TCC 04 Kaciê corrigido pelo Prof André 02 3

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CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTÁCIO DO RECIFE 
ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
LUIZ BARTOLOMEU DE CARVALHO TAVARES 
 
 
 
 
 
 
 
DESENVOLVIMENTO DE UM BANHO TÉRMICO DE BAIXO CUSTO COM 
MATERIAIS RECICLÁVEIS PARA CONTROLE DE TEMPERATURA DE 
AMOSTRAS COM EFEITO MEMÓRIA DE FORMA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
RECIFE 
2020 
 
 
 
 
 
 CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTÁCIO DO RECIFE 
ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
 
 
 
LUIZ BARTOLOMEU DE CARVALHO TAVARES 
 
 
 
DESENVOLVIMENTO DE UM BANHO TÉRMICO DE BAIXO CUSTO COM 
MATERIAIS RECICLÁVEIS PARA CONTROLE DE TEMPERATURA DE 
AMOSTRAS COM EFEITO MEMÓRIA DE FORMA 
 
 
 
 
 
 
 
Trabalho e conclusão de curso apresentado a 
coordenação do curso de graduação em 
engenharia mecânica do centro universitário 
Estácio do Recife, como requisito parcial à 
obtenção do grau de bacharel em engenharia 
mecânica 
 
 
Orientador: Professor Fellipe S.S Virgolino 
 
 
 
 
 
RECIFE 
2020 
 
 
 
 
LUIZ BARTOLOMEU DE CARVALHO TAVARES 
 
 
 
DESENVOLVIMENTO DE UM BANHO TÉRMICO DE BAIXO CUSTO COM 
MATERIAIS RECICLÁVEIS PARA CONTROLE DE TEMPERATURA DE 
AMOSTRAS COM EFEITO MEMÓRIA DE FORMA 
 
 
 
 
Esta monografia foi julgada adequada como parte dos requisitos para a obtenção do título de 
Engenheiro Mecânico aprovada em sua forma final pela banca examinadora do Centro 
Universitário Estácio do Recife. 
 
 
Aprovado em____ de _______ de 2020 
 
 
 
BANCA EXAMINADORA 
 
 
 
__________________________________________ 
Professor Fillipi S.S. Virgolino 
Orientador 
 
 
 
__________________________________________ 
Examinador 
 
 
 
__________________________________________ 
Examinador 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dedico à toda minha Família, a esposa 
Edicleide Maria aos Meus filhos Piter 
Andersom, Raissa D’arc, João Paulo, 
Alexandre Francisco, Laura Maisa aos Netos, 
Luiz Pietro e Ana Lys, ao meu irmão 
Alexandre Carvalho, “in memorian” aos Meus 
Pais Paulo Tavares e Benedita Oliveira a minha 
Tia Madrinha Maria Wilma, Professores, 
amigos e a todos os Deuses e semi deuses 
existente no Universo paralelo que Radiam o 
bem. 
 
 
 
AGRADECIMENTOS 
 
 
 
Gostaria de agradecer, a todos os professores e autores dos livros e artigos que li e pesquisei e 
que de alguma forma ajudaram na realização deste trabalho. Agradeço também ao Centro 
Universitário Estácio Recife, assim também como seus docentes, por abrir-me as fronteiras do 
conhecimento. Meus agradecimentos em especial aos Professores: Fillipe Virgolino, Magno 
Felipe, Camila Fernandes, Kaciê Trindade, Antônio de Pádua, Rogerio Santiago, Leonardo 
Horta, Flávia Garret; Ao Professor do SENAI PE: Jair Ozi; Aos Professores do IFPE Instituto 
Federal de Pernambuco: Marivaldo Rosas, Paulo D”Avella, Perinaldo Severino Júnior, Luís 
Lavor Teles; ao Instrutor do CTC Centro de Trabalho e Cultura: Jurandy Miguel Lins; ao 
Professor de português André Mendonça, que, sempre disseram-me frases magnificas de 
orientação, que para mim, soava como se fosse “Joias Raras” para o meu processo de 
desenvolvimento e guardá-las-ei eternamente. 
 
 
 
 
 
RESUMO 
 
 
 
Os banhos térmicos são equipamentos cuja finalidade é aquecer e/ou resfriar um determinado 
liquido e mantê-lo a uma temperatura constante. Estes geralmente, são utilizados em aplicações 
laboratoriais de ensino e pesquisa para controle de processos físicos e químicos que são 
dependentes de temperatura, especialmente em regiões tropicais. Neste trabalho, foi 
desenvolvido um banho térmico simples e com materiais reaproveitados, com a finalidade de 
utilizá-lo em ensaios de resistividade de ligas com efeito memória de forma, o protótipo de 
banho térmico foi desenvolvido com um Gelágua em desuso que, após as devidas manutenções 
preventivas e corretivas, o mesmo foi reutilizado; peças de ar condicionado; resistência elétrica; 
recipiente plástico de 20 litros descartável; chuveiro comum de PVC residencial; conexões de 
PVC; tubulações de PVC reaproveitáveis; tubulações de alumínio e cobre que seriam destinados 
a Reciclagem; cerâmicas quebradas sem utilidades para a construção civil; fluido refrigerante 
R 134a, entre outros. Os resultados obtidos foram ideais e satisfatórios para o estudo com 
Tempo de aquecimento do fluido, saindo da temperatura ambiente de 28°C à 90°C em ± 17 
minutos e resfriamento do fluido, iniciando em 90°C para 27,9°C em 30 minutos. Com taxa de 
aquecimento de 3,65°C/min e taxa de resfriamento de 2,02°C/Min. Que torna o protótipo de 
banho térmico ideal para controle de temperatura de amostras com efeito memória de forma de 
liga NI-TI-CU (Niquel-Titanio-Cobre), que possuem temperaturas de transformação em faixas 
de 30 a 80°C. 
 
 
 
Palavras-chave: banho termostático, aquecimento, resfriamento, ligas com efeito 
memória de forma. 
 
 
 
 
ABSTRACT 
Thermal baths are equipment whose purpose is to heat and/or cool a certain liquid and keep it 
at a constant temperature. These are usually used in laboratory teaching and research 
applications for control of physical and chemical processes that are temperature dependent, 
especially in tropical regions. In this work was developed a simple thermal bath with reused 
materials, with the purpose of using it in tests of resistivity of alloys with form memory effect, 
the prototype of thermal bath was developed with A Gela water in disuse that, after the proper 
preventive and corrective maintenance the same was reused, air conditioning parts, electrical 
resistance, plastic container of 20 liters disposable , common shower of residential PVC, PVC 
connections, reusable PVC pipes, aluminum and copper pipes that would be destined for 
Recycling, broken ceramics without utilities for civil construction, refrigerant R 134a, among 
others. The results obtained were ideal and satisfactory for the study with fluid heating time, 
from room temperature from 28°C to 90°C in ± 17 minutes and fluid cooling, starting at 90°C 
to 27.9°C in 30 minutes. With heating rate of 3.65°C/min and cooling rate of 2.02°C/Min. That 
makes the thermal bath prototype ideal for temperature control of samples with NI-TI-CU alloy 
form memory effect, which have transformation temperatures in ranges of 30 to 80°C. 
 
Keywords: thermal bath, heating, cooling, alloys with form memory effect. 
 
