UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ENGENHARIA QUÍMICA ENGENHARIA QUÍMICA
JÉSSICA DE CAMPOS LARISSA DINIZ LUCAS STEFAN ROMULO CARDOSO
RELATÓRIO TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONVECÇÃO NATURAL E FORÇADA
PONTA GROSSA 2017
JÉSSICA DE CAMPOS LARISSA DINIZ LUCAS STEFAN ROMULO CARDOSO
AULA PRÁTICA 6 TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONVECÇÃO NATURAL E FORÇADA
Relatório a ser apresentado como requisito obtenção de nota parcial, na disciplina de Laboratório de Engenharia Química 1, ministrado pela Prof. Dr. Maria Regina Parise do curso de Engenharia Química da Universidade Paraná.
PONTA GROSSA 2017
Tecnológica
Federal
do
1. INTRODUÇÃO A ciência da Transferência de Calor se refere à análise da taxa de transferência de calor em um sistema e está relacionada à grandeza mensurável chamada Temperatura. Ou seja, transferência de calor é energia térmica em trânsito devido a uma diferença de temperaturas no espaço. O fluxo de calor (quantidade de calor transferido por unidade de área por unidade de tempo) ocorre sempre que há um gradiente de temperatura em um sistema, por isso, o conhecimento da distribuição de temperatura no sistema é essencial nos estudos de transferência de calor. Existem três modos para o processo de transferência de calor:
Condução: quando existe um gradiente de temperatura para um meio estácionário, que pode ser um sólido ou um fluido;
Convecção: se refere à transferência de calor que ocorrerá entre uma superfície e um fluido em movimento quando eles estiverem a diferentes temperaturas;
Radiação térmica: todas as superfícies com temperatura não nula emitem energia na forma de ondas eletromagnéticas.
O modo de tranferência de calor por convecção abrange dois mecanismos, sendo estes observados na transferência de energia devido ao movimento molecular aleatório (difusão), e também na energia transferida através do movimento global, ou macroscópico, do fluido. Tal movimento na presença de um gradiente de temperatura, contribui para a transferência de calor. Desse modo, temos como principal objetivo deste experimento, analisar a trasnferência de calor por convecção natural e forçada, que ocorre com o contato entre um fluido em movimento e uma superfície, estando os dois a diferentes temperaturas.
Figura 1 – Desenvolvimento da camada limite na transferência de calor por convecção
A transferência de calor por convecção pode ser classificada de acordo com a natureza do escoamento do fluido. Ela é dita convecção forçada (Fig. 2a) quando o escoamento é causado por meios externos (como um ventilador ou uma bomba) ou quando o escoamento é de ventos atmosféricos. Na convecção natural ou livre (Fig. 2b), o escoamento dos fluidos é induzido por forças de empuxo, originadas a partir de variações de densidade causadas por diferenças de temperatura no fluido. Na prática, podem ocorrer situações nas quais ambas as formas de convecção ocorrem simultaneamente. Diz-se, neste caso, que há convecção mista.
Figura 2 – Transferência de calor por convecção. (a) Convecção forçada. (b) Convecção natural
A radiação é a energia emitida na forma de ondas eletromagnéticas por uma superfície a uma temperatura não nula. A radiação térmica é a energia eletromagnética propagada na velocidade da luz, emitida pelos corpos em virtude de sua temperatura. Os átomos, moléculas ou elétrons são excitados e retornam espontaneamente para os estados de menor energia. Neste processo, emitem energia na forma de radiação eletromagnética. Uma vez que a emissão resulta de variações nos estados eletrônico, rotacional e vibracional dos átomos e moléculas, a radiação emitida é usualmente distribuída sobre uma faixa de comprimentos de onda. Estas faixas e os comprimentos de onda representando os limites aproximados são mostrados na Fig. 3. O processo de transferência de calor por radiação ocorre de um corpo a alta temperatura para um corpo a baixa temperatura, quando estes corpos estão separados no espaço, ainda que exista vácuo entre eles.
