Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Universidade do Estado do Rio de Janeiro Faculdade de tecnologia - FAT Laboratório de Engenharia Química II Alaina Lima de Paula Beatriz Pires de Oliveira Gabriel de Almeida Garcia Gabrielle Albuquerque Maciel Ingrid Militão da Costa Luiz Felipe Marcondes Carvalho Naiara Firmiano Fabiano da Silva Nathalia Alvim de Souza Transferência de calor em Regime Transiente Resende 2021 1 Transferência de calor em Regime Transiente Relatório apresentado como requisito parcial da aprovação da disciplina de Laboratório de Engenharia Química II da Faculdade de Tecnologia - FAT - UERJ. Resende 2021 2 RESUMO A transferência de calor é uma área da engenharia que explica diversas teorias e que integra a grade dos cursos de engenharia, essa área estuda principalmente fenômenos físicos relacionados a mudança de temperatura e estado de acordo com o tempo ( regime transiente), ou em um determinado tempo específico( regime permanente), esses fenômenos são conhecidos como convecção, condução e radiação. No experimento realizado, podemos observar a mudança do coeficiente convectivo em diferentes temperaturas, tempos, materiais e geometria, e o que esses dois últimos influenciam diretamente no fenômeno da convecção em regime transiente. Foram colocados esferas, cilindros e placas, dos materiais cobre, alumínio e aço dentro de um recipiente que foi alimentado com um fluido (água), e observou-se a mudança de temperatura ao longo do tempo, até que atingisse a temperatura de 60°C. A partir disso, fora do laboratório foi calculado o valor do coeficiente convectivo (h) experimentalmente e teoricamente, a posteriori foi determinado o número de Biot que validava o método (<= 0,1). Para avaliarmos melhor os cálculos o erro associado ao método foi calculado e então pudemos concluir se foi efetivo ou não o cálculo do h. 3 LISTA DE SÍMBOLOS q = Taxa térmica h = coeficiente de convecção ( W / m².K) A = área do sólido (m²) T = temperatura do corpo (°C) T ∞ = temperatura do fluido (°C) g = aceleração da gravidade (m/s2) Bi = número de Biot (adm.) Lc = comprimento característico (m) ks = coeficiente de condutividade térmica do sólido ( W·m -1 ·K -1 ) m=massa do corpo 9KG) t= tempo (s) U=Energia Interna V = volume do corpo (m³) ρ= massa específica do corpo (kg/m³) E entra = energia que entra no sistema E acúmuloE = energia acumulada no sistema 4 SUMÁRIO 1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 6 1.1 Transferência de calor 6 1.2 Número de Biot 7 1.3 Método da capacitância global 8 1.4 Aplicação 11 2 OBJETIVO 12 3 METODOLOGIA 13 3.1 Aparatos Experimentais 13 3.2 Experimento 14 3.3 Equações 15 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 19 5 CONCLUSÃO 26 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 27 ANEXO 1 E 2 - MEMÓRIA DE CÁLCULO 28 ANEXO 3 - SLIDES DA APRESENTAÇÃO ORAL 29 5 1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 1.1 Transferência de calor A transferência de calor é o fenômeno que ocorre quando há uma diferença de temperatura entre dois corpos. Esse evento pode ocorrer em função do tempo, isto é, as condições em alguns pontos podem variar de acordo com o tempo, o que caracteriza um Regime Transiente. O fenômeno pode ocorrer por convecção, condução e radiação. ● Convecção: o calor é transmitido através da movimentação dos fluidos, isto é, o meio material se desloca por correntes; ● Condução: o calor é transmitido pelo contato entre os corpos; ● Radiação: a transmissão ocorre por ondas eletromagnéticas. O escoamento do fluido é afetado por forças viscosas em torno da superfície do corpo, com isso, partículas próximas a essa superfície são desaceleradas até formar uma região onde o fluido possui velocidade próxima de zero, esta é classificada como camada limite, e sua espessura é igual a distância entre a superfície do corpo e a região onde a velocidade do fluido chega próximo a velocidade da corrente livre. Esse conceito foi elaborado por Prandtl em 1904. Analogamente, é possível determinar uma camada limite térmica. A espessura da camada limite está diretamente relacionada com a resistência térmica e inversamente proporcional ao coeficiente convectivo. Para diminuir essa espessura é preciso aumentar a velocidade do fluido, isto é a turbulência do mesmo (KREITH, 1977). A transferência de calor em regime transiente ocorre por convecção na área de interação sólido-liquido, onde o gradiente de temperatura do sólido é desprezível (Incropera et al., 2008). Ao desconsiderar o gradiente de temperatura do sólido, a determinação da resposta transiente da temperatura é dada pelo balanço global de energia (Incropera et al., 2008), onde: E entra = E acúmulo . No regime transiente podem ser utilizadas as seguintes soluções analíticas: ● Método dos parâmetros concentrados: despreza-se qualquer variação espacial no volume de controle. É descrito por número finito de equações diferenciais ou de diferenças ordinárias; 6 ● Método dos parâmetros distribuídos: todas as variações espaciais são consideradas no comportamento das variáveis. É descrito por infinitas equações ordinárias ou por equações diferenciais parciais. 