 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
 
Figura 1: Exemplo de sistema fixo ........................................................................................... 14 
Figura 2: Exemplo de sistema móvel ....................................................................................... 15 
Figura 3: Ciclo de refrigeração ................................................................................................. 17 
Figura 4: Banho térmico comercial .......................................................................................... 21 
Figura 5: Representação esquemática da curva típica de transformação numa lmf. ................ 22 
Figura 6: Influência do cobre nas temperaturas de transformação inicial de ligas ni-ti-cu. ..... 23 
Figura 7 – Peças utilizadas para confecção do protótipo de banho térmico: (a) bebedouro que 
iria para descarte, (b) motor compressor, (c) condensador tipo fio de arame, (d) 
reservatório de água (evaporador), (e) expansor capilar, (f) motor agitador misturador, 
(g) acrílico retirado da tevê led para tampa de proteção do quadro comando, (h) tampa do 
sistema em bloco de 10 mm, (i) relés contatores de selo, retirado de unidades 
condensadoras de condicionador de ar que iria para descarte, (j) termômetro digital stc 
1000, (k) bomba d'agua retirada de máquina de lavar em desuso e (l) resistência elétrica.
 ........................................................................................................................................... 28 
Figura 8: Quadro comandoem bloco de 10 mm ...................................................................... 30 
Figura 9: Sistema auxiliar de troca de calor do fluido interno ................................................. 31 
Figura 10 – Realização de manutenção preventiva e corretiva nos equipamentos para sua 
utilização no projeto: (a) desmontagem do sistema, (b) e (c) pintura dos componentes. . 32 
Figura 11: Esquema elétrico de comando................................................................................. 33 
Figura 12 – (a) Sistema auxiliar de resfriamento de fluido externo, torre de resfriamento a 
base de cerâmica descartadas, (b) carga de fluido refrigerante no sistema de compressão a 
vapor e (c) protótipo montado. .......................................................................................... 34 
Figura 13: Ciclo de refrigeração do protótipo .......................................................................... 36 
Figura 14: Valores coletados no sistema de compressão a vapor. ........................................... 38 
Figura 15: Resultado do coeficiente de performance. .............................................................. 38 
Figura 16: Gráfico de resultado final ........................................................................................ 39 
Figura 17: Resultado de aquecimento d'água para temperatura máxima programada teste 01 40 
Figura 18: Resultado de aquecimento d'água para temperatura máxima programada teste 02 41 
Figura 19: Variação de temperatura de resfriamento 1ª situação. ............................................ 42 
Figura 20: Variação de temperatura de resfriamento 2ª situação. ............................................ 43 
Figura 21: Variação de temperatura de resfriamento 3ª situação. ............................................ 44 
 
 
Figura 22: Variação de temperatura de resfriamento 4ª situação. ............................................ 45 
Figura 23: Imagem para comparação de valores de banhos térmicos, (2020) ......................... 50 
 
 
 
 
 
LISTA DE TABELAS 
 
Tabela 1: Materiais versus custo .............................................................................................. 35 
Tabela 2: Analise de Ciclo........................................................................................................ 37 
 
 
 
SUMÁRIO 
1. INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 12 
2. OBJETIVO ..................................................................................................................... 13 
2.1. Objetivo Geral ............................................................................................................ 13 
2.2. Objetivos Específicos ................................................................................................ 13 
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................. 14 
3.1. Termodinâmica .......................................................................................................... 14 
3.1.1. Sistema termodinâmico .......................................................................................... 14 
3.1.2. Volume e controle. ................................................................................................. 15 
3.1.3. Fase, Propriedade e estado ..................................................................................... 15 
3.1.4. Primeira Lei da Termodinâmica (conservação de energia) .................................... 16 
3.1.5. Primeira Lei para sistemas fechados ...................................................................... 16 
3.1.6. Ciclo de refrigeração por compressão a vapor ....................................................... 17 
3.2. Transferência de Calor ............................................................................................... 17 
3.2.1. Condução ................................................................................................................ 18 
3.2.2. Convecção .............................................................................................................. 18 
3.2.3. Radiação ................................................................................................................. 19 
3.2.4. Resistência Elétrica ................................................................................................ 19 
3.2.5. Lei de Ohm ............................................................................................................. 20 
3.3. Banho termostático .................................................................................................... 20 
3.3.1. Efeito memória de forma........................................................................................ 21 
4. METODOLOGIA ........................................................................................................... 24 
4.1. Desenvolvimento ....................................................................................................... 24 
4.2. Etapas do projeto ....................................................................................................... 24 
4.3. Carga térmica ............................................................................................................. 25 
4.4. Componentes utilizados ............................................................................................. 25 
4.4.1. Reservatório de água .............................................................................................. 25 
4.4.2. Relés contatores...................................................................................................... 26 
4.4.3. Misturador de fluido ............................................................................................... 26 
4.4.4. Fonte de alimentação .............................................................................................. 26 
4.4.5. Resistência elétrica ................................................................................................. 26 
4.4.6. Termômetro digital ................................................................................................. 27 
4.4.7. Sistema de arrefecimento do Fluido interno .......................................................... 27 
4.4.8. Motor compressor .................................................................................................. 27 
4.4.9. Condensador ........................................................................................................... 27 
 
 
4.4.10. Expansor ................................................................................................................. 27 
4.4.11. Sistema de arrefecimento de fluido externo ........................................................... 27 
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................................................. 28 
5.1. Montagem do reservatório ......................................................................................... 28 
5.2. Testes ......................................................................................................................... 37 
5.2.1. Testes iniciais. ........................................................................................................ 37 
5.2.2. Software Cool Pack ................................................................................................ 37 
5.3. Aquecimento .............................................................................................................. 40 
5.3.1. Aquecimento do Fluido, (Teste 01)........................................................................ 40 
5.3.2. Aquecimento do fluido, (Teste 02) ........................................................................ 41 
5.4. Resfriamento ..............................................................................................................41 
5.4.1. Resfriamento do fluido, (Teste 01) ........................................................................ 41 
5.4.2. Resfriamento do fluido, (Teste 02) ........................................................................ 42 
5.4.3. Resfriamento do fluido, (Teste 03) ........................................................................ 43 
5.4.4. Resfriamento do fluido, (Teste 04) ........................................................................ 44 
6. CONCLUSÃO ................................................................................................................ 46 
6.1. Sugestões e melhorias para trabalhos futuros ............................................................ 47 
7. REFERÊNCIAS ............................................................................................................. 48 
8. ANEXOS ........................................................................................................................ 50 
8.1. Imagem para comparação de valores de banhos térmicos comerciais e o protótipo 
desenvolvido. ............................................................................................................................ 50 
12 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
Temperatura é a segunda maior grandeza controlada depois do Tempo. Os processos de 
reações químicas são no geral dependentes de temperatura, portanto, os Banhos Térmicos, 
mesmo que seja muito simples, tornam-se fundamentais e indispensáveis ferramentas para 
Laboratório, para o ensino e Campo de pesquisas; dados tabelados em compêndios e manuais, 
grande parte dessas informações são obtidos pela comparação e controle de temperaturas. 
Portanto, neste trabalho foi desenvolvido um banho térmico para ensaios mecânicos em 
laboratório de reduzido tempo para aquecimento e resfriamento entre as faixas de 28° a 90° 
Celsius. Construído com materiais recicláveis: peças de ar condicionado; resistência elétrica; 
recipiente plástico de 20 litros descartável; chuveiro comum de PVC residencial; conexões de 
PVC; tubulações de PVC reaproveitáveis; tubulações de alumínio e cobre que seriam destinados 
a Reciclagem; Gelágua; cerâmicas quebradas sem utilidades para a construção civil; fluido 
refrigerante R 134a, entre outros. Com a finalidade de incentivar a pesquisas e desenvolver a 
curiosidade em produzir banhos térmicos de baixo custo. Pois, o custo para compra de banhos 
térmicos comercial, é muito elevado, dificultando a aquisição de instituições públicas e 
privadas, que em muitos casos tem verbas reduzidas para compra de tecnologia. O preço de 
uma unidade de banho térmico no mercado atualmente custa em torno de R$ 4.791,60 a R$ 
34.237,46 Valores dos banhos térmicos referentes as suas faixas de temperatura de trabalho. 
LOJANETLAB, (2020) 
 
 
 
 
 
13 
 
2. OBJETIVO 
 
2.1. Objetivo Geral 
Desenvolver um protótipo de banho térmico de baixo custo com controle de temperatura 
entre as faixas de 28° a 90° Celsius, com capacidade de refrigeração de 250 W e aquecimento 
de 850 W e com reservatório de volume de até 3 litros. 
 
