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.

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 MédiaU1 (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

Figura 1 - Equipamento utilizado para realização do experimento.

variações. As temperaturas do meio e para as duas tensões

estão apresentadas na tabela abaixo:

Tabela 2 - Tabela de temperaturas obtidas.

Temperatura da superfície doferro (K)

Temperatura do meio (K)

Ts1 = 378,15 T∞1 = 300,75Ts2 = 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 = 6,4907R2 = 15,2 P2 = 10,2796

P=U2/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.

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

Figura 2 – Cálculo da área

(natural). Ao aplicar essas variáveis na equação 1, pode-se

obter os seguintes resultados:

Coeficiente de película (W/m2K)h1 = 5,819h2 = 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>