente utilizados em motores foguete a propulsão sólida e híbrida. Nos motores foguetes, o ITI é uma camada de material que não queima facilmente, agindo como uma barreira ao calor, colocada entre o revestimento do motor e o propelente sólido. A principal função do isolante é prevenir o revestimento do motor de alcançar temperaturas que possam danificar sua integridade estrutural. A estrutura dos motores foguetes é geralmente feita de um material rígido e durável, como aço ou compósitos reforçados com fibras. (AHMED, 2009) Um motor-foguete é um propulsor que não utiliza material oxidante externo ao seu motor e é constituído de duas partes principais: a câmara de combustão e a tubeira. É na câmara de combustão onde ocorrem as reações químicas proveniente da queima dos propelentes a fim de transformar a energia térmica em energia cinética para a propulsão. (KIMURA, 1987) De acordo com o relatório da NASA (1976), o isolante também desempenha algumas funções secundárias: Inibe a queima de certa superfície do grão (propelente sólido) em que a queima seja indesejada; Protege a transmissão de deformação do revestimento para o propelente; Barra a migração de espécies móveis químicas para dentro do motor; Previne o choque de combustão dos produtos na câmara do motor; Sela a câmara de combustão, as juntas e junções a fim de prevenir perda de pressão e danos da combustão de produtos em alta temperatura; Guia os produtos da combustão para a tubeira de modo que o escoamento se aproxime do laminar e atinja a maior extensão possível A maioria dos materiais isolantes não conseguem desenvolver mais de uma das funções secundária citadas acima. Mas se a principal função for desempenhada bem, é possível modificar o projeto ou providenciar outras partes ou matérias para assegurar a performance das outras funções secundárias. (AHMED, 2009) 15 Durante o funcionamento do motor foguete, o ITI protege o corpo do motor do aquecimento e do fluxo de partículas geradas pelo produto de combustão. Na maior parte dos motores, o ITI é ligado à parede interna da câmara de combustão e é fabricado com materiais capazes de suportar gases da queima dos propelentes que atingem altíssimas temperaturas (cerca de 3000º C) e pressão (pode exceder 108 Pa). Entre o ITI e o corpo do motor também pode haver uma camada que mantém os dois materiais unidos. Esta camada deve ter as mesmas características do ITI para manter a segurança e integridade de toda a estrutura do motor. (AHMED, 2009) Com as altas temperaturas e pressões ocorrentes da queima dos propelentes, o ITI pode sofrer erosão e perfuração pelo movimento turbulento das partículas, o que pode levar ao derretimento ou degradação da estrutura do motor, levando à falha do motor foguete. Para isso, é necessário que o material isolante seja de alta resistência, durabilidade e também que tenha uma vida útil aceitável, já que da fabricação do isolante até a aplicação no motor foguete pode haver um período de espera em que o material tenha que ser armazenado por um tempo antes de seu uso. O projeto de um ITI não deve levar em consideração apenas seu desempenho a condições extremas de temperatura e pressão, mas também deve ser um material leve (comparado com a estrutura do motor) para que não interfira negativamente no funcionamento e alcance do foguete. O autor Sutton (1986), explica que o isolante interno também deve ser quimicamente compatível com o propelente e com os componentes presentes na câmara de combustão para evitar a migração ou mudanças na composição do material. Devem também ter boa força adesiva, para que se mantenha fixado ao propelente e à estrutura do motor. Duas classes de materiais são mais utilizadas na propulsão sólida: elastômeros e plásticos termo endurecedores. Porém, certas propriedades mecânicas dos elastômeros, como capacidade deformação e resistência à tração são regulamente inadequadas para operações e processamentos de motores foguetes. Um exemplo são os isolantes com elastômeros curados, muitas vezes se tornam frágeis e quebram 16 a menos que sejam reforçados com preenchimento adequado. (HARVEY, A.R. e JOHN W, 2003) Os materiais comumente utilizados como isolantes térmicos em motores foguete são: neoprene (elastômero sintético policloropreno), borracha butílica (composto polimerizado em solução de isobutileno) e uma borracha sintética chamada EPDM (Ethylene Propylene Diene Monome - Etileno Propileno Dieno Monômero). Outros materiais usados como isolantes para motores foguetes a propelente sólido são identificados por um nome híbrido que identifica a fibra e a matriz ou o revestimento. Exemplo: asbestos (fibra) /NBR – Borracha de Nitrilo Butadieno (matriz). Grande parte dos materiais isolantes funciona como barreira primaria através do mecanismo de ablação (o material absorve calor através do aumento de temperatura e mudança do estado físico ou químico, estas mudanças são geralmente acompanhadas pela perda superficial do material). Materiais mais sofisticados que possuem melhor performance ablativa como o polímero de fibra de carbono reforçado (Carbon fiber–reinforced polymer - CFRP) são excelentes alternativas, porém possuem alto custo de obtenção e alguns deles não são fabricados nem vendidos no Brasil. 1.1 OBJETIVOS O objetivo geral deste trabalho é o estudo da aplicabilidade de vários tipos de materiais compósitos como escudo térmico para o foguete motor a propelente híbrido SARA. Os materiais estudados devem ter baixo custo e ser de fácil obtenção (off-theshelf). Este estudo se dará através de revisão bibliográfica, dados experimentais e simulações computacionais. 17 1.1.1 Objetivos Específicos ( 1 ) Revisão Bibliográfica sobre os isolantes térmicos existentes e seus materiais, com ênfase em materiais compósitos, estudo sobre motores de foguetes de propelentes sólidos e híbridos e a teoria de condutividade térmica; ( 2 ) Estudo da distribuição de temperatura no motor de teste SARA para definir as áreas com maior tensão de calor através de experimentos e simulações; ( 3 ) Desenvolvimento do projeto de amostras de isolantes térmicos; ( 4 ) Fabricação de amostras de isolantes térmicos com definição da tecnologia apropriada; ( 5 ) Estudo experimental da distribuição de temperatura no motor de teste SARA com isolantes térmicos desenvolvidos 2.2 METODOLOGIA DE TRABALHO Este trabalho será realizado através das seguintes etapas: I. Revisão bibliográfica sobre isolantes térmicos em motores de propulsão híbrida e sólida e materiais compósitos. II. Estudo da distribuição de temperatura no motor de teste e no isolante térmico de Celeron por meio de ensaios experimentais e simulações computacionais no software ANSYS V14.5 III. Desenvolvimento e fabricação de amostras de isolantes térmicos com materiais compósitos escolhidos através do método de fabricação RTM. IV. Medição da distribuição de temperatura no motor foguete com os isolantes térmicos desenvolvidos. V. Análise dos resultados e conclusões. 