UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS FACULDADE DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA LABORATÓRIO DE FENÔMENOS DE TRANSPORTE

UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS
FACULDADE DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
LABORATÓRIO DE FENÔMENOS DE TRANSPORTE



Jerônimo Maranhão Vieira Rodrigues Júnior
Ricardo Drumond Sardinha
Yuri Silva Sarmento




Prática transferência de calor convectivo utilizando ferro de passar


MANAUS
2014

1. Considerações iniciais
O modo de transferência de calor por convecção abrange dois mecanismos: transferência de energia devido ao movimento molecular aleatório (difusão) e através do movimento global do fluido. Esse movimento do fluido está associado ao fato de que um grande número de moléculas esta se movimentando coletivamente em um instante qualquer. Tal movimento, na presença de um gradiente de temperatura, contribui para a transferência de calor (INCROPERA et al. 2007).
A transferência de calor por convecção ocorre com o contato entre um fluido em movimento e uma superfície, estando estes com diferentes temperaturas. Uma consequência da interação entre o fluido e a superfície é o desenvolvimento de uma região no fluido em que sua velocidade varia entre zero (no contado a superfície) e um valor finito associado ao escoamento do fluido. De maneira análoga a diferença de temperatura entre a superfície e um ponto afastado gera também uma região. Essas regiões formadas são conhecidas respectivamente como camada limite hidrodinâmica ou de velocidade e camada limite térmica (INCROPERA et al. 2007).
A transferência de calor por convecção pode ser classificada de acordo com a natureza do escoamento do fluido em forçada, natural e uma combinação das duas. A convecção forçada é causada por meios externos, tais como um ventilador, uma bomba ou ventos atmosféricos. Em contraste, a convecção natural (livre) o escoamento é induzido por forças de empuxo que são originadas pelas diferenças de densidades (massa específica) causadas por variações de temperatura do fluido (INCROPERA et al. 2007).
Segundo INCROPERA et al. (2007), a transferência de calor por convecção é uma transferência de energia que ocorre no interior de um fluido devido aos efeitos combinados da condução e do escoamento global do fluido ou macroscópico do fluido. Independente da natureza específica do processo transferência por convecção, a equação apropriada para a taxa de transferência possui a forma:



(Equação 1)
Onde,
q é o fluxo de calor por convecção em Watts;
A é a área da superfície;
h é o coeficiente de transferência de calor por convecção;
Ts e T são as temperaturas da superfície e do ponto afastado respectivamente.
A determinação do coeficiente de película (h) depende das condições da camada limite, as quais são influenciadas pela geometria da superfície, pela natureza do escoamento do fluido e por uma série de propriedades termodinâmicas e de transporte do fluido. Envolvendo uma série de variáveis do fluido como calor específico, viscosidade dinâmica, densidade e condutividade térmica, outras variáveis como velocidade do escoamento, dimensão característica (diâmetro do tubo, altura da placa), gradiente de temperatura entre a superfície e o fluido também influenciam o coeficiente de transferência de calor convectivo (ANTONIETTI et al, 2011).
2. Objetivos
Analisar os conceitos de transferência de calor convectivo ao utilizar uma potência elétrica como fonte do fluxo de calor.
3. Procedimento experimental
Inicialmente conectou-se o ferro a corrente elétrica e utilizando um multiteste e um potenciômetro controlou-se a tensão aplicada para ficar próxima a 10 volts. Com a tensão controlada, verificou-se a temperatura do ferro e foi esperado a estabilização da mesma para a medição. A medição da temperatura foi realizada com o auxílio de um termômetro infravermelho e adotou-se uma distancia de um palmo entre o ferro e o equipamento para realização da medição.
Com o ferro ainda quente, mediu-se a resistência do ferro com o multiteste e por com um termômetro distante do ferro, determinou-se a temperatura do meio (T ). Para determinar a área do ferro o mesmo foi desenhado sob uma folha milimetrada. Calculou-se então o coeficiente de transferência de calor por convecção e comparou-se o valor encontrado com o da literatura para convecção natural. O experimento foi realizado novamente para outra tensão próxima a 10 volts.




Figura 1 - Equipamento utilizado para realização do experimento.
Figura 1 - Equipamento utilizado para realização do experimento.

