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Os eletrodos das tochas de plasma a arco elétrico podem ser diferenciados em função da presença ou ausência da inserção de material especial, que facilita a emissão termiônica de elétrons e também serve para fixar o “spot” do arco, num ponto de concentração da corrente elétrica no eletrodo. Na Figura 21 são mostrados os elementos construtivos básicos de dois tipos de tochas de plasma a arco não transferido: (a) com catodo “quente” (b) com catodo frio.

Figura 21: Esquema de tochas de plasma de arco não transferido: (a) com catodo quente, (b) com catodo frio.

1- inserção termiônica; 2- suporte do catodo; 3- tubo de cobre que forma o catodo frio; 4- anodo; 5- suporte do anodo; 6- arco elétrico; 7- entrada de gás; 8- jato de plasma; 9- água de refrigeração.

Numa típica descarga elétrica em arco, formada na pressão atmosférica entre dois eletrodos idênticos, sem refrigeração, geralmente a temperatura do catodo alcança valores entre 3200K a 3600K, ao passo que no anodo, entre 3600K

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a 4200K. A diferença que provoca maior aquecimento do anodo é atribuída ao efeito da função trabalho de emissão de elétrons no catodo que causa uma perda adicional de calor, enquanto no anodo, a dissipação ocorre somente através dos processos de condução e radiação [40].

Neste trabalho, a discussão sobre eletrodos é direcionada aos casos que são aplicados as tochas de plasma do tipo arco elétrico não transferido. Onde, normalmente, há um sistema de refrigeração que retira o calor absorvido nas paredes internas, para restringir a elevação da temperatura dos eletrodos, bem abaixo do ponto de fusão, de modo a preservar a integridade da tocha de plasma. Portanto, devido a esta refrigeração, o anodo de uma tocha a arco não transferido é considerado um eletrodo “frio”, enquanto o catodo pode ser considerado “quente” ou “frio” dependendo da temperatura de fusão do metal utilizado em sua confecção [40].

2.3.2.4. Estabilização da Coluna de Arco

A estabilização do canal do arco em uma tocha linear é de suma importância para a conversão efetiva da energia e a durabilidade do artefato. O modelo mais básico desta tocha consiste em um catodo axial e um anodo oco coaxial no mesmo eixo de simetria, mostrado na Figura 22.

Figura 22: Modelo básico de uma tocha de plasma: 1) Catodo; 2) Anodo; 3) Fonte de tensão CC; 4) Fluxo de gás; 5) Água de refrigeração; 6) Arco; 7) Tocha.

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O mecanismo físico que estabiliza o arco no centro do eletrodo está baseado na equação de Elenbaas-Heller para a distribuição radial de temperatura da coluna positiva de arcos em alta pressão. Esta equação é muito complexa e sem solução analítica, mas foi simplificada com o modelo do canal proposto por Steenbeck- Raizer [26].

Segundo este modelo, a condutividade está fortemente relacionada com a alta temperatura no interior do canal como mostrado na Figura 23, assim, no centro da descarga, para temperaturas acima de 4000 K, a condutividade aumenta drasticamente, contraindo e isolando termicamente a descarga na região central em um fio fino de plasma com alta taxa de ionização e de elevada temperatura, denominada coluna de arco térmico. Desta forma, se a coluna de arco se desvia do eixo axial, a borda mais próxima à parede é resfriada e a borda oposta do canal se aquece corrigindo a posição do arco. Um problema técnico que surge no modelo da Figura 22 é o sobreaquecimento nos pontos de fixação do arco no catodo e no anodo, neste caso, devem ser adicionadas ao modelo, soluções para evitar a fusão das peças.