18 2. ASPECTOS TEÓRICOS Para o desenvolvimento deste trabalho é necessário o esclarecimento de certos tópicos para melhor entendimento do problema a ser tratado. Neste capítulo serão abordados os seguintes assuntos: conceitos básicos de funcionamento de motoresfoguetes a propelente híbrido e sólido, transferência de calor e condutividade térmica, atuais materiais utilizados como escudo térmico e materiais compósitos. 2.1 MOTOR FOGUETE SARA O motor foguete a propelente híbrido SARA (Satélite de Reentrada Atmosférica) foi desenvolvido na Universidade de Brasília para testar a eficiência de aplicação de propulsão à combustível híbrido como um desacelerador propulsivo (PD - propulsive decelerator) para desorbitar uma espaçonave recuperável. O satélite SARA é desenvolvido pelo Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE) com objetivo de operar como plataforma espacial para experimentos em micro gravidade. O satélite tem capacidade para uma carga total de até 150 kg. Após a realização dos experimentos, o satélite seria recuperado através de reentrada atmosférica. Segundo os autores CAa, Vilanova e Veras (2010), os foguetes a propelente híbrido possuem a tecnologia necessária para a execução do desacelerador propulsivo com a possibilidade de a tecnologia ser inteiramente projetada e fabricada no país. 2.1.1 Motor Foguete A Propelente Híbrido E Sólido Um motor foguete a propelente sólido é um sistema que utiliza combustível na forma sólida para produzir impulso. O propelente sólido é uma mistura explosiva de combustível e oxidante em forma de uma massa consistente, e geralmente reveste toda a câmara de combustão, que após a ignição é queimado produzindo gases de exaustão que geram impulso através da variação da massa. Uma vez dada a ignição, o motor foguete não possui modo fácil de ser desligado, já que o combustível se 19 encontra todo dentro da câmara de combustão. A duração do tempo de queima é determinada pela extensão e espessura do grão. (PETERSEN, E. ET AL., 2012) Já o motor foguete a propulsão híbrida utiliza combustível em duas fases diferentes: uma fase sólida e outra líquida ou gasosa. Este tipo de motor possui algumas vantagens em relação a propulsão sólida, como maior impulso específico, possibilidade de desligar o motor mais facilmente, e mais segurança em sua fabricação, armazenamento e condução. As figuras 2.1 e 2.2 abaixo ilustram as diferenças dos dois tipos de motores. Figura 2.1. - Motor Foguete Sólido. Fonte: University of Walkato. Traduzida pela autora. 20 Figura 2.2. - Motor Foguete Híbrido. Fonte: University of Walkato. Traduzido pela autora. 2.2 TRANSFERÊNCIA DE CALOR E CONDUTIVIDADE TÉRMICA Transferência de Calor (ou Calor) é a troca de energia devido a uma diferença de temperatura para que se atinja o equilíbrio térmico. O calor é um fenômeno transitório, que cessa quando não existe mais uma diferença de temperatura. A troca se dá por meio da condução, que é a transferência de energia das partículas mais energéticas (maior temperatura) para as menos energéticas. (INCROPERA, 1981). Os processos de transferência de calor são quantificados em termos de equações de taxa, que calculam a quantidade de energia sendo transferida por unidade de tempo. Na condução térmica, a equação de taxa é conhecida como Lei de Fourier, que para um problema unidimensional (transferência de calor se dá apenas em uma direção) é a seguinte (Eq.1): 𝜕𝑇 𝑞̇ = −𝑘 𝜕𝑥 = −𝑘 𝑇2 −𝑇1 𝜕𝑥 (1) O fluxo de calor, ou fluxo térmico, 𝑞̇ (W/mm²) é a taxa de transferência de calor na direção x por unidade de área perpendicular à direção da transferência e é proporcional ao gradiente de temperatura 𝜕𝑇⁄𝜕𝑥 . O termo k (W/m.K) é conhecido como condutividade térmica é uma característica do material. O sinal de menos da 21 Eq. 1 se deve ao fato que o fluxo de calor se dá na direção da maior temperatura para a menor. É possível entender a transferência de calor através da Figura 2.3 ilustrada abaixo. Figura 2.3 – Fluxo de calor num tubo. Fonte: NETZSCH, 2016 Segundo o autor INCROPERA (2008), existem três mecanismos para a transferência de calor: • Condução: Quando a transferência de energia ocorre em um meio estacionário, que pode ser um sólido ou um fluido, em virtude de um gradiente de temperatura. • Convecção: Quando a transferência de energia ocorre entre uma superfície e um fluido em movimento (geralmente ar) em virtude da diferença de temperatura entre eles. • Radiação: Quando, na ausência de um meio interveniente, existe uma troca líquida de energia (emitida na forma de ondas eletromagnéticas) entre duas superfícies a diferentes temperaturas Nos motores foguetes, o fluxo de calor é provocado pelos gases quentes provenientes da combustão que escoam da câmara até a tubeira. Dentre os modos de transferência de calor, a condução é a mais representativa para o problema. Segunda a autora Kimura (1987), a energia trocada por radiação dentro da câmara alcança no máximo um terço da transferência de energia total e é desprezível. A 22 transferência de calor da combustão dos gases para o escudo térmico se dá através da condução. Para a condução, a taxa de transferência de calor é determinada pela Lei de Fourier (Eq. 1). Para a autora Kimura (1987), a utilização de fórmulas matemáticas para a resolução dos problemas de transferência de calor em foguetes é problemática, pois mesmo existindo fórmulas empíricas para o cálculo do fluxo, os resultados fornecem uma avaliação grosseira do mesmo, uma vez que não levam em conta todos os componentes que levam à geração de calor na câmara de combustão do foguete. Para o cálculo do fluxo de calor, é necessário conhecer as temperaturas das paredes internas e externas do volume analisado. Para o caso de motores foguetes, as temperaturas dentro da câmara de combustão são muito altas e difíceis de se medir, requerendo equipamentos adequados para a medição. Mehta (1981) se deparou com o mesmo problema, em que a temperatura da parede interna da câmara de combustão era desconhecida, e conseguiu contorna-lo através do método do problema inverso, em que o fluxo de calor 𝑞̇ 𝑐𝑜𝑛𝑑 e a temperatura da parede do lado quente 𝑇𝑖 foram obtidos a partir de medidas experimentais de temperatura do lado frio da parede. De acordo com Kimura (1987), este processo é iterativo e pode ser estendido a problemas não-lineares. Este método foi utilizado neste trabalho para a obtenção do fluxo de calor da câmara de combustão para o isolante térmico e será tratado mais a fundo no capítulo 3. 