DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR CONVECTIVO PELO MÉTODO DA CAPACITANCIA GLOBAL

Laboratório de Físico-Química 2, Beatriz Santos Nogueira de Souza, Júlio Tenório de Oliveira; Determinação do Coeficiente de Transferência de Calor Convectivo pelo Método da Capacitância Global

DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR CONVECTIVO PELO MÉTODO DA CAPACITÂNCIA GLOBAL	Experimento 4
Beatriz Santos Nogueira de Souza, Júlio Tenório de Oliveira.
Departamento de Engenharia Química, Curso de Química Industrial, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, Brasil
Professor: Luciano Costa Almeida
Data da prática: 19/04/2022; Data de entrega do relatório: 26/04/2022.

Resumo

Durante a prática experimental foi medida a área da peça de alumínio e foram obtidos os dados de temperatura e tempo para a peça, após aquecida, atingir a temperatura ambiente e estabilizar. Com isto, foi possível calcular e plotar um gráfico para a transferência de calor pelo ar estagnado fora do sistema isolante e pelo ar forçado. Os resultados levaram a se determinar experimentalmente o coeficiente de transferência de calor por convecção, h, dentro da faixa referenciada pela literatura.

Palavras chaves: Alumínio; Aquecida; Ar estagnado; Ar forçado; Capacitância.

Sumário

Introdução        1

Metodologia        1

Resultados e Discussão        3

Conclusão        4

Referências        5

Introdução

A transição  de energia térmica, também conhecida como transferência de calor, é a transição  entre uma massa mais quente e uma massa mais fria. A massa ou corpo pode ser sólido ou um fluido.

        Os sistemas que envolvem estas mudanças de energia termodinâmica, são três:

1. O sistema aberto que pode trocar matéria e energia com a vizinhança;
2. Um sistema fechado tem uma quantidade fixa de matéria, mas pode trocar energia com a vizinhança;
3. Um sistema isolado não pode trocar matéria nem energia.

        No que diz respeito às formas de propagação de calor há três maneiras diferentes: condução, convecção e radiação.

        A transferência de calor por convecção está associada à troca de energia entre uma superfície e um fluido adjacente. Onde a maioria das práticas ocorre com a movimentação de um fluido, que deverá ser considerado o ar neste relatório.

        O Método da Capacitância Global é empregado para determinar a variação de temperatura da superfície de um corpo em relação ao tempo, desta forma, o valor do coeficiente de transferência. Neste método se desconsidera o gradiente de temperatura dentro do corpo, para este experimento, uma peça metálica.

        Aplica-se, portanto, no método o balanço de energia. Obtendo desta forma as equações 1 e 2.

Equação 1: Balanço de Energia.

 →    (1)[pic 1][pic 2]

Onde: Ee= Energia entrando; Es= Energia saindo; Ea= Energia acumulada.

Equação 2: Coeficiente de calor por convecção.

           (2)[pic 3]

Onde: h= coeficiente de calor por convecção (W/m2K); As=área superficial da peça (m2); V= volume (m3); Ts= temperatura da peça metálica no instante t (K); T∞= temperatura do meio ambiente (K); ρ= densidade da peça metálica (kg/m3); Cp= capacidade calorífica do material (J/kg.K); t= tempo (s); f= inclinação angular da reta.

Metodologia

O experimento foi realizado com o uso de uma amostra de um cilindro de alumínio em duas situações distintas. O coeficiente de transferência de calor será determinado utilizando dois tipos de

sistemas: Ar estagnado e convecção forçada.

Ar Estagnado (sistema não isolante)

É aferida a temperatura ambiente enquanto a peça metálica de alumínio encontra-se em aquecimento na estufa a 100°C durante 20 minutos.

Ao atingir o tempo, a peça foi retirada e com o auxílio de uma pinça metálica e de uma luva térmica a peça foi levada a superfície da bancada de convecção natural e em sequência foi acoplado o termopar. Com o termopar ligado e com o auxílio de um cronômetro, de 5 em 5 segundos foi realizada a leitura da temperatura. Após observar a demora para diminuição de 1°C, a leitura deve passar a ser realizada de 10 em 10 segundos até chegar a uma temperatura de estabilização ou a temperatura ambiente.  

Ar forçado

O processo de aquecimento da peça metálica é repetido. Ao atingir o tempo, a peça é retirada, o termopar é adicionado e a peça é levada até uma superfície na altura para entrar em contato com o ar direcionado do ventilador.  

Com o termopar ligado e com o auxílio de um temporizador, de 5 em 5 segundos foi realizada a leitura da temperatura. Após observar a demora para diminuição de 1°C, a leitura deve passar a ser realizada de 10 em 10 segundos até chegar a uma temperatura obtida na estabilização do experimento anterior (ar estagnado).

O coeficiente de transferência de calor por convecção, h, segundo a lei do resfriamento de Newton, é o ponto chave para se obter a quantidade de calor transferida de uma superfície para um fluido ou vice-versa. Portanto, a determinação do h está diretamente relacionada com a taxa de transferência de calor [2]. O experimento consistiu em determinar o coeficiente de transferência convectivo através do método da Capacitância Global

 Resultados e Discussão

Foram obtidos os dados da peça através da medição da massa e das suas  dimensões e da literatura, estes dados estão na tabela 1.