2.2. Objetivos Específicos 
• Determinar cargas térmicas de aquecimento e resfriamento do sistema, contemplando 
taxas de transferência, aquecimento e resfriamento. 
• Desenvolvimento de protótipo de banho térmico, contando com sistema de resfriamento 
por meio de ciclo de compressão a vapor, e aquecimento por meio de resistência elétrica. 
• Construção do protótipo, juntamente com sistema manual de controle e medição de 
temperatura por Termômetro digital. 
• Avaliação, analise e observação do experimento desenvolvido, visando avaliar 
condições transitórias e de estabilidade de temperatura. 
 
14 
 
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 
 
Será descrito uma breve revisão bibliográfica e teórica sobre banhos térmicos 
comerciais, sistema de controle, e fundamentos de transferência de calor e mecânica dos fluidos. 
 
3.1. Termodinâmica 
Termodinâmica é uma palavra derivada dos radicais gregos thermes (calor) e dynamis 
(movimento), que transmite a ideia de movimento obtido através do calor. (CARVALHO 
FILHO, 2018, p. 16). 
Segundo Van Wylen, (2012, p. 3). “A Ciência da Energia e da Entropia” ou “a Ciência 
que trata do Calor, do Trabalho e das Propriedades das Substâncias relacionadas ao Calor e ao 
Trabalho.” Segundo Sonntag et al., (2003, p. 567). A termodinâmica estuda os materiais em 
suas diversas fases como sólido, líquido e gasoso, com o objetivo de transformar um tipo de 
energia em outra. Conforme mencionado, termodinâmica é a ciência que trata das interações 
por transferência e variações de energia, bem como realização de trabalho, sendo que as análises 
são realizadas para uma região de interesse denominada como sistema. 
 
3.1.1. Sistema termodinâmico 
Segundo Carvalho Filho (2018) no sistema fechado, ou sistema simples, existe uma 
fronteira que permite trocas de energia, mas não de matéria, entre o sistema e sua 
vizinhança. Toda região externa ao sistema e chamada de vizinhança. O que delimita o sistema 
e a vizinhança é chamado fronteira do sistema. Os sistemas termodinâmicos fechados, podem 
ser: fixo ou móvel. 
Figura 1: Exemplo de sistema fixo 
 
Fonte: Carvalho Filho, (2018) 
15 
 
Figura 2: Exemplo de Sistema móvel 
 
Fonte: Carvalho Filho, (2018) 
 
O sistema fechado é definido por possuir massa fixa, porém existe a possibilidade de 
transporte de energia e realização de trabalho com o meio externo. 
 
3.1.2. Volume e controle. 
Diferentemente, um volume de controle, ou sistema aberto, é uma região de interesse 
no espaço na qual pode haver transporte de massa, calor e trabalho. Esta abordagem é mais 
adequada para condições com fluxo de massa através de uma região de interesse, onde a 
identificação e avaliação de interações de uma porção específica de massa se torna inviável, 
como em máquinas de fluxo. 
 
3.1.3. Fase, Propriedade e estado 
Ainda Segundo Carvalho Filho, (2018) são classificados: 
• Fase: É uma quantidade de matéria completamente homogênea, Exemplo fases 
sólido, líquido e gasoso, estas se separam entre si por meio das fronteiras de 
fases. 
• Estado: O estado de um sistema é definido pelos valores de suas propriedades 
macroscópicas observáveis. 
 
Massa, Temperatura, Pressão, Densidade. 
16 
 
• Propriedades: É uma determinada característica de um Sistema, em um dado 
estado para qual determinados valores numéricos podem ser atribuídos a fim de 
descrever o sistema. Independentemente de como a substância chegou a 
determinado estado. 
Exemplo: Pressão, Volume específico e temperatura. 
As propriedades podem ser extensivas e intensivas. 
• Extensiva: Podem ser contadas e cujo valor para todo sistema é a soma dos 
valores das diferentes partes do sistema, são dependentes de extensão do sistema 
e simbolizada por letras Maiúscula. 
Ex: Volume, Massa. 
• Intensiva: Propriedades que são independentes do tamanho (massa ou volume) 
do sistema, são normalmente simbolizadas por letras minúsculas. 
Ex: densidade, temperatura. 
 
3.1.4. Primeira Lei da Termodinâmica 
A Primeira Lei da Termodinâmica quantifica as transferências de energia em forma de 
calor e de trabalho, variando a energia do sistema que está sendo analisada. Toda forma de 
energia não pode ser criada ou destruída, a energia só pode ser convertida ou transferida de um 
corpo para outro, podendo ser a energia interna, cinética e potencial. Sendo assim de modo 
geral, as leis físicas são estabelecidas para sistemas fechados, e a formulação matemática para 
sistemas abertos deve ser modificada para contemplar efeitos de entrada e saída de massa. 
 
3.1.5. Primeira Lei para sistemas fechados 
A primeira Lei enuncia que a energia total do sistema deve ser conservada, e 
consequentemente, a única forma na qual a quantidade de energia em um sistema pode mudar 
é se a energia cruzar sua fronteira. A primeira lei também indica asformas nas quais a energia 
pode cruzar as fronteiras de um sistema. Para um sistema fechado (uma região de massa fixa) 
há somente duas formas: “transferência de calor através da fronteira e trabalho realizado pelo 
ou no sistema” (INCROPERA, 2008, p. 09), levando ao enunciado da primeira lei da 
termodinâmica para sistemas fechados: 
17 
 
𝐸 = 𝑄 − 𝑊 (1) 
Onde “E” é a taxa de variação da energia do sistema, contemplando parcela de energia 
interna, cinética e potencial, “Q” é a taxa de transferência de calor para o sistema em análise, e 
“W” é a taxa de realização de trabalho do sistema sobre o meio externo. 
 
3.1.6. Ciclo de refrigeração por compressão a vapor 
Processos realizado por um sistema realizando trabalho, Transferência de calor, 
variando pressão e temperatura e retornando ao seu estado inicial. Os processos que ocorrem 
em um sistema são chamados: 
• Processo isotérmico: No processo isotérmico, a temperatura do sistema é constante; 
• Processo isobárico: No processo isobárico a pressão do sistema é constante; 
• Processo isovolumétrico: No processo isovolumétrico ocorre a volume constante do 
sistema, esse processo também é chamado de processo isocórico; 
• Ciclo Termodinâmico: Quando um sistema, em um dado estado inicial, passa por 
vários processos sequenciais alternativos e retorna ao estado inicial, diz-se que o 
sistema percorreu um ciclo. (CARVALHO FILHO, 2018) 
 
Figura 3: Ciclo de refrigeração 
 
Fonte: (2020) www.leonardo-energy.org.br 
3.2. Transferência de Calor 
A transferência de calor ocorre quando dois ou mais corpos que estão em temperaturas 
diferentes são colocadas em contato ou em um mesmo local, fazendo com que a energia 
térmica seja transferida de uma região para outra, (BENNETT e MYERS, 2008) sempre da 
18 
 
região de maior temperatura para a região de menor temperatura. Portanto, transferência de 
calor pode ocorrer através de condução, convecção e radiação térmica. 
 