2.2.1 Condutividade Térmica Condução térmica é o processo de transferência de calor através de um meio material onde a energia térmica se propaga de partícula para partícula do meio com maior de temperatura para um de menor temperatura através da transferência de energia cinética destas partículas causada pelo recebimento de calor do material. (“CONDUÇÃO”, 2016). As ligações na estrutura atômica e molecular dos materiais são o fator determinante de sua condutividade térmica. Metais são excelentes condutores de calor por possuírem elétrons mais externos com ligações mais fracas, o que os torna 23 livres para transportar energia por meio de colisões a níveis moleculares. Em oposição, materiais como lã, madeira, vidro, papel, isopor e materiais no estado gasoso são maus condutores de calor (isolantes térmicos), pelo fato que os elétrons mais externos dos átomos que formam estes materiais estão firmemente ligados, comparados à materiais metálicos. Segundo o autor Incropera (1981), a condutividade térmica de um sólido pode ser mais do que quatro ordens de grandeza superior à de um gás, e essa tendência se deve à diferença de espaçamento intermolecular nos dois estados. A condutividade térmica é a propriedade física que mensura o quanto um corpo consegue conduzir calor. Quanto maior a capacidade de um material de conduzir calor, maior é a sua condutividade térmica. Contrariamente, os isolantes térmicos são materiais de baixa condutividade térmica. Geralmente estes materiais são combinados com outros tipos de materiais também isolantes térmicos a fim de obter uma condutividade térmica do sistema ainda menor. Nos isolantes tradicionais, os materiais contêm fibras, pós ou flocos dispersos em sua composição, e o sistema é caracterizado por uma condutividade térmica efetiva, que depende das condutividades individuais de cada material e natureza da fração volumétrica dos materiais utilizados. Um importante parâmetro do sistema é a densidade aparente (massa do sólido/volume total do material). (INCROPERA, 1981) A condutividade térmica associada à condução de calor unidimensional (eixo x) é definida pelo autor Incropera (1981) como 𝑘𝑥 = − 𝑞"𝑥 𝜕𝑇 ⁄𝜕𝑥 (2) Da Equação 2 tem-se que para um dado gradiente de temperatura, o fluxo térmico por condução aumenta com o aumento da condutividade térmica. Para análises de transferência de calor, a razão entre a condutividade térmica e a capacidade calorifica (relação entre a quantidade de calor fornecida a um corpo e a variação de temperatura observada nele), é uma importante propriedade denominada difusidade térmica α, que possui como unidade m²/s. 24 ∝= 𝑘 𝜌𝐶𝑝 (3) Em que: k é a condutividade térmico do material; ρ é a densidade do material; Cp é a capacidade térmica do material. A difusidade térmica mede a capacidade do material de conduzir energia térmica em relação à sua capacidade de armazená-la. Materiais com alta difusidade térmica apresentarão rápidas mudanças nas condições impostas, enquanto que materiais com baixa difusidade térmica responderão mais lentamente, levando mais tempo para atingir o equilíbrio. (INCROPERA, 1981) O conhecimento dos valores das propriedades térmicas é imprescindível para projetos de engenharia e de transferência de calor, pois a seleção errônea de materiais pode levar a defeitos em equipamentos e falhas catastróficas em grandes projetos. 2.3. ESTUDO DE MATERIAIS UTILIZADOS COMO ISOLANTE TÉRMICO Os materiais mais utilizados na indústria de motores foguetes são identificados por nomes híbridos (geralmente fibra (ou carga) /matriz) que identifica o material de preenchimento numa matriz ou cobertura do compósito. Segundo o autor Ahmed (2009), duas classes de materiais são utilizadas para o isolamento interno: plásticos termo endurecedores e elastômeros. A vasta maioria dos isolantes térmicos para foguetes motores a propulsão sólida funcionam como barreira de calor através do mecanismo de ablação. Isto significa que o material absorve o calor do sistema de modo a aumentar sua 25 temperatura e mudar seu estado físico e químico, acompanhado pela perda do material em sua superfície. Ainda segundo o autor Ahmed (2009), o projeto do isolante térmico interno deve seguir as seguintes tarefas: 1) Estabelecer o material e a sua espessura através do motor. 2) Projetar abas, juntas, filetes e inserções necessárias para o próprio funcionamento do isolante. 3) Tentar evitar desvantagens do material escolhido como tempo de vida limitada e alta densidade. 4) Atingir os requisitos necessários para um isolante, como: (a) Excelente junção do isolante com o grão e corpo do motor em todo o tempo de funcionamento do motor. (b) Taxa de ablação baixa, de 0.09 mm/seg até 0.2mm/seg. (c) Baixa densidade, de 1.05g/cm³ até 1.5 g/cm³. (d) Resistência à tensão suficiente: ≥ 0.5MPa (e) Baixa condutividade térmica, de 0.2 até 0.5 W/m.K (f) Alto calor específico, de 1000 até 2100 J/Kg.K (g) Resíduo pós-queima poroso com boa característica de retenção. (h) Habilidade de resistir a tensões mecânicas e térmicas durante o armazenamento, manuseio e processo de cura. (i) Baixa absorção de umidade. (j) Boas características de envelhecimento (mínimo de 10 anos vida útil/ armazenagem). 26 2.3.1 Materiais Compósitos Um compósito é um material fabricado artificialmente que apresenta em sua composição mais de uma fase. Suas fases constituintes devem ser quimicamente diferentes e estar separadas por uma interface visivelmente diferente. Por isso, ligas metálicas e alguns materiais cerâmicos não se enquadram nessa definição. O material compósito tem como características notáveis sua rigidez, alta resistência mecânica, baixo peso (comparado à metais), bom desempenho em altas temperaturas e resistência à corrosão, dureza ou condutividade. A maioria dos materiais compósitos são compostos por apenas duas fases: a matriz (fase contínua) e a fase dispersa (também chamada de reforço), que é envolvida pela matriz. Estes materiais também podem ser divididos em: 1) compósitos reforçados com partículas, 2) compósitos reforçados com fibras e 3) compósitos estruturais. (CALLISTER, 2002) Os compósitos reforçados com partículas podem ser subdivididos em compósitos reforçados com partículas grandes e reforçados por dispersão. A diferença entre eles está no mecanismo de reforço e aumenta da resistência. O autor explica que o termo ¨grande¨ indica que interações da partícula com a matriz não podem ser tratadas em nível atômico ou molecular. As partículas de reforço servem para restringir o movimento da fase matriz na vizinha de cada partícula. Um melhor comportamento mecânico depende de uma forte ligação na interface da matriz com a partícula. Para os compósitos reforçados por dispersão, as partículas são em geral muito pequenas, com diâmetros que variam entre 0.01 e 0.1 µm. Neste caso, enquanto a matriz suporta a maior parte de uma carga aplicada, as pequenas partículas impedem ou dificultam o movimento das discordâncias (imperfeições causadas por átomos desalinhados). Alguns tipos de orientação de fibras estão ilustrados na Figura 2.4. 