(DISSERTATIVA, Dificuldade 3) Proponha um projeto de armazenamento térmico passivo para manter o conteúdo de…

Questão

(DISSERTATIVA, Dificuldade 3) Proponha um projeto de armazenamento térmico passivo para manter o conteúdo de um refrigerador doméstico (V = 0,050 m³) abaixo de 8,0 °C por t = 6,0 h durante uma falta de energia. Considere massa de alimentos m_food = 8,00 kg a T_i = 4,0 °C, temperatura ambiente T_env = 30,0 °C, área externa A = 1,50 m² e coeficiente global U = 0,80 W·m?²·K?¹. Indique massa e volume do PCM (L_fusão e densidade dadas), integração com isolamento e uso de tecnologia digital para monitoramento/calibração. Use c_food = 3500 J·kg?¹·K?¹, L_PCM = 2,00×10^5 J·kg?¹, ?_PCM = 900 kg·m?³.

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

Resposta esperada

Objetivo: calcular energia necessária e massa de PCM, propor integração e sensores. 1) Ganho térmico pelas paredes no período: Q_walls = U·A·(T_env-T_target)·t. Com T_target = 8 °C, ?T = 30-8 = 22 K, t = 6 h = 21 600 s ? Q_walls = 0,80·1,50·22·21 600 = 570 240 J. 2) Energia para aquecer alimentos de 4 °C a 8 °C: Q_food = m_food·c_food·?T = 8,00·3500·4 = 112 000 J. 3) Energia total requerida: Q_total = Q_walls + Q_food = 682 240 J. 4) Massa de PCM necessária (considerando mudança de fase como principal armazenamento): m_PCM = Q_total / L_PCM = 682 240 / 200 000 ˜ 3,41 kg. 5) Margem de segurança: adotar +20% ? m_PCM ˜ 4,09 kg (arredondar para 4,1 kg). Volume do PCM: V_PCM = m_PCM / ?_PCM ˜ 4,10 / 900 ˜ 0,00456 m³ ˜ 4,56 L. 6) Integração e construção: fixar PCM em recipientes de alumínio ou cobre dentro do refrigerador, em contato térmico com alimento (superfície aumentada), com camada contínua de isolamento (espuma de poliuretano) para reduzir U; colocar PCM em torno do conteúdo para maximizar captação de calor antes de aumentar T interno. 7) Monitoramento digital: usar sensores de temperatura (ex.: DS18B20) em vários pontos, registrar com microcontrolador (ex.: ESP32) e software para estimar U efetivo e estado de fusão do PCM; usar registros para ajustar massa de PCM e calcular necessidade de isolamento adicional. 8) Considerações práticas: escolher PCM com fusão próxima a 5–6 °C para maximizar operação na faixa desejada; prever espaço e contenção para expansão; dimensionar suporte estrutural. Fórmulas usadas: Q = U·A·?T·t (J), Q = m·c·?T (J), Q = m·L (J). O projeto atende sustentabilidade reduzindo necessidade de energia externa e permite ajustes via simulação/medição digital para otimização.

Explicação

A solução apresentada aborda de forma sistemática o cálculo das energias envolvidas, considerando tanto o ganho térmico pelas paredes quanto a energia necessária para aquecer os alimentos, resultando em uma massa de PCM adequada para o armazenamento térmico. A integração de tecnologia digital para monitoramento e calibração permite otimizar o desempenho do sistema, garantindo eficiência e segurança no armazenamento. Além disso, as considerações práticas sobre o uso de materiais e a escolha do PCM adequado demonstram uma abordagem abrangente e sustentável para o projeto.

Raio-X da questão

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