3.2.1. Condução 
“A condução pode ser vista como transferência de energia das partículas mais 
energéticas para as menos energéticas de uma substância devido a interação entre partículas” 
(INCROPERA, 2008, p. 03). A formulação de um modelo matemático proposto através de 
observações experimentais da transferência de calor por condução, conhecida com a Lei de 
Fourier, que diz que o fluxo de calor q (W/m²) é proporcional ao gradiente de temperatura, 
conforme a seguinte relação para materiais isotrópicos: 
 
𝑞 = −𝐾𝑉𝑇 (2) 
 
Onde a constante de proporcionalidade k (W/m.K) corresponde a condutividade 
térmica, que depende do tipo de material e do estado termodinâmico. Para materiais 
anisotrópicos, k é um tensor. O sinal negativo indica que o fluxo de calor ocorre da região de 
temperatura mais elevada para a região de menor temperatura. Assim, quanto maior o valor de 
k, melhor condutor de calor é o material. 
 
3.2.2. Convecção 
É o modo de transferência de calor em que há movimento líquido da matéria, 
correspondendo a escoamento de fluido. Portanto, a transferência de calor se dá tanto em escala 
molecular devido a gradiente de temperatura ao longo do fluido, quanto devido ao transporte 
de energia térmica devido ao deslocamento de massa. “O Modo de transferência de calor por 
convecção abrange dois mecanismos. Além de transferência de energia devido ao movimento 
molecular aleatório (difusão), a energia também é transferida através do movimento global”. 
(INCROPERA, 2008). 
 
𝑄 = ℎ. 𝐴. (𝑇𝑠 − 𝑇∞ (3) 
 
19 
 
A equação 3 é denominada como lei de resfriamento de Newton. O termo h (W/m².K) 
é definido como coeficiente de transferência de calor, que depende de propriedades do fluido, 
da geometria e do perfil de velocidades do escoamento próximo a superfície do corpo. 
 
3.2.3. Radiação 
Radiação, em relação a transmissão de calor, consiste no transporte de energia por meio 
de ondas eletromagnéticas. As ondas eletromagnéticas propagam-se no vazio à velocidade da 
luz (82.998 10c= × m/s) e, assim, a radiação, ao contrário da condução e da convecção, não 
necessita de um meio material para que a transferência de energia se efetue. “A radiação térmica 
corresponde à radiação eletromagnética emitida por um corpo como resultado da sua 
temperatura”. (P.J. OLIVEIRA, 2014), Lei de Stefan-Boltzmann, dá o fluxo radiante total 
emitido por um corpo ideal, designado por corpo negro, que absorve toda a radiação incidente 
e emite o máximo de radiação possível: 
Eɓ = σ 𝑇^4 
Onde: 
Eɓ - poder emissivo do corpo negro (
𝑊
𝑚2
); 
σ - constante de Stefan-Boltzmann σ = 5.670 ∗ 10−8[
𝑊
(𝑚2∗𝑘4)
]; 
T – Temperatura Absoluta (K) 
 
3.2.4. Resistência Elétrica 
Resistência elétrica é uma qualidade física da matéria para resistir ao fluxo livre de perda 
de uma corrente elétrica através dele. A resistência elétrica está relacionada com o transporte e 
a conversão de energia elétrica em outros tipos de energia. (TRANSLATORES, 2020) 
Quando a conversão de energia elétrica em energia térmica é irreversível, falamos de 
resistência. 
 
20 
 
3.2.5. Lei de Ohm 
A resistência pode ser representada pela letra R ou r, e é considerada uma constante para 
um determinado condutor dentro de limites específicos. (TRANSLATORES, 2020) Ela pode 
ser encontrada na equação 4. 
 
𝑅 = 𝑈/𝐼 (4) 
 
Onde: 
R é a resistência medida em ohms (Ω); 
U é a diferença de potencial ou de tensão entre as extremidades do condutor, medida em volts 
(V); 
I é a corrente elétrica que corre entre as extremidades do condutor, medida em amperes (A). 
 
Há uma outra lei importante que descreve a descarga de energia de calor quando a 
corrente elétrica passa através de um condutor. Esta lei é conhecida como a primeira lei de Joule 
e expressa na equação (5). 
 
𝑄 = 𝐼² · 𝑅 · 𝑡 (5) 
 
Onde: 
Q é a quantidade de calor descarregado durante um determinado tempo t, em que a energia é 
medida em joules (J); 
 
3.3. Banho termostático 
O banho termostático usado em laboratórios tem a função de aquecer diversos tipos de 
substâncias que não podem ser manipuladas diretamente em alguma chama ou necessitam de 
um aquecimento vagaroso e homogêneo. Diferentemente de banhos normais, o banho 
termostático é utilizado para controlar com precisão a temperatura. (Blog Prolab, 2020- 
21 
 
www.prolab.com.br/blog/blog/banho-termostatico-conheca-sua-funcao-e-seus-diferentes-
tipos/) 
Figura 4: Banho Térmico comercial 
 
Fonte: Blog Prolab (2020) www.prolab.com.br 
3.3.1. Efeito memória de forma 
O efeito de memória de forma está associado a mudanças de fases em ligas metálicas 
que possuem propriedades particulares. Sabe-se que o efeito de memória se deve a mudanças 
de estruturas no estado sólido e ocorrem durante certa variação de temperatura, como observado 
por Otsuka e Ren (2005). Quando deformadas plasticamente e sujeitas a um carregamento 
térmico apropriado, as LMF demonstram a capacidade de recuperar a forma anterior à 
deformação introduzida ou de gerar grandes forças de restituição caso restringindo seu retorno 
de forma. Essa propriedade está associada a uma transformação de fase no estado sólido, 
dependente da temperatura, do tipo martensítica termoelástica (OTSUKA & WAYMAN, 
1998). 
A transformação também apresenta histerese que é um deslocamento da temperatura em 
que se tem o início da transformação mastensítca (Ms) e o início da transformação austenítica 
(As). Devido a isso, a histerese é dada pela diferença entre a temperatura onde se tem 50% de 
fração transformada de austenita (A50) e a temperatura de 50% de fração transformada de 
martensita (M50), ou seja, A50-M50. Normalmente, a histerese das transformações 
martensíticas termoelásticas situam-se entre 5ºC a 30ºC que varia com a composição química e 
o tipo de estrutura cristalina das ligas (DUERIG et al,1990). 
 
Na Figura abaixo, são apresentados os principais pontos das transformações que são 
definidos como sesegue: 
• Ms: Temperatura de início da transformação martensítica; 
22 
 
• Mf: Temperatura de término da transformação direta; 
• As: Temperatura de início da transformação austenítica; 
• Af: Temperatura de térmico da transformação inversa; 
• Ht: Histerese térmica da transformação (Ht = Af50% – Ms50%). 
 
Figura 5: Representação esquemática da curva típica de transformação numa LMF. 
 
Fonte: Mercier & Melton (1979). 
A transformação de austenita em martensita começa na ausência de tensão, em uma 
temperatura conhecida como a temperatura inicial da martensita (Ms). A transformação 
continua a se desenvolver com a temperatura decrescendo até a temperatura final da martensita 
(Mf) ser alcançada. Quando a LMF é aquecida da fase martensita na ausência de tensão, a 
transformação reversa (martensita para austenita) começa na temperatura inicial da austenita 
(As), e após atingir a temperatura final da austenita (Af), o material é completamente austenita. 
Existe muitas vezes uma histerese entre as regiões de transformação As para Af e Ms para Mf, 
que é devida à energia irreversivelmente dissipada sob a forma de atrito interno durante a 
transformação. A transformação austenita vai sempre terminar em uma temperatura maior que 
a transformação martensita (Af>Mf) (QIDWAI et al.,2000; LAGOUDAS et al., 1996; 
OTSUKA & REN, 2005; (KOHL, 2010). 
O efeito causado pelo cobre quando incrementado, provoca efeitos nas temperaturas de 
transformação, como verificado na Figura abaixo. 
 
23 
 
Figura 6: Influência do Cobre nas Temperaturas de Transformação inicial de ligas Ni-Ti-Cu. 
 