27 Figura 2.4 - Orientação das fibras e partículas em materiais compósitos As grandes partículas adicionadas à matriz são chamadas de cargas, que servem para modificar ou melhoras as propriedades do material e até mesmo substituir uma parte do volume do polímero, por serem geralmente mais baratas. Um simples exemplo de material compósito reforçado com partículas grandes é o concreto, composto por cimento (matriz) e areia e brita (partículas). Para que o reforço aja de forma eficaz, as partículas devem estar uniformemente distribuídas em todas as direções da matriz e devem obedecer um limite de fração volumétrica para que o módulo de elasticidade do compósito fique dentro de certas fronteiras delimitadas pela regra das misturas: 𝐸𝑐 (𝑢) = 𝐸𝑚 𝑉𝑚 + 𝐸𝑝 𝑉𝑝 𝐸𝑐 (𝑙) = 𝐸𝑚 𝐸𝑃 𝑉𝑚 𝐸𝑝 + 𝑉𝑝 𝐸𝑚 (4) (5) Nas equações 4 e 5, E representa o Módulo de Elasticidade e V a fração volumétrica e os subscritos m e p representam as fases do compósito, matriz e partículas, respectivamente. Um estudo feito pelo autor Wladimir (2004) sobre as propriedades de compósitos termoplásticos com farinha de resíduo de madeira (partículas) e a matriz 28 de Poliestireno de Alto Impacto (HIPS) mostra a relação da concentração das partículas em percentual de wwf (wood waste flour) com a sua resistência à tração no ponto de escoamento. (Figura 2.5) Figura 2.5 - Efeito da concentração de madeira na Resistência à Tração no ponto de escoamento com Intervalo de Confiança de 95%. (WLADIMIR, 2004) Na Figura 2.5 a curva representada por triângulos é a mistura que contém maior quantidade de partículas na matriz, a curva representada por losango e a curva representada por triângulo possuem menos quantidade de partículas, o que evidencia a suposição do autor Wladimir (2004) que quanto maior a concentração de partículas na matriz, maior é a resistência à tração do compósito. Segundo o autor Callister (2002), os compósitos mais importantes são os reforçados com fibras, pois apresentam com frequência alta resistência e rigidez em relação ao seu peso, grandezas expressas em termos dos parâmetros resistência específica (razão entre o limite de resistência à tração e o peso específico) e módulo específico (razão entre o módulo de elasticidade e o peso específico). 29 A orientação e tamanho das fibras influenciam na nas características mecânicas do compósito. O comprimento crítico (𝑙𝑐 ) é o necessário para que se tenha um aumento efetivo na resistência e rigidez do material. 𝑙𝑐 = 𝜎𝐹 ∗ 𝑑 (6) 2𝜏𝑐 Na Eq. 6 acima, d é diâmetro da fibra, 𝜎𝐹 ∗ representa a resistência máxima da fibra (ou limite de resistência à tração) e 𝜏𝑐 é a tensão de escoamento ao cisalhamento da matriz (resistência da ligação fibra-matriz). Tabela 1 - Eficiência do reforço das fibras no material compósito para algumas orientações da fibra em relação à aplicação de tensão. (CALLISTER, AL-QUERISH) Orientação da Fibra Todas as fibras paralelas Bidirecionais (tecidos) Fibras distribuídas uniforme e randomicamente num plano específico Fibras distribuídas uniforme e randomicamente num espaço tridimensional Direção da Aplicação da Carga Eficiência de Reforço (β) Paralela às fibras 1 Perpendicular às fibras 0 Metade das fibras paralelas e metade perpendiculares 1/2 Qualquer direção no plano das fibras 3/8 Qualquer direção 1/5 2.3.2 Isolantes Com Materiais Termo Endurecedores A primeira classe de material utilizado como isolante térmico interno é a resina termo endurecedora reforçada. Resina sintética é um polímero preparado via processo de polimerização ou condensação. As resinas são bastantes utilizadas na indústria para produção de tintas e adesivos e podem ser classificadas quanto ao seu comportamento após a aplicação: As resinas termofixas são as que sob ação do calor sofrem um processo de reticulação interna (crosslinking), ou cura, e após a finalização é insolúvel em solventes. As resinas termoplásticas são as que a sua finalização ocorre pela secagem física através da evaporação e solventes e o produto final pode 30 ser solubilizado novamente, o que facilita no processo de moldagem. (“RESINAS MOLDAVEIS”, 2016). As resinas para isolamento térmico são geralmente reforçadas com materiais como sílica, asbestos, nylon, carbono ou manta de vidro, por possuírem baixa condutividade térmica. O autor AHMED (2009) evidenciou as propriedades destes materiais na Tabela 2 mostrada a seguir. Tabela 2 - Propriedade típicas de materiais termo endurecedores utilizados como isolante térmico. Fonte: AHMED (2009). Traduzido pela autora. Composição Matriz (Resina) Carga Fenólica Asbestos Fenólica Asbestos Fenólica Manta de Carbono Fenólica Fibra de Carbono Fenólica Manta de Tecido Fenólica Vidro Picado Fenólica Nylon Alumínio Puro Propriedades Térmicas K (W/m.K) 𝐂𝐩 (J/Kg.K) 0.3459 0.6918 0.8302 0.2940 0.2594 0.4497 0.01729 237 1172.3 1130.4 962.9 1256.1 962.9 1046.7 1297.9 938 Propriedades Físicas Tensão Máxima de Tração (Mpa) 6.9 8.3-45.4 17.2-151.7 13.8 4.1-689.6 34.5 17.2-30.3 135 Densidade (g/cm³) Alonga mento (%) 1.52 1.76 1.43 1.25 1.87 1.85 1.18 2.76 1 0.5 0.25 60 A resina fenólica é uma resina sintética termofixa, obtida como produto da reação dos fenóis com o formaldeído, e foi o primeiro polímero completamente sintetizado. É muito utilizado no revestimento de móveis e cabos para panelas de uso doméstico. ("RESINAS FENÓLICAS", 2016) 31 2.3.3 Isolantes Com Materiais Elastômeros A segunda classe de material mais utilizada como isolante térmico interno são os elastômeros reforçados. Este tipo de material tem como características básicas: módulo de elasticidade baixo e comportamento macio; pode aguentar tensões muito altas e retorna rapidamente à sua forma original após a deformação. As composições com elastômeros têm sido vastamente utilizadas no isolamento de foguetes motores por que suas características mecânicas, térmicas e ablativas são particularmente adequadas para aplicações em motores foguetes. (AHMED, 2009) O elastômero mais comum neste tipo de aplicação são as borrachas de etilenoPropileno EPDM (ethylene propylene diene monomer) disponíveis tanto na forma de borracha quando na viscosa-líquida. Porém, as suas propriedades ablativas não são tão adequadas para operações com motores foguete, o que leva à necessidade de utilizar cargas como carbono preto, asbestos e sílica, que são boas alternativas que permitem a transmissão de concentradores de tensão do corpo do motor para o grão propelente. (KINLOCH, AJ e YOUNG, R.J, 1983). Para estes autores, asbestos é o melhor reforço que pode ser incorporado aos elastômeros para aplicações em motores foguete pois estes tipos de materiais apresentam uma performance surpreendente em suas propriedades físicas, mecânicas, térmicas e ablativas. Asbestos é um material feito de duas formas fibrosas minerais incombustíveis e quimicamente resistentes de silicato de magnésio impuro (utilizado para tornar o material à prova de fogo, isolante elétrico e térmico). Existem dois tipos principais de asbestos: Amphiboles, que possuem fibras rígidas que apresentam riscos à saúde pois as fibras podem penetrar o tecido humano, incluindo os pulmões, e causar tumores consequentes; Serpentina ou Chrysolito, que são mais flexíveis e macias do que os asbestos amphiboles e fazem menos danos aos tecidos do corpo humano. (KUMZEROV et.al, 2005). Para o uso de asbestos com EPDM, as fibras são dispersas em 2 fileiras para reduzir a aglomeração das fibras. As propriedades típicas dos materiais plásticos com asbestos utilizados como isolantes térmicos estão mostrados na Tabela 3. 