4. Resultados e discussão
Primeiramente, utilizando o potenciômetro para controlar a tensão da rede (123,4 volts) para que a mesma estivesse dentro do intervalor de 10±5 duas tensões foram encontradas para a realização do experimento, conforme tabela abaixo:
Tabela 1 - Tabela de tensões obtidas.
Tensões
Média
U1 (V) = 9~10,8
U1 (V) = 9,9
U2 (V) = 11~14
U2 (V) = 12,5

O uso da média para a realização dos próximos cálculos foi devido a variação que a tensão sofreu para a mesma abertura do potenciômetro. Em seguida, com a tensão estabilizada dentro do intervalo determinado deu-se inicio a medida da temperatura. Antes de medir a temperatura na superfície do ferro, determinou-se um tempo de 5 minutos para que a o ferro apresentasse uma temperatura sem grandes variações. As temperaturas do meio e para as duas tensões estão apresentadas na tabela abaixo:
Tabela 2 - Tabela de temperaturas obtidas.
Temperatura da superfície do ferro (K)
Temperatura do meio (K)
Ts1 = 378,15
T 1 = 300,75
Ts2 = 403,15
T 2 = 301,15

Após a medida da temperatura do ferro, o próximo passo seguido foi a medição da resistência do mesmo para então calcular a potência elétrica através da relação abaixo. Vale ressaltar que o fluxo de calor terá o mesmo valor da potência, pois todo o calor do ferro será transferido para o ambiente por convecção unidirecional, levando em conta que sua espessura é muito pequena em e a parte de trás do ferro está isolada. Os valores encontrados para as resistências e potencias estão na tabela abaixo:
Tabela 3 - Resistência e Potência obtida.
Resistência (Ω)
Potência elétrica (W)
R1 = 15,1
P1 = 6,4907
R2 = 15,2
P2 = 10,2796

P=U^2/R (Equação 2)
A equação 2 foi usada para encontrar a potência do ferro. Antes de determinar o coeficiente de película do meio, faz-se necessário encontrar a área por onde ocorre a transferência de calor (área do ferro). Utilizando o papel milimetrado mostrado abaixo, pode-se encontrar uma área de aproximadamente 0,0144 m2.

Figura 2 – Cálculo da área
Figura 2 – Cálculo da área

Com as variáveis de área, temperatura e fluxo de calor (potência elétrica) conhecidas pode-se determinar o coeficiente de transferência de calor convectivo do ar (natural). Ao aplicar essas variáveis na equação 1, pode-se obter os seguintes resultados:
Coeficiente de película (W/m2K)
h1 = 5,819
h2 = 6,993

Segundo Grillo, o coeficiente de película para a convecção natural do ar está entre: 5,81 W/m2K ~ 29,05 W/m2K. Ao comparar estes valores com os obtidos no experimento, verifica-se que os mesmos estão entre os valores estabelecidos, mas estão muito próximos do limite inferior. Esse fato pode estar envolvido no gradiente de temperatura, pois o limite superior estabelecido por Grillo deve contemplar um gradiente maior de temperatura ao encontrado no experimento, alem disso, não se sabe a área de trabalho realizada para determinar o intervalo.
Contudo, o experimento apresentou resultado satisfatório ao obter o coeficiente próximo ao encontrado por outro autor, apesar de encontrar problemas na determinação da temperatura da superfície do ferro, pois o termômetro infravermelho apresentava uma leitura da temperatura diferente dependendo de sua distância ao ferro o que levou a adoção de uma distância de um palmo, entre o ferro e o termômetro, para a realização da medição.

5. Considerações Finais
O coeficiente de transferência de calor convectivo (h) depende de várias variáveis. No experimento em questão, as principais variáveis eram o gradiente de temperatura gerado pela potência elétrica e a área de troca térmica. Apesar da aproximação da área utilizando o papel milimetrado e a determinação de uma distância para a medição da temperatura o experimento apresentou resultado satisfatório ao apresentar o coeficiente de película entre o intervalo estabelecido por outro autor.
6. Referências
INCROPERA, F.; DEWITT, D.; BERGMAN, T.; LAVINE, A. Fundamentos de transferência de calor e massa. Sexta edição, LTC, 2007.
ANTONIETTI, A.; STEMPKOWSKI, A.; SEGATTI, F.; SPASSIN, T.; SILVA, C. Determinação do coeficiente de transferência de calor numa placa plana aquecida no interior de um túnel de vendo com escoamento de ar em paralelo. PERSPECTIVA, Erechim. v.35, n.130, p. 7-17, junho/2011.
GRILLO, A. Convecção por calor. Disponível em: < http://alexandregrillo.com.br/website/downloads/unifeso_aulas_de_transporte_de_calor/aula_IV_t_c_convercao_de_calor.pdf>