Convecção natural e forçada em regime transiente

Troca de Calor através de Convecção Natural e Forçada em Regime Transiente

Prof. Dr. Marcelo Kaminski Lenzi

G. Pereira, I. Oliveira, J. Estephani, J. Trancoso, L. Buachak, P. Knesowitsch, V. Vaz  

Fenômenos de Transporte Experimental II – TQ081

Universidade Federal do Paraná

Grupo A2

Resumo: Utilizando-se de banhos térmicos à diferentes temperaturas, quentes e frias, com dois diferentes termostatos, se avaliará a taxa de transferência de calor em um regime transiente, ou seja, serão obtidos gráficos da temperatura em função do tempo, antes que ela se estabilize. Como há um banho frio estático e um banho quente com fluxo forçado, também será comparado numericamente o efeito da convecção natural e da convecção forçada, com o auxílio da teoria, calculando os diferentes coeficientes de troca térmica convectiva.

Abstract: Using thermal baths at different temperatures, hot and cold, with two different thermostats, it will be evaluate the heat transfer rate in a transient state, i.e., it will be obtained graphs of temperature versus time, before it stabilizes. As there is a static cold bath and a hot bath with forced flow, it will also be numerically compared the effect of natural convection and forced convection, with the help of the theory, by calculating the different coefficients of convective heat transfer.

Palavras chaves: tempo, fluxo de calor, coeficiente de térmica convectiva.

1. Introdução

A ciência da transferência de calor tem como objeto de estudo a taxa com que esta forma de energia permuta em um sistema. Estes fluxos ocorrem sempre da região de maior temperatura para a de menor, podendo ser observada através de três mecanismos distintos: condução, convecção e radiação. [1]

A convecção é definida como a transferência de energia entre um substrato fixo e um fluido em movimento.[1] Este modo de troca de energia pode ser ainda dividido em duas classes:

• Convecção natural: fluido movimenta-se devido à diferença de densidade causada pela variação de temperatura no sistema. [2]
• Convecção forçada: movimento do fluido é induzido artificialmente por forças mecânicas como, por exemplo, ventiladores, turbinas, compressores ou bombas. [2]

A taxa líquida de calor trocado através da convecção é equacionada segundo a “Lei de Newton do resfriamento” expressa em seguida:

[pic 1]

[pic 2]

Sendo  o coeficiente de troca térmica convectiva, ou coeficiente linear [2], e T a temperatura absoluta do corpo e do fluido em questão. [pic 3]

A convecção é a forma de transferência de calor mais complexa e mais frequente nas aplicações de engenharia. Sua importância pode ser observada pelo extenso número de publicações sobre o assunto, sendo o entendimento de seu mecanismo fundamental para o projeto de instalações industriais. Há uma enormidade de equipamentos, tamanhos e configurações que utilizam convecção, sendo trabalho do engenheiro a escolha da melhor máquina para o processo em questão.

1. Objetivos Gerais

Esta prática tem como finalidade a observação do fenômeno de transferência de calor por convecção, fixando conceitos teóricos aprendidos anteriormente. Além disso, observar como essa taxa de transferência de calor varia com o tempo, medindo o tempo em que a temperatura se estabiliza a cada mudança de temperatura do meio externo, ou seja, a cada banho numa temperatura diferente.

Ainda, tomados os valores experimentais, compará-los aos valores teóricos.

Objetivos específicos

Comparar o coeficiente convectivo h de uma convecção natural ao coeficiente convectivo de uma convecção forçada, tomado um regime transiente.

1. Materiais

• 1 Banho termostático;
• 2 Termostatos de modelos diferentes;
• 1 Béquer com banho de gelo;
• 1 Transdutor;
• 1 Câmera filmadora.

1. Metodologia

Primeiramente calibrou-se o transdutor para o primeiro termostato utilizado. Em seguida, colocou-se o termostato no banho de gelo, e esperou-se o transdutor estabilizar. Enquanto isso, filmou-se todo o procedimento a fim de marcar o tempo em que o transdutor levava para estabilizar. Depois, o termostato foi transferido para o banho quente a 30°C e esperou-se o transdutor estabilizar. O termostato foi novamente inserido no banho de gelo novamente até o transdutor estabilizar. Então, repetiu-se os procedimentos para o outro termostato. Feito isso, ajustou-se o banho termostático para 35°C, e repetiu-se o experimento para os dois termostatos.

1. Distribuição de Tarefas

Integrante	Atividade
Giovanni	Anotar os dados
Igor	Regular o banho termostático
José Augusto	Calibrar o transdutor
Julia	Imergir os termostatos no primeiro banho quente
Laressa	Imergir os termostatos no segundo banho quente
Paola	Coordenar o experimento
Victor	Filmar o painel do transdutor

1. Resultados

Considerando as propriedades do ferro constante consoante a variação de temperatura, obtém-se na literatura:

[pic 4]

[pic 5]

[pic 6]

Estas propriedades serão utilizadas a seguir no desenvolvimento da análise de parâmetros concentrados do regime transiente.

Supondo que          [pic 7]

Então a seguinte relação pode ser estabelecida:

[pic 8]

Onde [pic 9]

 e Lc é a dimensão característica dada por: [pic 10]

Essas equações serão utilizadas posteriormente para avaliar o coeficiente convectivo h.

Com os dados obtidos a partir dos vídeos feitos em aula, pode-se traçar os seguintes gráficos:

---

[pic 11]

Gráfico 1 - Temperatura em função do tempo para o aquecimento e resfriamento da esfera de 3mm (S3) no banho de 30ºC.

[pic 12]

Gráfico 2 -  Temperatura em função do tempo para o aquecimento e resfriamento da esfera de 3mm (S3) no banho de 35ºC.