32 Tabela 3- Propriedades típicas de elastômeros utilizados como isolante térmico. Fonte: AHMED (2009). Traduzido pela autora. Composição Matriz CTPB EPDM NBR NBR SBR SBR PBAA Carga Carbono preto Asbestos Sílica Sílica + Asbestos Asbestos Sílica Asbestos Alumínio Puro Propriedades Térmicas K (W/m.K) 𝐂𝐩 (J/Kg.K) 0.2076 0.2421 0.2249 0.2421 0.4324 0.22949 0.4843 237 1800.3 1674.7 1674.7 1716.6 1674.5 1423.5 1507.3 938 Propriedades Físicas Tensão Máxima de Tração (Mpa) 1.89 6.55 11.7-16.9 13.8 6.9 13.1-27.6 1.2 135 Densidade (g/cm³) Alonga mento (%) 0.969 0.977 1.219 1.268 1.398 1.174 1.331 2.76 350 900 400-623 400 550-800 1 60 O autor AHMED (2009) faz um importante estudo sobre os projetos com motores foguete em que foram utilizados materiais compósitos como isolante térmico interno, e em sua tese, elaborou uma tabela (Tabela 4) que resume e compara as vantagens e desvantagens dos diferentes tipos de composição de materiais compósitos. 33 Tabela 4. – Propriedades típicas de materiais plásticos utilizados como isolante térmico. Fonte: AHMED (2009). Traduzido pela autora. Composição Vantagens Desvantagens MATRIZ CARGA EPDM Haloides de Metais Pesados + Hidróxido de Cálcio + Hidróxido de Magnésio CTPB Asbestos NBR Fibra de Aramida NBR Floco de Algodão + Sisal EPDM + Poliisopreno Aramida R SBR + Borracha Natural Polibenzimidazol Poliéster Fibra de Vidro + Alumina - Baixa taxa de ablação EPDM + Poliamida Poli fosfato de Amônia + Fibras de Carbono Fatiadas - Baixa taxa de ablação EPDM Sulfato de Amônia + Óxido Antimônio + Fibra de Aramida Melhor resistência ao rasgo - Melhor força de ligação - Alta taxa de ablação Fenólico + Borracha Nitrílica Tecido de Vidro + Alumina Tri hidratada - Baixa taxa de ablação - Baixa capacidade de deformação - Alta densidade Sílica Hidrofílica Melhor resistência ao rasgo - Melhor força de ligação - Alta resistência elétrica NBR - Sem asbestos - Perfeita aderência ao corpo do motor e propelente - Sem Asbestos - Bom isolamento térmico - Baixa taxa de ablação -Sem asbestos - Baixa densidade - Bom isolamento térmico e ablação - Baixa densidade - Bom isolamento térmico e ablação - Alta taxa de ablação - Utilização de asbestos - Alta taxa de ablação - Mistura não uniforme - Alta taxa de ablação - Alta taxa de ablação - Baixa capacidade de deformação - Alta densidade - Alta temperatura do revestimento -Alta densidade - Alta temperatura do revestimento - Alta resistência elétrica Fibras de Carbono Fatiadas - Baixa taxa de ablação EPDM Sílica Hidrofílica - Baixa taxa de ablação - Alta afinidade com água - Alta resistência elétrica NBR Polibenzoxazole - Baixa densidade - Bom isolamento térmico - Alta taxa de ablação NBR (Norbornene) Fibras de Carbono+ Sílica - Baixa taxa de ablação - Alta temperatura do revestimento - Alta densidade EPDM PVC (Cloreto de Polivinila) - Baixa densidade - Bom isolamento térmico - Alta taxa de ablação EPDM (Hexadieno) 34 3. MÉTODOS DE FABRICAÇÃO DE MATERIAIS COMPÓSITOS O processo de fabricação de um material compósito é determinado a partir do tipo de matriz (metálica, cerâmica e polimérica), do tipo de moldagem (se está na fase sólida ou líquida) e também dos requisitos físicos, como forma, dimensão, quantidade, dentre outros. Um esquema simples de fabricação segue os passos apresentados na figura 3.1. Resina + Fibra Aplicação da mistura ao molde Impregnação (mistura) Processamento do compósito Preparação do molde (aplicação de desmoldante) Desmoldagem Acabamento Figura 3.1 - Processo básico de fabricação de um material compósito Para moldes de formas complexas, com grande área superfície e acabamento liso em ambos os lados, o método de fabricação utilizado pela indústria é o RTM (Resin Transfer Molding). O processo consiste na injeção da resina (líquida) dentro da cavidade do molde, que passe através do reforço e se solidifica no formato do molde. A pressão de injeção não é alta, o que facilita a preparação do molde e dos equipamentos. Este processo está ilustrado na Figura 3.2 a seguir. 35 Figura 3.2 - Ilustração do processo RTM. (ORENCO, 2016) Existe também o processo de prensagem, em que o material de reforço (mais utilizado é a fibra de vídeo) é depositadas na cavidade do molde. A resina é adicionada e o molde é fechado sob pressão e pode estar aquecido ou não, dependendo do sistema de cura adotado. Após a prensagem e cura do laminado, o molde é aberto e a peça retirada. (ORENCO, 2016). O esquema deste processo pode ser visto na Figura 3.3 abaixo. Figura 3.3 - Ilustração do Processo de Prensagem (PALLONE, 2016) 36 Devido à falta de instalações, equipamentos adequados e verbas necessárias para o desenvolvimento deste trabalho, o método utilizado na fabricação das amostras foi o RTM. 37 4. PROBLEMA DO FLUXO DE CALOR 4.1 JUSTIFICATIVA DO PROBLEMA Problemas de transferência de calor aplicados a situações reais envolvem inúmeras variáveis que dificultam a análise e fácil obtenção de resultados. Este capítulo tem como objetivo calcular o fluxo de calor da câmara de combustão para o isolante térmico interno do motor-foguete SARA. A energia térmica proveniente da reação química dos propelentes na câmara de combustão do motor-foguete depende dos mecanismos de reação do processo. Dentre as variáveis para cálculo desta energia é necessário conhecer as propriedades químicas e físicas dos propelentes, composição química, composição centesimal e condições de contorno. O conhecimento destes dados é uma tarefa difícil e que demanda tempo e recursos. Recorre-se então, a métodos de aproximação que auxiliam a chegar a resultados bem próximos do real. Autores como Stolz, Burgraff, Beck, Williams e Curry, Howard e Mehta realizaram também em seus trabalhos aproximações nas áreas de transferência de calor através diversos métodos que eram adequados a cada tipo de problema. Para resolver este problema, utilizou-se o método inverso proposto por Mehta (1981) e de tentativa e erro para obtenção do fluxo de calor no escudo isolante do motor-foguete SARA. Para o motor-foguete SARA o escudo de isolamento térmico reveste a câmara de combustão até o início da tubeira como ilustrado nas Figuras 4.1 e 4.2. Neste trabalho, os testes experimentais foram realizados utilizando o Celeron como material para o escudo, cujas propriedades estão especificadas na Tabela 5. Tabela 5 - Propriedades Celeron. POLIEX (2016) Peso Específico (Kg/m³) Condutividade Térmica (Cal/cm.S.K) Calor Específico (Cal/gºC) 1350 8,33.10-4 0.35 38 Figura 4.1 – Posição dos termopares no motor foguete SARA. Figura 4.2 - Geometria do escudo térmico a ser considerado a) Desenho Técnico b) Escudos térmicos de Celeron 39 4.2 PROCEDIMENTOS PARA RESOLUÇÃO DO PROBLEMA A resolução do problema foi baseada no método inverso descrito pela autora Mehta (1981). Foram realizados testes experimentais com o motor-foguete a fim de obter o gráfico de distribuição de temperaturas na parede externa do escudo. O ITI para este problema foi feito do material Celeron, cujas propriedades estão descritas na Tabela 5. Cinco termopares foram posicionados no motor de acordo com a Figura 4.1. O tempo de queima para os experimentos foi cerca de 12 segundos e os resultados estão no gráfico da Figura 3.3 Para o escudo térmico, mostrado na Figura 3.2, foram utilizados apenas os dados dos termopares 2 e 3, que se localizam na parte esférica do escudo. (Veja Figura 4.3). Figura 4.3 - Distribuição de Temperaturas na superfície do escudo Observa-se que a variação de temperatura pelo tempo não é linear, o que dificulta aproximações analíticas e matemáticas para o cálculo de transferência de calor. 