Fonte: Mercier & Melton (1979). 
 
Nas ligas 50%at.-xNi-50%at.Ti-Cux uma fração de níquel é substituída pelo cobre. 
Assim, essa substituição afeta o comportamento da transformação e as características de 
memória de forma (SABURI, 1998). A principal características dessas ligas de NI-TI-CU é que 
as mesmas possuem temperaturas de transformação em faixas de 30 a 80°C que é ideal para 
teste do banho que foi desenvolvido neste trabalho. 
 
24 
 
4. METODOLOGIA 
 
4.1. Desenvolvimento 
Descrição do projeto. Desenvolvimento e construção de um protótipo de Banho Térmico 
para este estudo. 
4.2. Etapas do projeto 
Conforme descrito anteriormente, pretende-se desenvolver um banho térmico de 
reduzido tempo para aquecimento e resfriamento, para manter a temperatura do Fluido em 
valores constantes. Pode-se listar os seguintes requisitos para o sistema: 
• Máxima temperatura de 90 °C. 
• Mínima temperatura de 28 °C. 
• Tempo para aquecimento da temperatura mínima para máxima em 30 minutos, e 
temperatura máxima para temperatura mínima de resfriamento em 30 minutos. 
• Capacidade do reservatório de água três litros. 
• Operação com água. 
• Aquecimento realizado por resistência elétrica alimentada pela rede elétrica com 
corrente alternada 220V, 60 Hz, controlada por relé de estado sólido com controle de 
acionamento manual. 
• Resfriamento promovido por sistema de compressão a vapor, controlado por relé de 
estado sólido com controle de acionamento manual. 
• Medição de temperatura através de termômetro digital. 
• Circulação forçada do fluido, promovida por agitador misturador. 
• Sistema auxiliar de troca de calor do fluido aquecido, por circulação em tubo de 
alumínio imerso em água movido por auxilio de bomba d’agua. 
• Resfriamento do fluido externo condução forçada por bomba, e utilização de torre de 
resfriamento a base de cerâmicas recicladas. 
Portanto, partir da listagem dos requisitos do Protótipo, pode-se avaliar as cargas 
térmicas de aquecimento e resfriamento. 
25 
 
4.3. Carga térmica 
Considerando que o volume estabelecido no projeto é de 3 litros, a temperatura máxima 
desejada Tmáx de 90 °C e mínima desejada Tmín de 28°C, a máxima quantidade de calor 
retirada deste sistema é: 
 
𝑄 = 𝑚. 𝑐. (𝑇𝑚𝑎𝑥 − 𝑇𝑚𝑖𝑛) (6) 
 
Resultado = 779.340 J 
Onde m é a massa de líquido, e c representa o calor específico da água, assumido como 
sendo aproximadamente 4190 J/kg.K. A partir desta análise, conclui-se que 779.340 J devem 
ser removidos do sistema. Assim, a taxa de remoção de calor do sistema para resfriar o 
reservatório em um intervalo t de 30 minutos, ou seja, 1800 segundos, pode ser estimado 
conforme a seguinte relação: 
 
𝑃 =
𝑄
∆𝑡
 
(7) 
 
Resultando em ±433 W. 
Para o caso de aquecimento, caso seja considerado que o valor do calor específico seja 
o mesmo, a taxa de energia necessária para aquecer de Tmín a Tmáx em 30 minutos é também 
de ±433 W. 
Portanto, para o presente Protótipo assume-se que a carga térmica dominante é a de 
aquecimento ou resfriamento, sendo que a carga térmica correspondente a transferência de calor 
entre o líquido e o ambiente é desprezível. (LIENHARD, 2015) 
 
4.4. Componentes utilizados 
4.4.1. Reservatório de água 
O objeto utilizado como reservatório no protótipo foi uma cuba cilíndrica de aço 
inoxidável com as seguintes medidas: 
26 
 
• Diâmetro: 20 cm 
• Raio: 10 cm 
• Altura: 12 cm 
• Espessura das chapas de aço: 0,6 mm 
• Volume Total: ± 3,7 L 
 
4.4.2. Relés contatores 
Um sistema de travamento de relés foi utilizado com uso de sistema manual de botão 
liga, onde seu funcionamento se dá com o fechamento e abertura do circuito, por corrente 
elétrica, quando a corrente elétrica percorre as espirais da bobina do relé, gera um campo 
magnético, o que provoca uma força de Atração responsável pela mudança de estado dos 
contatos, abrindo ou fechando a passagem de corrente elétrica. Dessa forma, o relé serve para 
ligar ou desligar dispositivos. Neste projeto foram utilizados dois relés contatores para controlar 
as ciclo de compressão a vapor e a resistência elétrica. 
 
4.4.3. Misturador de fluido 
Foi utilizado um misturador de Fluido de água que atua fazendo a uniformização da 
temperatura da água através da agitação constante da mesma, possibilitando uma melhor troca 
de calor entre a água, a unidade de ciclo de compressão a vapor e ou resistência elétrica. 
 
4.4.4. Fonte de alimentação 
Neste projeto, a fonte de alimentação de tensão utilizada para fornecer energia elétrica 
alternada de 220V / 60Hz para fornecer energia elétrica para o funcionamento do protótipo. 
 
4.4.5. Resistência elétrica 
Uma resistência elétrica (ebulidor) foi utilizada para o aquecimento da água, com 
potência máxima de 850 W e com tensão de alimentação de 220 V a 60Hz. 
 
27 
 
4.4.6. Termômetro digital 
Termômetro digital com graduação de temperatura entre – 30°C a 100° C. 
 
4.4.7. Sistema de arrefecimento do Fluido interno 
Sistema auxiliar de troca de calor do Fluido aquecido no reservatório, por circulação em 
tubo de Alumínio imerso em água movido por auxilio de Bomba d’agua. 
 
4.4.8. Motor compressor 
O compressor hermético de refrigeração tem como função succionar o fluido e 
comprimi-lo, provocando o aumento de pressão e temperatura do fluido na fase de vapor. 
 
4.4.9. Condensador 
Tem como finalidade rejeitar o calor recebido pelo fluido refrigerante durante sua 
passagem no evaporador para o ambiente externo que não provoque desconforto térmico. 
 
4.4.10. Expansor 
Tem por finalidades provocar a perda de pressão do refrigerante, que é acompanhada de 
um decréscimo de temperatura, desde a pressão de condensação até a pressão de evaporação e 
dosar a vazão de refrigerante que circula no reservatório evaporador. 
 
4.4.11. Sistema de arrefecimento de fluido externo 
Tem como finalidade resfriar o Fluido externo com circulação forçada e troca de calor por 
torre de resfriamento. 
 
28 
 
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES 
5.1. Montagem do reservatório 
O protótipo de banho térmico, foi desenvolvido com diversos materiais reaproveitáveis, 
como: peça de um bebedouro, peças de centrais de ar, materiais elétricos usados, televisão led, 
prateleiras de guarda roupas, tubos e conexões de PVC, peças de máquinade lavar, tubos de 
cobre e alumínio, que iria para descarte. Esses materiais são mostrados na figura 5. 
Figura 7 – Peças utilizadas para confecção do protótipo de banho térmico: (a) Bebedouro que iria para 
descarte, (b) Motor compressor, (c) Condensador tipo fio de arame, (d) Reservatório de água 
(Evaporador), (e) Expansor capilar, (f) Motor agitador misturador, (g) Acrílico retirado da Tevê led 
para tampa de proteção do quadro comando, (h) Tampa do sistema em Bloco de 10 mm, (i) Relés 
contatores de selo, retirado de unidades condensadoras de condicionador de ar que iria para descarte, 
(j) Termômetro digital STC 1000, (k) Bomba d'agua retirada de máquina de lavar em desuso e (l) 
Resistência elétrica. 
 