Figura 23: Distribuição da temperatura (T) e da condutividade (ζ), na sessão transversal da coluna do arco. R é o raio do canal entre as paredes, r0 o raio de dispersão da

condutividade significativa onde a temperatura do gás é máxima (Tm) é praticamente

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No anodo são empregados mecanismos para movimentar o fechamento do arco evitando sua fixação em um único ponto. Além de prover uma boa refrigeração do eletrodo, geralmente a entrada do fluxo de gás é feita em vórtice, fazendo o arco girar no plano azimutal ao fechar no anodo. Também podem ser adicionadas bobinas magnéticas para fixar seu comprimento e forçar o giro do pé do arco a uma velocidade maior como mostrado na Figura 24.

Uma solução comumente adotada para a fixação do arco no catodo é a inserção de um metal de alto ponto de fusão e emissão termiônica, como o tungstênio, háfnio, zircônio e rubídio. A facilidade de emissão de elétrons destes metais, devido à menor função trabalho, faz o arco se fixar na inserção que resiste a uma temperatura maior. Este tipo de catodo é denominado “catodo quente”. Enquanto que “catodos frios” necessitam de técnicas como as descritas no anodo para não deixar o arco se fixar em um só ponto [26].

Figura 24: Fixação do comprimento do arco. 1) Catodo quente. 2) Anodo. 3) Isolante. 4) Entrada tangencial de gás. 5) Entrada do fluxo de gás. 6) Água de refrigeração. 7)

Bobina de geração de campo magnético.

Devido à alta condutividade do canal de arco, o campo elétrico na coluna é praticamente constante e a tensão elétrica varia linearmente com o

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comprimento do arco. Logo, o comprimento máximo que a coluna de arco irá desenvolver dependerá da tensão disponível na fonte.

Os fatores aerodinâmicos do fluxo de gás também definirão a distância máxima que a coluna de arco se manterá estabilizada no centro do canal. A coluna do arco permanece estável no centro porque a velocidade circular do vórtice de gás estabelece um perfil de pressão menor nesta região, favorecendo o posicionamento da alta condutividade nesta região. Com o avanço axial do gás, a velocidade circular diminui e o limite da camada de turbulência que se distancia da parede até se fechar no centro, mostrado na Figura 24. A partir deste ponto, a turbulência desestabiliza a centralização da coluna de arco forçando o seu desvio em direção à parede do anodo.

A indução de uma desestabilização aerodinâmica pode ser combinada com o fechamento da camada limite de turbulência para fixar o comprimento do arco um pouco antes do que a limitação de tensão da fonte impõe. Esta indução pode ser gerada por um aumento súbito no diâmetro de saída no anodo como o degrau observado no perfil da Figura 25.

Figura 25: Anodo com degrau para fixação do arco. 1) Catodo quente. 2) Anodo. 3) Degrau do anodo. 4) Camada limite de turbulência. 5) Entrada do fluxo de gás.

A fixação do comprimento do arco é importante para a obtenção de um fluxo térmico estável na saída da tocha [26].

5)

) )

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2.3.3. Simulação computacional do processo ablativo

Hoje em dia, no campo da engenharia aeroespacial, a modelagem e a simulação numérica estão necessariamente presentes no desenvolvimento de projetos graças à disponibilidade dos sistemas computacionais e de seu vertiginoso avanço nos últimos tempos. Eles são principalmente empregados nos cálculos preliminares dos projetos, tendo como a principal vantagem dessa tendência a economia em tempo e dinheiro. Em geral, o cálculo do processo ablativo é feito a partir de modelos simplificados, que consideram um processo de mudança de fase à temperatura constante. Tal aproximação nem sempre é aplicável, e pode se tornar bastante imprecisa [42,43]. Na Figura 26 é possível observar os diversos fenômenos que ocorrem simultaneamente durante o processo ablativo em um TPS de compósito. De imediato, devem-se distinguir três camadas presentes no material: a camada de material carbonizado (char), a zona de pirólise e o material virgem. Na primeira existe um acúmulo de processos e produtos resultantes (gases e partículas). Além disso, ocorrem também diversos processos no escoamento ao redor da parede durante a ablação. No caso em questão, serão analisados os processos físicos mais relevantes e seus efeitos durante a ablação.

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CAPÍTULO 3

3. MATERIAIS E MÉTODOS