40 Figura 4.4 - Pressão dentro da Câmara de Combustão O procedimento de realização do problema pode ser descrito em um processo simples, mostrado na Figura 4.5 a seguir: Figura 4.5 – Procedimento para solução do problema de fluxo de calor 41 Utilizando o software ANSYS, parte da geometria do isolante foi replicada, adicionando ao sólido o material Celeron através do Engineering Data. Os termopares forem posicionados na superfície da geometria utilizando a ferramenta Imprint Surface, na qual o software marca a posição sem alterar o objeto, como mostra a Figura 4.6. Figura 4.6 – Marcação da superfície dos termopares na geometria Utilizando o workbench Transient Thermal do software ANSYS, as condições iniciais e de contorno do problema foram adicionadas ao programa, que se resume apenas à temperatura inicial do isolante. Tanto as temperaturas internas quanto o fluxo de calor são incógnitas que se devem descobrir. Note que propositalmente não foi especificado o material dos propelentes sólidos e líquidos para que análise seja menos complexa. Para uma análise mais realista do problema, é necessário que a malha do corpo analisado seja mais fina e refinada possível, como ilustrado na Figura 4.7. 42 Figura 4.7 – Malha da geometria. Número de nós = 2207950 Número de elementos = 1306174 O modelo de geração da malha se baseia no método dos elementos finitos SOLID87, que é aplicável a geometrias 3-D irregulares e materiais homogêneos, como a da Figura 4.7. O elemento possui um grau de liberdade de temperatura a cada nó. Este método é apropriado pois pode ser aplicado à analises em problemas de calor transiente, o que é o caso deste trabalho. A configuração dos nós está ilustrada na Figura 4.8. Para o caso de materiais compósitos, será necessário utilizar o elemento SOLID278 ou SOLID279, que se aplica a modelagem de materiais com camadas. 43 Figura 4.8 – SOLID87 Nó Tetraédrico para o sólido térmico. (ANSYS, 2016) A superfície interna do sólido foi selecionada como local de aplicação do fluxo de calor, pois a direção do fluxo se dá da temperatura maior para a menor. O fluxo de calor foi adicionado à geometria pelo o método de elementos finitos SURFF152, em que se aplica cargas de superfície (convecção, fluxo de calor ou radiação) através de elementos de efeito de superfície (surface-effect elements), no qual o elemento é definido por 4 a 10 nós e pelas propriedades do material. (Veja Figura 4.9). Os nós deste elemento devem compartilhar os nós de base (da malha) do elemento sólido. Figura 4.9– Geometria do método SURF152. (ANSYS, 2016) 44 Para a análise computacional o número de passos foi igual a 50 para que se possa obter dados suficientes para que se possa fazer a comparação com os dados experimentais. Como a geometria possui simetria nos planos x-z e y-z, foi possível particionar o escudo em uma pequena parte, como mostra a Figura 4.10, que manterá as propriedades do corpo inteiro, a fim de facilitar (tornar mais rápido) os cálculos do software. Figura 4.10 – a) Simetria do problema b) Malha do novo objeto. Para a geometria da Figura 3.11, foi aplicada uma malha em que o tamanho de cada elemento fosse 0.2 mm. O número de nós e elementos de superfície para a geometria com superfície está especificada na Figura 4.12 abaixo. Figura 4.11 – Número de nós (Tipo 1) e superfícies (Tipo 2) gerados na malha 45 Os fluxos de calor escolhidos para a simulação foram selecionados pelo método de tentativa e erro, em que se inseriu valores de fluxo de calor aleatórios a fim de obter as temperaturas na superfície do escudo. Iniciou-se com valores baixos e de acordo com o perfil de temperatura, os valores escolhidos para o fluxo de calor foram aumentando de acordo com metodologia apresentada na Figura 4.5. . Figura 4.12 - Fluxo de Calor aplicado às faces internas a) Geometria Completa b) Geometria com Simetria O fluxo de calor aplicado à geometria foi tabulado a partir do comportamento do gráfico de pressão, de acordo com as Figuras 4.4 e 4.13. 46 Figure 4.13 - Gráfico do Fluxo de Calor [W/mm²] x Número de passos em tempo [segundos] O resultado das simulações foi exportado para tabelas e gráficos foram gerados a partir dos dados para que se pudesse comparar com os valores obtidos experimentalmente. 47 4.3 HIPÓTESES UTILIZADAS NA RESOLUÇÃO DO PROBLEMA As hipóteses adotadas no tratamento do problema são: ( 1 ) A transferência de calor é unidimensional na direção radial; ( 2 ) Não há perda de calor considerável por condução dos gases ou radiação (o fluxo térmico se dá apenas por convecção); ( 3 ) As propriedades do material do escudo térmico são independentes da temperatura. ( 4 ) Se as temperaturas obtidas na simulação obedecerem ao mesmo comportamento da variação de temperatura obtida experimentalmente, então o fluxo de calor escolhido deve se aproximar do fluxo térmico do problema real. ( 5 ) A curva de temperatura deve ser analisada até t = 20 segundos (Figura x), uma vez que a queima dos propelentes se dá até t = 12 segundos e após isso, o sistema tende a voltar às condições iniciais. ( 6 ) O fluxo de calor existirá enquanto houver pressão na câmara de combustão e se comportará do mesmo modo que o gráfico de pressão. (Figura 5) ( 7 ) Em t = 5 segundos há um aumento brusco de temperatura causado pela ignição que não será levado em consideração para o cálculo de fluxo de calor. 48 4.4 RESULTADOS A distribuição de temperatura ao longo do tempo da simulação foi obtida através dos dados gerados pelo ANSYS no Transient Thermal, exportados em tabelas e apresentada nos gráficos das Figuras 4.14 e 4.15. Após o procedimento especificado na Figura 4.5, os valores obtidos para o fluxo de calor que mais se aproximaram dos valores experimentais foram: 𝑄2̇ = 15 × 10−3 𝑊/𝑚𝑚² para o Termopar 2 e 𝑄3̇ = 11 × 10−3 𝑊/𝑚𝑚² para o Termopar 3 Figura 4.14 - Variação de Temperatura: Experimental x Simulação para o Termopar 2 Figura 4.15 - Variação de Temperatura: Experimental x Simulação para o Termopar 3 49 Através do procedimento utilizado neste trabalho, é possível concluir que: 1) No dado intervalo de tempo (t = 0, t = 20 segundos), o perfil de temperatura obtido através da simulação no ANSYS é coincidente com a distribuição de temperatura dos dados experimentais. 2) O perfil de temperatura no escudo térmico é condizente com o que a literatura especifica para a condução de calor numa esfera, logo podemos analisar o problema através da equação de condução de calor para regime estacionário e unidimensional. 3) O pico de temperatura obtido experimentalmente nas Figuras 4.14 e 4.15 não interfere no fluxo de calor no escudo. 4) Para as hipóteses apresentadas no problema, o método de tentativa e erro e método inverso se mostraram efetivos para encontrar o fluxo de calor do problema. Apesar deste método ter-se mostrado útil para a resolução do problema apresentado, o conhecimento da distribuição de temperatura dentro do motor-foguete é de suma importância para que se atinja os melhores resultados e para que o processo de fabricação de escudos térmicos seja optimizado. Porém o presente método, aliado da simulação no software ANSYS se mostrou poderoso e eficaz. 