12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015

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1 12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015 ANÁLISE DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS DUTOS DE COBRE UTILIZADOS EM SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO. Souza, Victor Barbosa de Souza Universidade Federal Fluminense UFF, Niteroi RJ Cerqueira, Niander Aguiar Universidade Estadual Norte Fluminense UENF, Campos dos Coytacazes - RJ Batalha Barbosa Lima, Thiago Moraes Torres dos Santos, Matheus Sociedade Universitária Redentor, Itaperuna-RJ RESUMO O Cobre é um dos metais conhecidos mais antigos na história da humanidade, e, além disso, foi o primeiro metal utilizado pelo ser humano. Como metal puro em seu estado metálico, foi usado inicialmente como substituto da pedra para confecção de ferramentas de trabalho, armas e objeto de decoração. O presente artigo tem como objetivo analisar as propriedades mecânicas dos dutos de cobre utilizados em sistemas de refrigeração, haja vista que surgiu uma tendência na substituição do cobre pelo alumínio em alguns sistemas de refrigeração. Entretanto tal tendência foi logo descartada devido a inúmeros problemas apresentados em tal substituição. PALAVRAS CHAVE: cobre; ensaio de tração; propriedades mecânicas; aplicação; ar condicionado. ABSTRACT Copper is one of the oldest known metals in the history of mankind, and furthermore, was the first metal to be used by humans. As a pure metal in its metallic state, it was initially used as a substitute for stone to manufacture of work tools, weapons and decorative object. This article aims to analyze the mechanical properties of copper pipes used in refrigeration systems, given that a trend has emerged in the replacement of copper by aluminum in some cooling systems. However this trend was soon discarded due to numerous problems presented in such replacement. KEY WORDS: Copper; tensile test; mechanical properties; application; air conditioning.

2 INTRODUÇÃO O Cobre é um dos metais conhecidos mais antigos na história da humanidade, e, além disso, foi o primeiro metal utilizado pelo ser humano. Como metal puro em seu estado metálico, foi usado inicialmente como substituto da pedra para confecção de ferramentas de trabalho, armas e objeto de decoração. Como um dos mais importantes elementos da história, o Cobre foi o primeiro metal minerado e manufaturado pelo homem. A descoberta do processo que viabilizava a extração do Cobre enquanto minério foi um evento importantíssimo, pois esse fato deu início ao setor metalúrgico e também foi base para o desenvolvimento de grandes indústrias. Ampère ( ), Faraday ( ) e Ohm ( ) deram força ao papel do Cobre, pois determinaram algumas características físicas, químicas e mecânicas importantes que são o motivo do presente estudo. O Cobre pode apresentar inúmeras características, dentre as quais podem ser destacadas: PROPRIEDADES FÍSICAS PROPRIEDADES ESPECÍFICAS Maleabilidade e ductilidade. Símbolo químico Cu Excelente condutor elétrico. Número atômico 29 Excelentes características de liga. Peso atômico Não magnético. Densidade 8.89 g/cm³ Resistencia à corrosão. Ponto de fusão 1083 C Boa usinabilidade, quando ligado a outros elementos. Temperatura de recozimento (475 / 750) C Conformabilidade a frio e a quente. Ponto de ebulição 2595 C Soldabilidade. Estrutura Cristalina CFC Excelentes propriedades de troca de calor. Tabela 1: Propriedades físicas e químicas do cobre. Calor específico a 20 C 380J/kg*K Durabilidade Fonte: Matta, 2015 Graças a estas características, o cobre possui alta empregabilidade na indústria moderna, sendo extremamente utilizado em: Serpentinas de aparelhos de ar-condicionado; Condensadores; Compressores; Conectores e fios elétricos; Componentes de refrigeração; Redes de combate a incêndio; Interligações de água quente; Instalações hidráulicas em geral. Bobinas Tintas Alguns estudos realizados há poucos anos tentaram encontrar um substituto que possuísse um custo menor e com as mesmas propriedades que o cobre. O alumínio passou a ser utilizado principalmente como serpentina para aparelhos de ar condicionado, devido ao seu baixo custo e menor peso quando comparado com o cobre. Porém não possui a mesma capacidade de resistir a agentes causadores de corrosão como o cobre. Isso faz com que o cobre ainda possua ampla utilidade no setor industrial. Uma importante característica do cobre, é que possui propriedades antimicrobianas, diferente do alumínio, o qual não evita a proliferação de fungos e bactérias. Por isso é muito utilizado no controle de qualidade do ar nas unidades de saúde e também em ar condicionado doméstico, proporcionando um ambiente mais saudável.

