Uma técnica para determinação simultânea das propriedades termofísicas de metais a baixas temperaturas pelo método inverso de transferência de calor

Abstract

Este trabalho se concentra em determinar as propriedades termo físicas do aço naval ASTM A131 Gr. EH36 em baixas temperaturas, com o intuito de melhorar os modelos numéricos de estruturas sujeitas a cargas acidentais causadas por derramamento criogênico. Para isto, foi utilizado o método de aplicação de diferentes intensidades de fluxo de calor, que permite a determinação simultânea da condutividade térmica (λ) e da capacidade de calor volumétrica (ρc_p). A bancada experimental consiste em um aquecedor resistivo controlado por uma fonte de corrente, que gera um fluxo de calor constante na face superior da amostra. A face oposta foi isolada por placas de poliestireno expandido e um termopar soldado por descarga capacitiva na amostra realiza a medição de temperatura. O método das diferenças finitas com formulação implícita para fluxo de calor unidimensional foi usado para calcular o perfil de temperatura na face oposta da amostra. A diferença quadrada destas duas temperaturas, medida e calculada, foi usada como função objetivo e minimizada pelo método BFGS (Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno). A análise de sensibilidade baseada nos parâmetros de sensibilidade escalonada e no resíduo experimental permite a verificação da viabilidade da otimização simultânea dos parâmetros analisados e a convergência dos parâmetros para valores reais. Com base nesta análise duas intensidades de fluxo de calor são necessárias: uma de maior intensidade, que favorece a sensibilidade escalonada da condutividade térmica, e uma mais baixa, que regula a sensibilidade escalonada da capacidade de calor volumétrica. O aço inox AISI A304 foi usado para verificar a efetividade do método, através da uma comparação entre propriedades termo físicas otimizadas e os dados da literatura. Com base nos resultados deste trabalho pode-se afirmar que o método é capaz de determinar as propriedades termo físicas de forma simultânea com baixo erro experimental.

This work aims to determinate the thermophysical properties of the naval steel ASTM A131 Gr. EH36 at low temperatures in order to enhancing the numerical models of structures subjected to accidental loads caused by cryogenic spill. For this purpose, the method of application of different heat flux intensities, which allows the simultaneous determination of the thermal conductivity (λ) and volumetric heat capacity (ρc_p). The experimental apparatus consists of a resistive heater controlled by a power supply that generates a constant heat flux at the sample top surface. The bottom surface was isolated by expanded polystyrene plates and a thermocouple attached at the sample by capacitive discharge welding performs the temperature measurement. To calculate the temperature profile at the sample bottom temperature was used the finite difference method with implicit formulation. The square difference between the measured and calculated temperature was used as objective function and minimized through the BFGS (Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno) method. The sensitivity analyses based on the scaled sensitivity coefficient and the experimental residue permits to verify the simultaneous optimization feasibility and the parameter convergence to a real value. Based on this analysis two heat flux intensities were required: one of an increased intensity, which enhances the scaled sensitivity of thermal conductivity, and one of a less intensity, which regulates the scaled sensitivity of volumetric heat capacity. The stainless steel AISI A304 was used to verify the effectiveness of the method, through a comparison between the optimized and the reference thermal properties. Based on the results of this work it can be affirmed that the method is able to determinate the thermophysical properties simultaneously with low experimental error.