Caracterização de uma câmara de combustão ao longo do seu ciclo de vida

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia O cobre é o material de eleição no fabrico da câmara de combustão de um esquentador. Esta utilização é devida às excelentes propriedades deste metal, para a utilização pretendida, nomeadamente a excelente condutibilidade térmica. No entanto, o material da câmara de combustão está sujeito a uma grande fadiga térmica e mecânica, consequência da utilização. Assim, o objetivo deste trabalho é analisar a variação de algumas propriedades do cobre das câmaras de combustão de um esquentador, ao longo do seu ciclo de vida, desde o momento da sua conformação até um ponto de longa utilização. Neste estudo foram avaliadas a microestrutura, a dureza, a morfologia, a resistência mecânica e a rugosidade, e observar o modo como essas alterações vão influenciar não só o desempenho do material bem como a sua propensão para a corrosão. O estudo permitiu observar, em relação à chapa de material original, um aumento significativo do tamanho de grão e consequente diminuição do módulo de elasticidade na fase em que a câmara de combustão se encontra finalizada, com 0 horas de utilização, e pronta a ser instalada para uma longa vida de funcionamento. A nível estrutural foram observadas alterações na organização da estrutura cristalina ao longo de todo o ciclo que, com 0 horas de funcionamento, exibe uma orientação preferencial com direção [110]: a mais favorável à degradação da superfície do material por fadiga térmica. A prevalência de planos cristalográficos menos densos no material, qualquer que fosse o estágio do ciclo de vida da câmara, permitiu uma melhor difusão das espécies oxidantes (sobretudo, oxigénio, cloro e enxofre) facilitando a oxidação do material. Os produtos da oxidação não criam uma camada passivada e destacam-se do cobre, provocando uma progressiva diminuição da sua espessura e, consequente deterioração do material. Copper is the material of choice in the manufacture of the combustion chamber of a heater. This use is due to the excellent properties of this metal for the intended use, namely the excellent thermal conductivity. However, the combustion chamber material is subjected to great thermal and mechanical fatigue as a consequence of its work. Thus, the goal of this work is to analyse the variation of some properties of the copper of the combustion chambers copper of a tankless water heater, throughout its life cycle, from the moment of its conformation to a point of long use. In this study, microstructure, hardness, morphology, mechanical strength and roughness were evaluated and the way in which these changes influence not only the performance of the material as well as its propensity for corrosion. It was observed that, in comparison with the pristine copper sheet, a significant increase in grain size and consequent decrease in modulus of elasticity up to the stage where the combustion chamber is finished, at 0 hours of use. Also, changes were detected in the organization of the crystalline structure throughout all the cycle. After conformation and before any use the material exhibits a preferential orientation according to the direction [110]: the most favorable to the degradation of the material’s surface by thermal fatigue, and it was validated that after exposure to thermal fatigue, there is in fact an increase in surface roughness. The prevalence of the less dense crystallographic planes of the material in stages of the life cycle allowed a better diffusion of the oxidant species (mostly oxygen, chlorine and sulfur) facilitating the oxidation of the material. The oxidation products does not create a passivated layer and get detached from the copper, causing a progressive decrease of its thickness and consequently the deterioration of the material.