3 Fig. 1: Serpentina de ar condicionado de cobre. Fonte: Procobre.org, 2015 Os tubos de cobre são obtidos por dois processo distintos: de extrusão seguida por trefilação a frio, e pelo processo Cast & Roll, onde ocorre a fundição do tubo, sua laminação e trefilação a frio. As superfícies interna e/ou externa podem ser lisas, aletadas ou ranhuradas em todo o seu comprimento. Os tubos de cobre podem ser fornecidos em comprimentos retos, em panquecas, bobinas ou carretéis. Estes produtos são elaborados de modo a atender as normas mais utilizadas para aplicações industriais, tais como: ASTM B-68, ASTM B-75, ASTM B- 280 e ASTM B-743. Fig. 2: Tubulação de cobre com ranhuras internas. Fonte: Paranapanema, 2014 Fig. 3: Utilização do Cobre em aparelhos de ar condicionado. Fonte: Reef corner, 2015

4 Portanto, o presente artigo tem como objetivo principal determinar as características e propriedades mecânicas do material ensaiado, além de caracterizar os dutos que são empregados nos sistemas de refrigeração. MATERIAIS E MÉTODOS O corpo de prova utilizado no ensaio é cilíndrico com dimensões estabelecidas pela norma ASTM A370, o qual é submetido a um esforço uniaxial que tende a alonga-lo até sua ruptura, tornando-o inutilizável. A figura 4 apresenta as partes do corpo de prova, e a figura 5, suas dimensões. Para que o ensaio tenha sido realizado, se fez necessário extrair todas as dimensões necessárias do corpo de prova. Para tal tarefa foi utilizado um paquímetro do fabricante DIGINESS, na escala de milímetros (mm). Para o ensaio de tração, foi utilizada a máquina de ensaios mecânicos de tração do fabricante KRATOS. Fig. 4: Imagem ilustrativa do corpo de prova. Fig. 5: Dimensões do corpo de prova. (mm) Nesse tipo de ensaio, as deformações promovidas no material são consideradas uniformemente distribuídas em todo do seu corpo, por causa da baixa velocidade de deslocamento que a máquina de tração exerce sobre ele (5 mm/min). No local a temperatura ambiente era de 25ºC e a umidade relativa de 50%, sendo aplicada uma précarga de 1564,05 kgf (15,34kN). Foram utilizados dois métodos de ensaio de tração: o método do Ensaio de Tração Convencional, o qual a tensão é dada pela razão da carga aplicada pela área da seção circular inicial da parte útil; o método do Ensaio de Tração Real, cuja tensão agora é dada pela razão da carga aplicada pela área da seção circular instantânea, á medida que o corpo de prova sofre uma deformação. É possível obter após esse ensaio informações como ductilidade, resistência do material á tração, resiliência, tenacidade, módulo de elasticidade, tensão de escoamento, tensão última, tensão de ruptura, entre outros, podendo assim determinar sua aplicabilidade de acordo com as necessidades do projeto. RESULTADOS Ao final do ensaio, foi possível observar o rompimento total do corpo de prova. A inclinação na zona de rompimento se deu pelo fato do cobre possuir boa maleabilidade e ductilidade. Pode-se observar nas fotografias abaixo o acabamento superficial antes e após o ensaio. Foi possível também comprovar por meio destes cálculos as características de natureza mecânica do material estudado.

5 Fig. 6: Corpo de prova antes e após a realização do ensaio de tração. Os resultados obtidos foram comprovados por cálculos matemáticos sendo possível assim a criação do gráfico abaixo, com valores referentes á tensão-deformação do material. Fig. 7: Gráfico de tensão-deformação convencional e real.

6 A figura 7 permite observar a formação da curva convencional e real devido ao ensaio executado. Porém, é de ação cautelosa utilizar a curva convencional. Ela é utilizada por estar abaixo da curva real, que de certa forma fornece uma segurança a mais ao projeto, sendo conhecida também como curva de engenharia. a) Força máxima = 1564,05 kgf = 15,34 KN b) Módulo de elasticidade (E) = 11093,94 kgf/mm² = 108,8 GPa c) Limite de escoamento = 25,63 kgf/mm² = 251,3534 MPa (1) d) Limite de resistência: (2) e) Tensão de ruptura: (3) f) Deformação ( ) = ( ) = 5,952 mm g) Deformação específica: (4) h) Resiliência: (5) i) Estricção: (6) j) Tenacidade: (7) k) Área instantânea última: (8)

7 l) Área instantânea de ruptura: (9) m) Limite de resistência real: (10) n) Tensão de ruptura real: (11) o) Deformação específica do limite de resistência real: (12) p) Deformação específica real total (ruptura): (13) Com o objetivo de comprovar a capacidade de troca térmica de serpentinas de ar condicionado de cobre, foi realizado um estudo térmico comparativo entre alumínio e cobre com o auxílio do software SOLIDWORKS, utilizando as mesmas dimensões das tubulações, porém com seus valores específicos de condutividade térmica. Fig. 8: Estudo Térmico de tubulações de alumínio e cobre respectivamente.