Figura 3 – Espectro de Radiação Eletromagnética
Nesta prática o equipamento utilizado foi o TCLFC (unidade de transferência de calor por convecção livre e forçada, controlada por computador):
O equipamento realiza a transferência de calor entre uma placa plana, esta que é aquecida e se encontra no interior do equipamento e por um fluido, ar atmosférico. Para a convecção forçada, um ventilador que se localiza na parte superior do equipamento movimenta o ar.
2. RESULTADOS E CONCLUSÃO 2.1. CONVECÇÃO NATURAL No primeiro experimento estávamos interessados na determinação do coeficiente convectivo e na taxa de transferência de calor em um processo de convecção natural. Para isso, foram feitas medidas da potência de resistência da placa, em % e em W e mediu-se também a temperatura da placa T s,, da temperatura do fluido na corrente livre T ∞, e na vizinhança T viz. A obtenção dessas medidas foi realizada uma vez por cada grupo, e os resultados obtidos para este relatório segue na tabela a seguir: Experimento
AR – 1(%)
ST8(TsºC)
ST7(T∞ºC)
ST4(TvizºC)
SW 1 (W)
Área (m2)
1
65
70,5
18,7
20,8
82,6
0,01 m2
Tabela 1 . Dados do experimento
∞ = + 2
Com os dados obtidos calculou-se a média entre a temperatura da placa e do fluido na corrente livre para determinar a temperatura de filme, T f , com a qual se obtêm as propriedades do fluido, por meio da tabela de propriedades de fluidos no livro Incropera (tabela A.4 – Propriedades termofísicas de gases à pressão atmosférica): Temperatura
Propriedades
de filme Experimento
Tf (ºC)
Tf (K)
v (m/s2)
k(W/m.K)
µ(N.s/m2)
1
44,6
317,6
1,8 E-05
0,02685
19,31E-
Pr
β (1/K)
0,704 0,003147
05 Tabela 2. Dados da literatura para o fluido A partir dos valores obtidos, utilizando-se das correlações da literatura, calculou-se então o coeficiente convectivo. As equações empregadas para tais cálculos foram as seguintes:
= 1 ã ; .. − . ∞ =.= . , çã (9,81 ), 0,1, ú ℎ / ̅ ℎ . 0, 6 70 ̅ = =0,68+ / / 0, 4 92 [1+0,7074 ] Os valores obtidos com os cálculos foram os seguintes: Experimento
Ra
Nu
h (W/m2.K)
1
3949830
21,4
5,74
Tabela 3. Dados do cálculo do h médio para convecção forçada
Calculou-se também o h méd, por meio de outra correlação para efeito de comparação. As equações utilizadas e os resultados obtidos foram os seguintes descritos na tabela:
⁄ 0, 7 5 = ⁄ ⁄ 0,609+1,221. +1,238. .. − . ∞ = ⁄ ̅ ℎ . 4 ̅ = = 3 ( 4 ) . Resultados
β
1
0,003147
Gr
4672529
g(Pr)
Nu
h
0,501
21,96
5,89
Tabela 4. Dados do cálculo do h médio com um método alternativo
2.1.1. CÁLCULO DA TAXA Usando a Lei do Resfriamento de Newton:
q = 5,74.(0,1)2.(70,5 – 18,7) q convecção = 2,9733 W Para a taxa de transferência de calor por radiação consideramos ε=0,04 e σ=5,67.10-8W/m2K4. Desse modo, podemos encontrar a taxa de transferência de calor
por radiação, total e a eficiência da transferência de calor pelas equações a seguir:
Logo, temos a tabela: Taxa
qconv (W)
qrad (W)
qtotal (W)
η (%)
1
2,9733
5,575E-4
2,974
3,7258565
5. cálculo da eficiência.
