Proponha um protótipo de sistema térmico sustentável para aquecimento noturno de uma residência pequena…

Questão

Proponha um protótipo de sistema térmico sustentável para aquecimento noturno de uma residência pequena (permanência de 12 h sem geração ativa). O protótipo deve usar material de mudança de fase (PCM) e tecnologias digitais para monitoramento/controle. Apresente: 1) materiais e configuração; 2) cálculo da massa de PCM necessária para manter o ambiente (considere perda média de calor do edifício P_loss = 100 W); 3) dimensões aproximadas do recipiente do PCM (densidade ˜ 900 kg·m?³) e critério de segurança (margem); 4) sensores/controle digitais sugeridos e como eles auxiliam nas estimativas e operação. Inclua fórmulas e cálculos (SI).

✍️ Questão dissertativa: veja abaixo a resposta esperada e a explicação.

Resposta esperada

Resposta modelo — Exemplo de solução: 1) Materiais/configuração: PCM (parafina) com fusão a ~40 °C, recipiente metálico com troca por placas térmicas e isolamento externo; painéis solares/coletores para carga diurna. 2) Cálculo de massa: energia necessária Q = P_loss·t = 100 W·(12 h) = 100·43200 s = 4,32×106 J. Tomando calor latente L = 200 kJ·kg?¹ = 2,00×105 J·kg?¹, massa m = Q/L = 4,32×106/2,00×105 ˜ 21,6 kg. Acrescentar margem de segurança ˜25% ? m_seg ˜27 kg. 3) Dimensões: densidade ?˜900 kg·m?³ ? volume V = m_seg/? ˜27/900 ˜0,030 m³ (˜30 L); recipiente prismático 0,30 m×0,20 m×0,50 m (exemplo). Incluir calor sensível adicional se PCM não trocar totalmente de fase: Q_sens ˜ m·c_pcm·?T (usar c_pcm˜2000 J·kg?¹·K?¹) para ampliar estimativa. 4) Sensores/controle: termistores/DS18B20 para T_PCM e T_amb; microcontrolador (Arduino/ESP32) para registrar dados e acionar válvulas/ventiladores; display e registro em nuvem permitem estimar taxa de carga Q_collector por leitura de potência e otimizar tempo de carga. Cálculos digitais: usar integrais discretas Q?(t) medidos para estimar energia acumulada ? Q?·?t e ajustar previsão de temperatura via Q = m·c·?T + m·L. Justificativa de sustentabilidade: usa armazenagem reversível, reduz pico de consumo noturno e integra monitoramento digital para previsão e manutenção eficiente.

Explicação

A proposta apresentada aborda de forma abrangente os componentes essenciais para um sistema térmico sustentável, incluindo a seleção adequada do PCM, cálculos precisos para determinar a massa necessária e dimensões do recipiente, além da integração de tecnologias digitais para monitoramento e controle. Os cálculos realizados demonstram a viabilidade do sistema em manter a temperatura desejada, considerando perdas de calor e garantindo uma margem de segurança. A utilização de sensores e microcontroladores permite otimizar a operação e a eficiência do sistema, alinhando-se aos princípios de sustentabilidade e inovação tecnológica.

Raio-X da questão

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