Projete um protótipo passivo sustentável para manter 20 frascos de vacina (massa total m_v = 0,500 kg) a…

Questão

Projete um protótipo passivo sustentável para manter 20 frascos de vacina (massa total m_v = 0,500 kg) a T_target = 5,0 °C por t = 24 h em ambiente T_env = 35,0 °C. Considere área externa A = 0,50 m² e coeficiente global U = 0,6 W·m?²·K?¹. Use PCM com L = 2,0×10^5 J·kg?¹ de fusão ˜ 5 °C. Indique massa de PCM necessária, tipo de isolamento, procedimento de pré-resfriamento e uso de sensores digitais; apresente o balanço térmico e justificativas.

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

Resposta esperada

Balanço: Q? = U·A·(T_env-T_target) = 0,6·0,5·30 = 9,0 W. Energia total Q = Q?·t = 9,0·86400 s = 7,776×10^5 J. Massa PCM m = Q/L = 7,776×10^5 / 2,0×10^5 = 3,89 kg. Com margem de segurança de 20%: m_pcm ˜ 4,7 kg (PCM com fusão ˜5 °C). Recomendações: usar painéis de isolamento de alto desempenho (VPI/aerogel) para reduzir U; camada interna reflexiva; alojamento para PCM em contêineres térmicos que maximizem contato com o compartimento; pré-resfriar PCM abaixo de 5 °C antes do carregamento; prever espaço interno ˜ volume para 0,5 kg vacinas + ˜5 kg PCM (˜6–8 L). Integração digital: sensores de temperatura (RTD/NTC) conectados a microcontrolador para registro e alertas; simular desempenho com integração temporal Q?(t) e ajustar U/A virtualmente. Justifica-se o uso do PCM porque, durante a fusão a ~5 °C, ele absorve a energia de infiltração mantendo temperatura estável; a massa calculada cobre a energia de entrada estimada e a margem responde a variações reais e perdas não previstas.

Explicação

O cálculo do balanço térmico considera a transferência de calor entre o ambiente e o sistema, permitindo determinar a energia necessária para manter a temperatura desejada. A escolha do PCM e a massa calculada garantem que a energia absorvida durante a fusão mantenha a temperatura estável, enquanto as recomendações de isolamento e pré-resfriamento otimizam a eficiência do sistema. A integração de sensores digitais permite monitorar e ajustar o desempenho em tempo real, assegurando a eficácia do armazenamento das vacinas.

Raio-X da questão

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