8 Fig. 9: Estudo Térmico de tubulações de cobre com ranhuras internas. Fig. 10: Gráfico comparativo do estudo térmico de temperatura na saída da serpentina, com temperatura inicial de 330 Kelvin. CONCLUSÕES Através deste estudo chegou-se a conclusão que o ensaio de mecânico tração é fundamental na maioria dos ramos na indústria moderna, pois serve para determinar controle de qualidade de produção, eficiência, confiabilidade e aplicabilidade. A partir dele é possível conhecer as propriedades mecânicas de um material como o limite de escoamento, limite de resistência, módulo de elasticidade, módulo de resiliência, tenacidade, além de determinar se ele suporta ao tipo de solicitação o qual será submetido. A partir da análise dos valores destas propriedades, mesmo com algumas discordâncias de resultados é possível dizer que se trata de um material dúctil e possui boa resistência mecânica. Uma característica importante que não é possível determinar através do ensaio de tração é a alta condutibilidade térmica e elétrica do cobre, por isso possui grande aplicabilidade na indústria, pois é muito empregado em geradores, transformadores, fios, cabos condutores, hastes, placas, conectores de aterramento, motores, equipamentos elétricos, trocadores de calor, entre outros. Possui alta durabilidade quando em contato com a água, ar alguns produtos químicos. Possui alta resistência à corrosão. É bastante flexível, já que este tipo de tubo é totalmente modelável, permitindo uniões, dobras e fácil instalação. Possui propriedades antibacterianas, evitando transmissões de doenças por meio da água em banheiros e cozinhas, facilidade de transporte, já que é leve e pode ser enrolado para guardar.

9 O alumínio vem sendo empregado em alguns casos como uma solução para substituir o cobre nos sistemas de refrigeração. Porém, mesmo sendo mais leve e mais barato e ainda possuir características semelhantes ao cobre no que tange à condutividade térmica e elétrica, o alumínio possui baixa resistência à corrosão. Isso faz com que os aparelhos de refrigeração que fazem uso do alumínio apresentem defeitos em um curto espaço de tempo. Por ser altamente resistente à corrosão, o cobre mesmo sendo um metal mais caro e pesado, ainda possui uma relação custo-benefício muito superior ao alumínio. O cobre é muito importante no progresso tecnológico e científico da humanidade. Sua participação na conservação de recursos, na redução de resíduos, na eficiência energética, na diminuição dos efeitos nas mudanças climáticas, na reciclagem e no aumento dos ciclos de vida de diversos produtos faz deste metal uma peça-chave no desenvolvimento econômico da humanidade. Com os resultados obtidos concluiu-se que o cobre é o elemento de fato mais indicado para utilização em tubulações de serpentinas de ar condicionado. REFERÊNCIAS 1. ASKELAND, D.R; PHULÉ, P.P. Ciência e Engenharia dos Materiais. 2. ASTM INTERNATIONAL < 3. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos, Fundamentos Teóricos e Práticos, 5ª edição, Sérgio Augusto De Souza, HIBBELLER, R.C. Resistência dos Materiais. Rio de Janeiro, LTC RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS 3ª EDIÇÃO Ferdinand P. Beer, E. Russel Johnston Jr. 6. TERMOMECANICA S.A. < 7. UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS < 8. W. D. Callister Jr., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução, 5ª edição, Rio de Janeiro, Brasil, Força de escoamento (N) Área inicial (mm²) Tensão de escoamento (Pa) Tensão de resistência (Pa) Estricção (%) Limite de resistência real Força máxima Tensão de ruptura real Força de ruptura Área instantânea última (mm²) Deformação ( ) (mm) Tensão de ruptura (Pa) Área instantânea de ruptura (mm²) Comprimento inicial (mm) Tenacidade (kgf/mm²) Resiliência (kgf/mm²) Deformação específica (adimensional) Deformação específica do limite de resistência real (adimensional) Deformação específica real de ruptura (adimensional)