2.2
CONVECÇÃO FORÇADA Em uma segunda etapa, realizou-se um experimento para a determinação do
coeficiente convectivo e a taxa de transferência de calor em um processo de convecção forçada. Desse modo, foram feitas medidas da potência da resistência da placa, em % e em W, mediu-se a temperatura da placa T s,, a temperatura do fluido na corrente livre T ∞ e na vizinhança, T viz. A obtenção dessas medidas foi realizada uma vez por cada grupo, e os resultados obtidos para este relatório segue na tabela a seguir:
Potência
AR –
do
1(%)
ST8(TsºC) ST7(T∞ºC) ST4(TvizºC)
SW1
SC1
Área
(W)
(m3/h)
(m2)
82,2
6,0
0,01
ventilador 50 %
65%
79,1
18,5
19,5
Tabela 6. Dados do experimento (2) Temperatura
Propriedades
de filme
do ar
Experimento
Tf (ºC)
Tf (K)
v (m/s2)
k(W/m.K)
µ(N.s/m2)
1
48,8
321,8
18,5E-6
0,0272
19,515E-6
Tabela 7. Dados do fluido a temperatura do filme
/3 1,058
Pr 0,704
Após os resultados obtidos, calculou-se então o coeficiente convectivo para a convecção forçada pelas seguintes relações:
= .. Para tal cálculo, considerou-se a vazão igual a 6,0 m 3/h. Converteu-se esse valor para velocidade considerando-se uma área transversal de 100mm por 100mm para o escoamento. Como o valor de Re foi menor que 500000, o escoamento é laminar, e o xcrítico = 45,43m, pode-se então usar a correlação:
̅ = ℎ̅. =0,664.// Os resultados obtidos foram: Resultados
Q (m3/h)
Q (m3/s)
v (m3/s)
Re
Nu
h (W/m2.K)
1
6
1,667E-3
0,166
904,005
17,81
4,844
Tabela 8. Cálculo h médio convecção forçada 2.2.1. CÁLCULO DA TAXA Aplicando a lei do resfriamento de Newton, calculou-se a taxa de transferência de calor por convecção:
Considerando ε=0,04 e σ=5,67.10-8W/m2K4. Desse modo, podemos encontrar a taxa de transferência de calor por radiação, total e a eficiência da transferência de calor pelas seguintes equações:
Utilizando dessas relações, obtivemos os seguintes resultados: Taxa
qconv (W)
qrad (W)
qtotal (W)
η (%)
1
2,9355
8,85E-4
2,93638
3,572
Tabela 9. Cálculo da taxa e eficiência.
3.
CONCLUSÃO
Com o experimento do estudo da ação da convecção na troca de calor, foi possível observar que para que haja uma taxa de transferência de calor e também uma troca térmica eficiente, é preciso que ocorra um gradiente de temperatura entre a superfície e o fluido. Em teoria as etapas devem concluir que as taxas obtidas de transferência de calor devido á convecção é maior quando ela é forçada por um agente externo, como bombas, ventiladores, etc. No entanto, quando se trata das taxas de transferência de calor que relacionada a radiação, a convecção natural se torna a mais influente no processo de troca térmica. Desse modo, em relação ao processo da radiação, concluímos que a transferência de calor ocasionada pela radiação tem maior influência sobre o meio, quando envolve a transferência de calor por convecção natural. Por fim, a convecção forçada mostrou-se com valores parecidos ao da convecção natural com os resultados obtidos através dos cálculos, mesmo que a literatura aponte o contrário. Isso se poderia explicar pelo fato do experimento ser realizado em regime transiente, o que impediria a demonstração exata da teoria. A convecção forçada, no entanto, não se torna vantajosa em devido ao gasto de energia, gerando assim custos adicionais para o processo. Desse modo concluímos que, quando não é necessária uma alta taxa de transferência de calor, torna-se mais viável a aplicação da convecção natural para esses processos. Mesmo com os erros existentes durante o procedimento da prática, os resultados obtidos nos experimentos encontram-se de acordo com a literatura consultada, Incropera.
4.
REFERÊNCIAS
ÇENGEL, Yunus A.; GHAJAR, Afshin J. Transferência de calor e massa. 4 ed. Porto Alegre: AMGH EDITORA LTDA, 2012. INCROPERA, Frank P. [et al.]. Fundamentos de transferência de calor e de massa. Tradução de: Fundamentals of heat and mass, 6th ed. Rio de Janeiro: LTC, 2011.