(a) (b) (c) 
 
 
 
 
 
 
(d) (e) (f) 
29 
 
 
(g) (h) (i) 
 
 
 
 
(j) (k) 
 
 
 
 
 
(l) 
Fonte: elaborada pelo o Autor 
30 
 
Além dos componentes mostrados na figura 6, também foi utilizado um quadro de 
comando mostrado na mesma figura. A base do quadro de comando elétrico foi desenvolvida 
com prateleiras de guarda roupas que seria descartada. 
 
Figura 8: Quadro Comando em Bloco de 10 mm 
 
 
Fonte: elaborada pelo o Autor 
 
 
31 
 
O sistema auxiliar de troca de calor do fluido interno aquecido no reservatório, foi 
produzido, utilizando Tubulações de PVC de ¾; Conexões de PVC de ¾; Válvulas de controle 
manual de fluido em PVC de ¾; Bomba d’agua de Máquina de Lavar reaproveitada; recipiente 
plástico de 20 Litros reciclável; tubulação de alumínio e cobre que iriam para reciclagem. As 
montagens dos componentes foram realizadas conforme figura 08, saída do recipiente interno 
através de tubo de PVC, válvula de controle de fluido e conectada a bomba d’água, onde feita 
um furo no recipiente externo de 25mm para adição de conexão, em seguida foi utilizado uma 
redução de em PVC de 25mm para 20 mm, para conectar a tubulação de alumínio em espiral 
de espessura de ½ polegada e retornando ao recipiente interno Completando o ciclo. 
Onde, o funcionamento do sistema auxiliar será por abertura da Válvula de controle do 
fluido e por gravidade a água chega até a bomba d’agua , que será acionada por controle manual, 
forçando a circulação da água aquecida por um tubo de Alumínio imerso em água em 
temperatura ambiente, portanto a água do recipiente interno que está com maior temperatura 
vai ceder calor a água do recipiente externo de menor temperatura, retornando ao recipiente 
interno com temperatura reduzida, concluindo o Ciclo. conforme mostrado na figura 07. 
 
Figura 9: Sistema auxiliar de troca de calor do fluido interno 
 
Fonte: elaborada pelo o Autor 
 
 
32 
 
Procedimentos de manutenções Preventiva e corretiva do sistema. O Bebedouro 
Gelágua foi desmontado em partes conforme figura (a), foram realizadas manutenções 
preventivas com lavagem do sistema, condensador, evaporador e bases. Em seguida foi 
realizada lavagem dos sistemas de condensação e evaporação com utilização do Fluido R141b 
para remoção de impurezas e resíduos de óleos, foi substituído o óleo do motor compressor, em 
seguida o condensador e o motor compressor receberam uma Pintura em Zarcão para proteção 
contra corrosão, Foi adicionado ao Motor compressor calços de borracha para evitar Vibrações 
mecânicas no sistema, conforme figura (b). O sistema da base de sustentação do sistema de 
compressão a vapor recebeu uma pintura em tinta óleo para proteção de estrutura metálica, 
lubrificação de parafusos, encaixes, foi adicionados conjunto de calços de Borracha tipo 
podium, conforme figura (c). Mostradas na figura 08 
Figura 10 – Realização de manutenção preventiva e corretiva nos equipamentos para sua utilização no 
projeto: (a) desmontagem do sistema, (b) e (c) pintura dos componentes. 
 
 
 
(a) (b) (c) 
Fonte: elaborada pelo o Autor 
 
 
33 
 
Procedimentos de ligação do comando manual elétrico em 220 volts, a montagem do 
sistema seguiu os seguintes passos: com a fonte da alimentação do sistema desligado, uma das 
fases (fase 1) foi conectada a bobinas A2, dos relés de comando K1 (resistência elétrica) e K2 
sistema de compressão a vapor). Em seguida, a (fase 2) foi conectado a um disjuntor de proteção 
de 10 Amperes, que foi conectado aos contatos auxiliares dos relés K1 e K2. Sendo que, a 
alimentação da bobina A1 de K1, para que haja proteção do sistema por intertravamento deverá 
passar pelo contato auxiliar fechado (1 e 2) de K2, e alimentação da bobina de A1 de K2 para 
que haja proteção do sistema por intertravamento deverá passar pelo contato auxiliar fechado 
(1 e 2) de K1. 
Assim, quando acionado manualmente o interruptor de K1 (resistência elétrica) a tensão 
elétrica passará pelos contatos auxiliares normalmente fechados (1 e 2) da Bobina K2 e acionará 
a bobina A1 de K1, onde, os contatos abertos (3 e 4) de K1 se fecham acionando a resistência 
elétrica e os contatos fechados (1 e 2) de K1 se abrem, evitando que a bobina A1 de K2 seja 
acionada. 
No entanto, para acionar K2 (sistema de compressão a vapor), será necessário desligar 
manualmente o interruptor de K1 (resistência elétrica). 
Após desligamento manual de K1, poderá ser acionado o interruptor de K2 (sistema 
de compressão a vapor) a tensão elétrica passará pelos contatos auxiliares normalmente 
fechados (1 e 2) da Bobina K1, e acionará a bobina A1 de K2, onde, os contatos abertos (3 e 4) 
de K2 se fecham acionando o sistema de compressão a vapor, e os contatos fechados (1 e 2) de 
K2 se abrem, evitando que a bobina A1 de K1 seja acionada. Mostrado na figura 09 
Figura 11: Esquema elétrico de Comando 
 
Fonte: Adaptado (2020-Aton Elétrica) 
34 
 
Sistema Auxiliar de resfriamento do Fluido externo, desenvolvido com material 
recicláveis e reutilizáveis conforme Figura (a). O sistema de resfriamento do fluido interno, 
após acionado o comando manual, o mesmo entrará em funcionamento, circulando o fluido 
aquecido pela tubulação de alumino imerso no fluido externo o fluido aquecido irá ceder calor 
com o fluido externo, o mesmo aquece, sendo assim, é acionado o comando manual da Bomba 
d’agua do fluido externo que circula o fluido externo através da tubulação de PVC até o 
chuveiro que distribui a água aquecida em diversos pontos da cerâmica na 1ª etapa da torre de 
resfriamento, que absorve o calor da água e em seguida, a água é distribuída na cerâmica da 2ª 
etapa da torre de resfriamento e retornando ao balde com temperatura da água reduzida 
completando o ciclo. 
Carga de fluido refrigerante no sistema, figura (b) após realização de manutenções 
preventivas e corretiva o sistema foi montado, realizado o vácuo no sistema de compressão a 
vapor e adicionado carga de fluido refrigerante R134A. 
Protótipo montado para funcionamento, figura (c). Mostrada na figura 10 
Figura 12 – (a) Sistema auxiliar de resfriamento de Fluido externo, torre de resfriamento a base de 
cerâmica descartadas, (b) Carga de Fluido refrigerante no sistema de compressão a vapor e (c) 
protótipo montado. 
 