5. DESENVOLVIMENTO DE CORPOS DE PROVA Para verificar se os materiais escolhidos são adequados para o uso em isolantes térmicos, é necessário calcular as propriedades dos materiais escolhidos. Foram feitos corpos de prova para medição de algumas propriedades físicas e futuros ensaios experimentais de queima. Primeiramente, foram feitas amostras de materiais compósitos constituídos de Resina Cristal (poliéster), Ortoftálica e Isoftálica. Algumas cargas foram adicionadas à matriz para que se pudesse avaliar o comportamento do compósito reforçado. (Veja Tabela 6). 50 5.1 PREPARAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA A preparação de corpos de prova com a matriz de resina é simples e segue o esquema apresentado na Figura 3.1. O fabricante especifica uma quantidade de endurecedor (catalizador) para uma quantidade de matriz e deve se acrescentar o catalizador à matriz escolhida, mexendo lentamente para não gerar excesso de bolhas de ar. As amostras foram feitas a partir de 30g da matriz (resina). Para cada 30g da matriz, o fabricante especifica a adição de 10% em massa (no caso, 0.3g) de endurecedor. As proporções das misturas estão especificadas na Tabela 4. A mistura foi feita em copos de plástico feitos de Polipropeno (PP), pela boa resistência química e a solventes e pelo seu baixo custo e versatilidade. Um molde do tipo doméstico de gelo foi utilizado para armazenar as misturas dos compósitos pois possui uma superfície lisa, feita de plástico Polipropileno e já apresenta divisões que serviram bem para o propósito de fabricação dos corpos de prova, como mostra a Figura 5.1. O molde foi preparado para receber as amostras com uma camada de desmoldante do tipo spray de silicone. Os corpos de prova foram reservados por 1 semana para que estivessem totalmente prontos. Figura 5.1 – Molde com corpos de provas das resinas 51 Tabela 6 – Corpos de Prova Desenvolvidos Componente No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Matriz Cristal (poliéster) Cristal (poliéster) Cristal (poliéster) Ortoftálica Ortoftálica Ortoftálica Ortoftálica Cristal (poliéster) Cristal (poliéster) Cristal (poliéster) Ortoftálica Ortoftálica Ortoftálica Ortoftálica Isoftálica Isoftálica Isoftálica Isoftálica Isoftálica Isoftálica Carga Sem carga Sem carga Grafite Sem carga Sem carga Grafite Grafite Microesfera Microesfera Grafite Microesfera Microesfera Microesfera Microesfera Sem carga Sem carga Grafite Grafite Microesfera Microesfera Massa Dosagem, (g) Resina 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 Endurecedor/Cat. 0.4 0.4 0.4 0.3 0.3 0.3 0.3 0.4 0.4 0.4 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 Carga 0 0 10 0 0 10 10 1.5 1.5 10 1.5 1.5 4.4 4.4 0 0 10 10 2.5 2.5 Porcentagem por peso, % Matriz Carga 100 0 100 0 75 25 100 0 100 0 75 25 75 25 95 5 95 5 75 25 95 5 95 5 87 13 87 13 100 0 100 0 75 25 75 25 92 8 92 8 5.2 MEDIÇÃO DA DENSIDADE DOS CORPOS DE PROVA Após a preparação dos corpos de prova, fez-se necessário a medição da densidade das amostras para obter uma estimativa do volume necessário de material que será necessário para fabricar os moldes dos isolantes térmicos para os testes de queima. Para medir a densidade dos corpos de prova, utilizou-se o princípio de volume deslocado, em que ao submergir um corpo em um recipiente com líquido, o volume deslocado por este corpo corresponde ao próprio volume do corpo. Para o cálculo do volume e densidade, utilizou-se a equivalência de volume em que 1 ml de água equivale 1 cm³ de volume de área. 52 5.2.1 Instrumentos Utilizados e Procedimentos de Medição Os instrumentos utilizados para a medição da densidade dos corpos de prova foram: 1. Balança Digital, Pocket Scale MH-400. Precisão de 500g/0.1g 2. Proveta 100ml, A. Dura Germany. Precisão de 100:1 ml ± 05 ml 3. Martelo comum e estaca de ponta fina. 4. Água potável comum. A medição foi realizada dentro do container destinado ao projeto, em temperatura ambiente de 20ºC e seguiu os seguintes passos: 1) Fatiar os corpos de prova com o martelo e estaca de modo a que pudessem ser inseridos na proveta. 2) Medir a massa em gramas de cada amostra fatiada utilizando a balança digital. 3) Preencher a proveta de água potável até a marca de 40 ml. 4) Acrescentar cuidadosamente corpos de prova fatiados à proveta. 5) Esperar alguns segundos e verificar a marcação do volume de água mais os corpos de prova.9 Com os dados da medição, é possível calcular a densidade de cada amostra pelas fórmulas representadas nas Equações 7 e 8. 𝑉á𝑔𝑢𝑎 + 𝐶𝑃𝐷 − 𝑉á𝑔𝑢𝑎 = 𝑉𝐶𝑃𝐷 𝜌𝐶𝑃𝐷 = 𝑀𝐶𝑃𝐷 Em que: 𝑉𝐶𝑃𝐷 (7) (8) 53 V(água + CPD) = Volume do corpo de prova + volume de água inicial, em [ml]; Vágua = Volume de água inicial na proveta, em [ml]; VCPD = Volume do corpo de prova, em [cm³]; 𝜌𝐶𝑃𝐷 = Densidade do corpo de prova em [g/cm³]; 𝑀𝐶𝑃𝐷 = Massa do corpo de prova, em [g]; Os resultados das medições estão inseridos na Tabela 7. Tabela 7 – Densidade dos CPDs Nº CPD 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 46* Massa (g) 10.00 10.50 11.60 10.00 10.30 10.10 10.00 10.80 10.00 11.20 10.50 10.60 9.20 10.00 11.40 12.60 14.60 15.00 9.30 8.99 12.40 Volume Água (ml) 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 55 40 40 40 40 40 40 40 Volume Água + CPD (ml) 48.00 48.50 49.00 48.00 49.00 48.00 47.00 52.00 51.00 48.00 51.00 51.00 53.50 69.00 50.00 51.00 51.50 51.50 51.50 51.00 56.50 Volume CPD (cm³) 8.00 8.50 9.00 8.00 9.00 8.00 7.00 12.00 11.00 8.00 11.00 11.00 13.50 14.00 10.00 11.00 11.50 11.50 11.50 11.00 16.50 Densidade CPD (g/cm³) 1.25 1.24 1.29 1.25 1.14 1.26 1.43 0.90 0.91 1.40 0.95 0.96 0.68 0.71 1.14 1.15 1.27 1.30 0.81 0.82 0.75 O corpo de prova número 46 representa o material Poliuretano reforçado com 1% de microesferas de ar e foi utilizado para que se pudesse ter uma referência. Este 54 material foi usado na parte frontal do LGM-30 Minuteman, um projeto de míssil balístico intercontinental (ICBM) nuclear dos Estados Unidos. 