Medição de Densidade, Calor Específico e Condutividade Térmica em Líquidos baseada em Redes de Bragg

Nome: Renan Costa Lazaro
Tipo: Dissertação de mestrado acadêmico
Data de publicação: 25/05/2021
Orientador:

Nomeordem decrescente Papel
Arnaldo Gomes Leal Júnior Orientador
Carlos Eduardo Schmidt Castellani Co-orientador

Banca:

Nomeordem decrescente Papel
Anselmo Frizera Neto Examinador Interno
Arnaldo Gomes Leal Júnior Orientador
Carlos Alberto Ferreira Marques Examinador Externo
Carlos Eduardo Schmidt Castellani Coorientador

Resumo: O monitoramento de propriedades térmicas em líquidos é uma importante e complexa tarefa, amplamente aplicada em processos industriais. Em operações de processamento de óleo bruto, por exemplo, um monitoramento térmico ineficiente pode resultar em perdas financeiras e ambientais, uma vez que parâmetros como temperatura, viscosidade e condutividade térmica impactam diretamente na eficiência volumétrica de óleos. Nessas operações, sensores eletrônicos são frequentemente usados por possuírem baixo custo e serem amplamente comercializados. Apesar disso, este tipo de sensor associado a operações com óleos inflamáveis pode expor o ambiente de trabalho a riscos de explosão. Soluções ópticas, como sensores em fibra, vêm sendo largamente desenvolvidas, pois, além de serem intrinsecamente seguros, possuem ainda características como: imunidade à interferência eletromagnética, compacidade, capacidade de multiplexação e estabilidade química. Em medições térmicas, métodos estacionários e transientes são majoritariamente projetados para o uso de componentes alimentados por corrente elétrica. Apesar disso, alguns desses métodos, como o Modified transient plane source (MTPS), admitem modificações físicas em sua concepção, como por exemplo a troca de sensores não ópticos por sensores ópticos. Dentre os vários tipos de sensores ópticos térmicos, destacam-se as redes de Bragg em fibra (FBG, do inglês Fiber Bragg Gratings). Tal destaque se deve ao fato de as FBGs serem dispositivos de simples fabricação e linearmente dependentes da temperatura. Assim, este trabalho apresenta um sistema em fibra óptica para medição de densidade, calor específico e condutividade térmica em líquidos, baseado no método MTPS e nas FBGs. Para a tarefa, foi desenvolvida, a princípio, uma metodologia de caracterização de FBGs, que permite um controle automático dos equipamentos de coleta de dados, além da caracterização simultânea de várias FBGs. Em seguida, um sistema óptico de medição de densidade baseado em diafragmas é proposto. O sensor (com sensibilidade 0,025 nm/kPa) é construído a partir de duas FBGs, sendo uma delas embutida no diafragma e a outra, usada para compensar a variação de temperatura no líquido. Além disso, o material dos diafragmas (borracha nitrílica) é resistente à corrosão e químicamente estável, podendo ser aplicado em líquidos como o petróleo bruto. Para estimativas de calor específico e condutividade térmica, uma FBG (com sensibilidade 11,5 pm/oC e coeficiente de correlação R2 = 0, 9999) é utilizada em três experimentos, nomeados experimento no tanque, no Béquer e na proveta. As estimativas obtidas evidenciam a repetibilidade e reprodutibilidade do sistema, além da possibilidade de ajustes de acurácia através de uma constante de calibração. Por fim, são apresentadas análises da potência térmica e flexibilidade da metodologia, descrevendo a distribuição de calor nos experimentos e a possibilidade de adaptar a metodologia para construir um sistema de detecção de líquidos.

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