(a) (b) 
 
 
(c) 
 
 
Fonte: elaborada pelo o Autor 
 
35 
 
 
Foi criada uma tabela de valores, que mostra o custo mínimo para construção do 
protótipo, e que em relação a valores dos banhos térmicos produzidos comercialmente, o valor 
gasto chega a ± 4% do Banho térmico de menor valor. Mostrado na tabela 01 
Tabela 1: Materiais versus custo 
 
Fonte: elaborada pelo o Autor 
 
Ciclos e processos: esse ciclo está composto por dois processos isotérmicos e dois processos 
adiabáticos. 
Processo 1-2: o refrigerante é comprimido adiabaticamente, aumentando a temperatura e a 
pressão. 
36 
 
Processo 2-3: o refrigerante é resfriado isotermicamente por um condensador à pressão 
constante. 
Processo 3-4: há uma expansão do refrigerante, em que a temperatura e pressão diminuem. 
Processo 4-1: o refrigerante é parcialmente evaporado à temperatura e pressão constante.Portanto: 
1: Saindo do evaporador até a entrada do compressor, liquido + vapor a baixa pressão. 
2: Saindo do compressor até a entrada condensador, vapor a alta pressão. 
3: Saindo do condensador até a entrada expansor, liquido a alta pressão. 
4: Saindo do expansor até a entrada evaporador, vapor a baixa pressão. 
Conforme figura 11. 
Figura 13: Ciclo de refrigeração do Protótipo 
 
Fonte: elaborada pelo o Autor 
37 
 
Tabela 02, mostra o comportamento e análise do Ciclo 
Tabela 2: Análise de Ciclo 
Componente 1ª Lei Processo 
Compressor 𝑊𝑐 = 𝑚(ℎ2 − ℎ1) S constante 
Condensador 𝑄𝐻 = 𝑚(ℎ2 − ℎ3) P constante 
Válvula de expansão ℎ3 = ℎ4 Δs > 0 
Trocador de calor 𝑄𝐿 = 𝑚(ℎ1 − ℎ4) P constante 
Fonte: elaborada pelo o Autor 
 
5.2. Testes 
5.2.1. Testes iniciais. 
Foram realizados testes preliminares no Comando Automação elétrico do Sistema, 
tendo como finalidade verificar o acionamento do sistema por contatores e a leitura de sinal do 
termômetro digital, sem a utilização da resistência elétrica e/ou o sistema de compressão a 
vapor. Os testes dos componentes foram satisfatórios funcionando conforme programado. 
Em seguida, foi realizado os testes de funcionamento da Resistência elétrica, Sistema 
de compressão a vapor, misturador e ciclo trocador de calor por imersão de tubulação de 
alumínio em água; posteriormente foi realizado o teste de funcionamento completo do sistema. 
Inicialmente, a temperatura medida pelo sensor do termômetro digital foi maior que a 
temperatura da água esperando a equalização da temperatura para anotações de medida inicial, 
após a equalização da temperatura, foi dado o start manual do sistema que ligou o contator de 
comando da resistência elétrica aquecendo a água até a temperatura programada, em seguida, 
foi desligado manualmente o sistema de Aquecimento, e acionado o botão liga do contator de 
comando do sistema de compressão a vapor, dando início ao processo de resfriar a água. Ao 
acionar o sistema o misturador da água atuou em paralelo com o sistema de contatores de 
aquecimento e resfriamento. O ciclo trocador de calor por imersão em água, atou em paralelo 
apenas com o sistema de compressão a vapor e misturador. 
 
5.2.2. Software Cool Pack 
Foi utilizado o software COOL PACK para geração de Gráfico e cálculo do COP 
coeficiente de performance (desempenho) do sistema de compressão a vapor. 
 
38 
 
Figura 14: Valores Coletados no sistema de compressão a vapor. 
 
Fonte: elaborada pelo o Autor 
 
Aplicando os resultados coletados no software Cool Pack onde, mostra que o (COP) 
Coeficiente de performance, foi de 4,47, que é maior que 1; que justifica que o sistema e 
compressão a vapor é eficiente. (figura 13) 
 
Figura 15: Resultado do coeficiente de performance. 
 
Fonte: elaborada pelo o Autor 
 
 
39 
 
Resultado do Gráfico pressão entalpia no sistema Cool Pack. figura 19 
Figura 16: Gráfico de resultado final 
 
Fonte: elaborada pelo o Autor 
40 
 
5.3. Aquecimento 
 
5.3.1. Aquecimento do Fluido, (Teste 01) 
Desejando atingir a temperatura máxima de 90°C, o Termômetro digital fez a leitura 
da temperatura inicial da água, que se encontrava a aproximadamente 28°C e, por acionamento 
manual do botão Liga, acionou o contator da resistência elétrica sem uso do misturador de 
Fluido. O aquecimento da água do sistema chegou na temperatura desejada em dezessete 
minutos. Atingindo a temperatura programada de 90°C. o sistema de aquecimento por 
resistência elétrica foi desligado manualmente, que mesmo depois de desligado a temperatura 
variou em subindo a +0,2°C. Figura 
Figura 17: Resultado de aquecimento d'água para temperatura máxima programada Teste 01 
 
Fonte: elaborada pelo o Autor 
 
41 
 
5.3.2. Aquecimento do fluido, (Teste 02) 
Desejando atingir a temperatura máxima de 90°C, o Termômetro digital fez a leitura da 
temperatura inicial da água, que se encontrava a aproximadamente 28°C e, por acionamento 
manual do botão Liga, acionou o contator da resistência elétrica com uso do misturador. O 
aquecimento da água do sistema chegou na temperatura desejada em dezessete minutos. 
Atingindo a temperatura programada de 90°C. o sistema de aquecimento por resistência elétrica 
foi desligado manualmente, que mesmo depois de desligado a temperatura variou subindo a 
+0,2°C. 
 
Figura 18: Resultado de aquecimento d'água para temperatura máxima programada Teste 02 
 
Fonte: elaborada pelo o Autor 
 
5.4. Resfriamento 
5.4.1. Resfriamento do fluido, (Teste 01) 
Para o teste de resfriamento 01, desejando atingir a temperatura Mínima de 28°C, o 
Termômetro digital fez a leitura da temperatura Final da água, que se encontrava a 
aproximadamente 90°C e, por acionamento manual do botão Liga, acionou o contator do 
sistema de compressão a vapor sem uso do misturador de Fluido e trocador de calor por imersão 
42 
 
em água. Passados Trinta minutos o sistema de compressão a vapor não foi capaz de esfriar a 
água como desejado, chegando à temperatura de 58.7°C. 
Figura 19: Variação de temperatura de resfriamento 1ª situação. 
 
Fonte: elaborada pelo o Autor 
 
 
5.4.2. Resfriamento do fluido, (Teste 02) 
Para o teste de resfriamento 02, desejando atingir a temperatura Mínima de 28°C, o 
Termômetro digital fez a leitura da temperatura Final da água, que se encontrava a 
aproximadamente 90°C e, por acionamento manual do botão Liga, acionou o contator do 
sistema de compressão a vapor com uso do misturador de Fluido e o sistema de troca de calor 
tubo imerso em água com auxílio de bomba d’água. Passados trinta minutos o sistema de 
compressão a vapor não foi capaz de esfriar a água como desejado, chegando à temperatura de 
35,1°C, porém mostrou-se mais eficiente que o experimento 01. 
 
 
43 
 
Figura 20: Variação de temperatura de resfriamento 2ª situação. 
 
Fonte: elaborada pelo o Autor. 
 
5.4.3. Resfriamento do fluido, (Teste 03) 
Para o teste de resfriamento 03, desejando atingir a temperatura Mínima de 28°C, o 
Termômetro digital fez a leitura da temperatura Final da água, que se encontrava a 
aproximadamente 90°C e, por acionamento manual do botão Liga, acionou o contator do 
sistema de compressão a vapor com uso do misturador de Fluido e o sistema de troca de calor 
do fluido por tubo imerso em água com auxílio de bomba d’água. Porém, aos 3 e 12 minutos 
foi adicionado 1 quilo de gelo, (2 quilos no total) ao trocador de calor, passados trinta minutos 
o sistema de compressão a vapor foi capaz de esfriar a água como desejado, chegando à 
temperatura de 27,8°C, portanto, o experimento 03 mostrou-se mais eficiente que o 
experimento 01 e 02, porém não viável, pois, a adição de gelo não o torna um ciclo reverso. 
 
 
 
44 
 
Figura 21: Variação de temperatura de resfriamento 3ª situação. 
 
Fonte: elaborada pelo o Autor. 
 