5.3 CARACTERÍSTICAS DOS CORPOS DE PROVA DESENVOLVIDOS Para uma melhor avaliação dos corpos de prova desenvolvidos, os mesmos foram avaliados acerca da aparência (após o corte para medição da densidade) e porosidade, um fator que influencia em sua atuação como isolante térmico. Os corpos de prova podem ser vistos na Figura 5.2 e suas características na Tabela 7. Tabela 8 – Características dos CPDs Nº Amostra Porosidade Bolhas de Ar Cor 1 Não Sim Cristalina, sem cor 2 Não Sim Cristalina, sem cor 3 Sim Sim Preto brilhante 4 Não Poucas Âmbar 5 Não Poucas Âmbar 6 Sim Poucas Preto brilhante 7 Sim Poucas Preto brilhante 8 Sim Sim Branco Opaco 9 Sim Sim Branco Opaco 10 Sim Sim Preto brilhante 11 Sim Poucas Creme Amarelado 12 Sim Poucas Creme Amarelado 13 Sim Poucas Creme 14 Sim Poucas Creme 15 Não Não Âmbar 16 Não Não Âmbar 17 Sim Poucas Preto brilhante 18 Sim Poucas Preto brilhante 19 Sim Poucas Branco/Creme 20 46* Sim Sim Poucas Não Branco/Creme Rosado 55 A porosidade é um fator que influencia diretamente na capacidade isolante de um material, uma vez que um material poroso consegue confinar o ar, que é um excelente isolante térmico, dentro de sua estrutura. A característica brilhante de certos CPDs evidencia o uso grafite em sua composição, alguns destes materiais apresentaram uma sensação de que estavam esfarelando ao toque, o que pode apresentar risco de contaminação se colocado próximo a outros materiais. As características físicas dos corpos de provas podem ser observadas na Figura 5.2 56 Figura 5.2 – Corpos de prova após o corte 57 5.4 FABRICAÇÃO DAS AMOSTRAS COM OS MATERIAIS SELECIONADOS Para a análise do comportamento como escudo isolante térmico interno dos materiais fabricados neste trabalho, serão feitas amostras do escudo térmico para que se possam realizar ensaios de queima do foguete motor SARA. As amostras serão feitas pelo método de prensagem e RTM descrito no capítulo 3. O molde para fabricação das amostras foi projetado de acordo com as dimensões do escudo térmico das Figuras 4.1 e 4.2. O material utilizado para o molde é o aço Austenite inox 304L, que também é utilizado na fabricação de instrumentos e equipamentos hospitalares, de indústrias farmacêuticas e petroquímica. (“TIPOS DE O INOX”, 2016). O molde está ilustrado na Figura 5.3 a seguir. Figura 5.3 – Molde de aço INOX 304L para confecção das amostras 58 As amostras serão feitas na segunda parte deste trabalho, juntamente com os testes experimentais, e sua confecção seguirá os seguintes passos: 1) Preparação do molde com um agente desmoldante (spray de silicone); 2) Preparação da mistura de resina + endurecedor e carga, se for o caso; 3) Inserir a mistura no molde através de um orifício encontrado na parte de cima; 4) Pressionar o parafuso até o mesmo comprimir toda a mistura para ocupar os espaços do molde e não formar bolhas de ar; 5) Esperar o excesso da mistura escorrer pelos buracos existentes no prato; 6) Aguardar algumas horas para o material curar completamente; 7) Abrir cuidadosamente o molde e retirar a amostra; 8) Limpar adequadamente o molde e prepara-lo para o próximo uso. 59 5.5 COMPARAÇÃO DE CUSTOS DOS MATERIAIS Para auxiliar na comparação dos materiais apresentados neste trabalho, viu-se a necessidade de comparar o custo de obtenção dos materiais utilizados e dos materiais usados na indústria. Esta comparação encontra-se na Tabela 9. Tabela 9 – Comparação de Preços dos Materiais Matriz (Resina) Epóxi Flexível (Com Endurecedor) Transparente (Com Endurecedor) Epóxi SQ 2004 com Endurecedor SQ 3140 Cristal de Alta Viscosidade (Com Catalisador) Resina: Isoftálica (Com Catalisador) Ortoftálica / Laminação (Com Catalisador) Preço por Kg (R$) 84.90 69.90 69.95 23.90 27.90 19.32 Cargas Aerossol (Agente Tixotrópico Espessante) Dióxido de Titânio (Carga Pigmentadora) Microesfera Oca (Carga Super Leve) Quartzo Malha 200 Talco Industrial Verde Calcita (Carga Mineral) Grafite Em Pó Preço por Kg (R$) 83.80 19.90 65.90 3.90 3.49 3.90 39.00 Fibras Tecido: Fibra de Carbono 200 Tecido: Fibra de Carbono 200 Roving: Fibra de Vidro TEX 2400 Manta: Fibra de Vidro 300 Manta: Fibra de Vidro 450 Tecido: Fibra de Vidro 200 Tecido: Fibra de Vidro 110 Preço (R$) 24.90 109.90 223.90 76.90 76.90 44.90 36.90 Outros Materiais Kit Laminação em Fibra de Carbono (1kg) Aerogel (1 tijolo) Poliuretano (1 galão) Celeron Preço (R$) 232, 90 300 233,8 - 60 6. CONCLUSÃO Em termos gerais, o trabalho aqui apresentado pretendeu avaliar alternativas de materiais que possam ser utilizados como escudo térmico interno em motores foguete à propelente híbrido e também entender como se dá a distribuição de temperatura da câmara de combustão para o escudo térmico. Com estes objetivos, concluiu-se que: 1) Através da revisão da literatura foram analisados vários tipos de materiais compósitos utilizados como escudo térmico, que ao mesmo tempo que são eficientes, incluem materiais caros e difíceis de serem encontrados no país. Por isso, no trabalho, foram analisados materiais off-the-shelf e preço baixo com o objetivo de estudar sua eficiência como escudo térmico no motor foguete a propulsão híbrida. Os materiais considerados consistem de resinas tipo epóxi, poliéster, etc., com cargas minerais e fibras. 2) Para estudar o comportamento dos escudos térmicos feitos de vários materiais, o método experimental foi sugerido com o uso do motor foguete SARA. 3) Os fluxos de calor provenientes da combustão dos produtos no motor foguete são muito complexos para cálculo e simulação, por isso foi necessário defini-los através do método inverso, cuja metodologia foi descrita no trabalho. 4) Os fluxos de calor foram determinados para o escudo térmico com geometria não regular. Este escudo térmico é usado para isolar a póscâmara de combustão do motor foguete SARA. 5) Analisando as tecnologias atuais de fabricação de materiais compósitos foi sugerido um método de fabricação do escudo térmico pelo método que engloba o procedimento de prensagem e RTM. 61 6) Para necessidades tecnológicas foram fabricadas acima de 20 corpos de prova cujas densidades foram medidas. Os corpos de prova com baixa densidade foram ressaltados. 6.1 SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS Assim sendo, baseando-se nos itens expostos acima, o método inverso é válido e tem imediata aplicação para problemas onde o fluxo de calor é difícil de ser determinado. Porém ainda não é possível concluir com certeza se os materiais compósitos fabricados são a melhor alternativa para utilização como escudo térmico, necessitando de ensaios experimentais para poder comprovar o mesmo. Alguns tópicos necessários devem ser abordados para melhor entendimento dos isolantes térmicos e como selecionar os materiais com melhor custo-benefício para os objetivos propostos: 1. Estudar o processo de ablação em materiais compósitos. 2. Estudar o comportamento de materiais compósitos quanto à resistência térmica de acordo com o aumento de carga e/ou fibra. 3. Realizar ensaios experimentais com algumas das amostras feitas com os corpos de prova desenvolvidos neste trabalho. 4. Determinar a distribuição de temperatura em função do tempo em outras seções do motor-foguete. 62 REFERÊNCIAS 1) ANSYS. 4.87 SOLID87 3-D 10-Node Tetrahedral Thermal Solid (UP19980821). Disponível em: <http://www.ansys.stuba.sk/html/elem_55/chapter4/ES487.htm>. Acesso em: 15 nov. 2016. 2) AHMED, A. Thermal Insulation by Heat Resistant Polymer. Doutor—[s.l.] Universidade de Concordia, 2009. 3) BECK, J. Nonlinear Estimation Applied To The Nonlinear Inverse Heat Conduction Problem. International Journal of Heat and Mass Transfer, v. 13, n. 4, p. 703-716, 1970. 4) BURGGRAF, O. An Exact Solution of the Inverse Problem in Heat Conduction Theory and Applications. Journal of Heat Transfer, v. 86, n. 3, p. 373, 1964. 5) CALLISTER JR., WILLIAM D., Ciência e Engenharia dos Materiais: Uma Introdução, 1a ed., Rio de Janeiro, LTC, 2002, ISBN: 85-216-2188-5 6) CÁS, P.L.K, VILANOVA, C.Q. E VERAS, C.A.G. 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