5.4.4. Resfriamento do fluido, (Teste 04) 
Para o teste de resfriamento 04, desejando atingir a temperatura Mínima de 28°C, o 
Termômetro digital fez a leitura da temperatura Final da água, que se encontrava a 
aproximadamente 90°C e, por acionamento manual do botão Liga, acionou o contato da bomba 
d’água do sistema de arrefecimento externo de fluido por torre de resfriamento de cerâmica, 
foi acionado também o sistema de resfriamento de fluido interno com circulação forçada do 
fluido através de bomba d’água em tubulação de alumínio imerso em água, e com uso do 
misturador de Fluido. Aos onze minutos de funcionamento o fluido interno e externo equalizou 
em 36.6°C, nesse instante foi acionado o sistema de compressão a vapor. Porém, aos treze 
minutos, os sistemas auxiliares de resfriamento de Fluido interno e externo foram desligados. 
Passados trinta minutos o sistema de compressão a vapor foi capaz de esfriar a água como 
desejado, chegando à temperatura de 27.9°C, portanto, o experimento 04 mostrou ser, o mais 
eficiente dos experimentos para resfriamento dofluido interno, por ser formados por ciclos 
reversíveis auxiliares e evitando assim desperdícios. 
45 
 
Figura 22: Variação de temperatura de resfriamento 4ª situação. 
 
Fonte: elaborada pelo o Autor. 
 
46 
 
6. CONCLUSÃO 
 
Conclui-se que, em ambos testes, o sistema de aquecimento apresentou um bom 
resultado de resposta, já que a temperatura do aquecimento ocorreu pelo efeito Joule, partindo 
da temperatura ambiente 28°C até 90°C programado. O tempo alcançado foi de ± dezessete 
minutos. Esse tempo é satisfatório, pois, o aumento dessa temperatura com redução de tempo 
só será possível se aumentarmos a corrente, que irá aumentar a potência e consequentemente o 
consumo e o custo de energia elétrica. 
Nos testes de Resfriamento, mostraram grande diferencial de temperatura em função do 
tempo, no entanto o quarto teste de resfriamento mostrou-se mais eficiente na remoção de calor 
do Fluido interno do Sistema, por se utilizar ciclos reversíveis auxiliares. O terceiro teste de 
resfriamento, mesmo tendo redução maior de temperatura necessita de modificação para torna-
se um ciclo reversível sem que haja desperdício. E que, o protótipo de banho térmico 
desenvolvido com materiais recicláveis e reutilizáveis mostrou-se satisfatório e eficiente, 
porém, só o sistema de compressão a vapor não teria capacidade de resfriamento do fluido para 
os valores desejados. Neste caso, foram necessárias, intervenções para melhoramento do 
sistema, com introdução de sistemas auxiliares de Resfriamento de Fluido interno e externo. 
No entanto, o objetivo geral do projeto foi totalmente atingido, pois, o protótipo é capaz 
de aquecer o Fluido à temperatura programada em tempo inferior ao programado e resfriar o 
Fluido à temperatura desejada no tempo programado. 
Conclui-se também que, em casos de teste com a liga de NI-TI-CU com o banho térmico 
desenvolvido neste trabalho, o resultado seria satisfatório e ideal, pois as mesmas ligas possuem 
temperaturas de transformações em faixa de 30° a 80°C. 
 
 
47 
 
6.1. Sugestões e melhorias para trabalhos futuros 
 
A partir do estudo realizado, podem ser listadas as seguintes sugestões para melhorias 
de trabalhos futuros: Utilização de sistema por compressão a vapor de maior capacidade em 
Watts e mais compacto. Utilização de Radiador automotivo de troca de calor forçada em série 
com sistema cíclico tipo shell tube de resfriamento a base de água para retirar calor do Fluido 
aquecido a temperatura máxima solicitada. 
Desenvolver um sistema de Arduino para automatizar o controle de temperatura e 
automatização de comando elétrico do sistema. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
48 
 
7. REFERÊNCIAS 
 
BENNETT.C.O; MYERES, J. E. Fenômeno de transporte. 2ª. ed. Mcgraw hiil: [s.n.], 2008. 
BLOG prolab. Prolab, 2020. Disponivel em: <www.prolab.com.br/blog/blog/banho-
termostatico-conheca-sua-funcao-e-seus-diferentes-tipos/>. Acesso em: 18 Agosto 2020. 
CAFÉ, T. Resistência elétrica, 2017. Disponivel em: <www.translatorescafe.com>. 
CARVALHO, F. P. Termodinâmica. 2ª. ed. Londrina: Editora e distribuição educacional 
S.A., 2018. 
DUERIG, T. W.; MELTON, K. N..; D. WAYMAN, C. M. Engineering Aspects of Shape 
Memory alloys. Butterworth: Heinemann ltd, 1990. 
GARCIA, A.; SPIM, J. A.; SANTOS, C. A. Ensaios dos materiais. 2ᵃ. ed. Rio de Janeiro: 
LTC, 2012. 
INCROPERA, F. P. et al. Fundamentos da Transferência de Calor e Massa, 2008. 
LAB, L. N. lojanetlab.com.br. Loja Net Lab, 2020. Disponivel em: 
<www.lojanetlab.com.br>. Acesso em: 08 Novembro 2020. 
LAGOUDAS, D. C.; BO, Z.; QIDWAI, M. A. A unified thermodynamic construtive model 
for SMA and finite element analysis of active metal matrix composites, Mechanics of 
composite Materials and Structures 3. [S.l.]: [s.n.], 1996. p. 153 - 179. 
LIENHARD LV, J. H.; LIENHARD V, J. H. A Heat Transfer Textbook. 4ª. ed. [S.l.]: [s.n.], 
2015. 
MERCIER, O.; MELTON, K. N. Met. Trans, p. 10a, 38., 1979. 
MONTEIRO, A. M.; COSTA, F. E. D. C. Desenvolvimento de Banho termostático. 52 f. 
ed. Niteroi: RJ, 2018. 
OLIVEIRA, P. J. Transmissão de Calor. Salvador: Depto de Eng Eletromecânica, 
Dezembro, 2014. 
OTSUKA, K. . R. . Physical Metallurgy of Ti-Ni-based shape memory alloys. In: ______ 
progress in materials Science. [S.l.]: [s.n.], 2005. p. p. 511-678. 
OTSUKA, K. W. C. M. Shapy Memory materials, Cambridge, 1998. 
PIMENTA, C. Desenvolvimento de um Banho termostatico para controle de temperatura 
de amostra utilizadas em ensaios não destrutivospor ultra som. 1ª. ed. [S.l.]: Manuscrito, 
2019. 
49 
 
QIDWAI, M. A.; LAGOUDAS, D. C. Numerical impementation of a shape memory alloy 
thermomechanical constitutive model using return mapping algorithims. International 
Journal for Numerical Methods in Engineering, p. 1123-1168, 2000. 
SABURI, T. T.-N. Shape memory Alloys. cambridge: [s.n.], 1998. p. p. 49. 
SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C.; WELEN VAN, G. J. Fundamentos da 
Termodinâmica. 6ª. ed. Edição Americana: Blucher, 2003. 
TRANSLATORES, C. Resitencia elétrica, 2020. Disponivel em: 
<https://www.translatorscafe.com/unit-converter/pt-BR/eletric-resitance>. Acesso em: 26 out. 
2020. Blog de traduções de TCC. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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8. ANEXOS 
8.1. Imagem para comparação de valores de banhos térmicos comerciais e o protótipo 
desenvolvido. 
Os valores estão de acordo com a faixa de temperatura de trabalho, no caso de 
comparação ao protótipo desenvolvido, corresponde a 1ª figura da esquerda par direita. 
(faixa de trabalho entre -10°C a 100°C). 
 
Figura 23: Imagem para Comparação de Valores de Banhos térmicos, (2020)