1.2 Número de Biot O número de Biot é uma medida adimensional que relaciona a importância do processo de transferência de calor convectiva na fronteira do corpo em relação a transferência no seu interior; sendo expresso pela razão entre a resistência de convecção na transferência de calor para o fluido e a resistência de condução no interior do sólido. Equação 1: Número de Biot Onde: h = coeficiente convectivo de transferência de calor. Lc = comprimento característico, o qual é comumente definido como o volume do corpo dividido pela área da superfície do corpo. ks = coeficiente de condutividade térmica do sólido. Valores do número de Biot < 0,1 indicam que a condução de calor dentro do corpo é muito mais rápida que a convecção de calor a partir desua superfície, e torna a temperatura dentro dele considerada homogênea. Isto pode indicar a aplicabilidade (ou inaplicabilidade) de certos métodos de resolver problemas de transferência de calor transiente, como o método da capacitância global. Tendo-se um número de Biot menor que 0,1 caracteriza uma substância como "termicamente fina", e o calor pode ser considerado constante em todo o volume do material. O oposto é também verdadeiro: Um número de Biot maior que 0,1 (uma substância "termicamente espessa") indica que não se pode fazer esta pressuposição, e equações de transferência de calor mais complicadas para "transferência de calor transiente" irão ser requeridas para descrever o campo de temperatura variante no tempo e não espacialmente uniforme dentro do corpo material. 7 Bi = h.Lc / ks 1.3 Método da capacitância global Trata-se de um método simplificado que irá considerar que a resistência térmica na fronteira entre o sólido e o fluido >> resistência térmica no interior do sólido, podendo ser esta última, desprezada. Ou seja, no sólido tem-se uma temperatura uniforme que depende apenas do tempo, ou seja, T = T(t). A hipótese estabelecida para esse método é razoável sempre que o número de Biot for menor que 0,1 (Bi < 0,1). Um número de Biot menor que 0,1 indica tipicamente que 5% de erro irá estar presente quando pressupõe-se um modelo discreto de capacitância de transferência de calor transiente. Não existindo gradientes de temperatura, a análise deve ser feita por um balanço global de energia, anulando-se os termos de PRODUÇÃO e CONSUMO, além de desconsiderar SAÍDA em processos de aquecimento, ou desconsiderar ENTRADA em processos de resfriamento, como visto abaixo: Equação 2 : Balanço de Energia Global simplificando: Equação 3 : Balanço de Energia Global simplificado 8 ENTRADA – SAÍDA + PRODUÇÃO - CONSUMO = ACÚMULO SAÍDA = – ACÚMULO (resfriamento) ENTRADA = ACÚMULO (aquecimento) A ENTRADA ou SAÍDA é predominantemente transferência convectiva, conforme as hipóteses consideradas pelo método, sendo regida então pela lei do resfriamento de Newton: Equação 4: Lei de resfriamento de Newton Para obtermos a equação para o ACÚMULO, iremos observar que todo calor irá resultar na diferença da energia interna do corpo, considerando suas propriedades, como massa e calor específico, resultando: Tabela 1: Equações para ACÚMULO 9 U Cv T∫ d = ∫ * d v Cp (para sólidos)C = Relacionando as equações acimas, pode-se obter o coeficiente convectivo: Equação 6: Relação das equações de ACÚMULO com a Lei de resfriamento de newton Definimos então uma variável auxiliar, θ ≡ T − T∞, e fazemos uma mudança de variáveis na eq.6, que rearranjada se torna Equação 7 : Substituindo pela variável teta Integrando a eq.7 entre o instante inicial, t = 0 e um instante qualquer t, chegamos a: Equação 8: Integrando a equação com a nova variável onde: θi ≡ Ti −T∞. Com base nesta equação, para um dado fluido e uma determinada condição de escoamento o valor de poderá ser obtido medindo-se a variação da temperatura do sólido ao h longo do tempo, traçando um gráfico relacionando ln(θ/θi) e calculando o coeficiente angular da reta de ajuste dos pontos, que será igual a . h A (ρ c V ) − s/ s s s 10 1.4 Aplicação O número de Biot tem uma variedade de aplicações, incluindo o uso em cálculos de transferência de calor em superfícies estendidas. Imaginando-se o fluxo de calor a partir de uma pequena esfera de metal quente, repentinamente imerso em uma piscina, para o fluido circundante. O fluxo de calor percorre por duas resistências distintas: a primeira na superfície da esfera e a segunda dentro do metal sólido (a qual é influenciada tanto pelo tamanho como pela composição da esfera). Se a resistência térmica da interface fluido/esfera excede aquela resistência térmica oferecida pelo interior da esfera metálica, o número de Biot será menor que um. Para sistemas onde é muito inferior a um, o interior da esfera pode ser presumido como sempre tendo a mesma temperatura, embora esta temperatura possa estar mudando, na medida em que o calor passa para a superfície da esfera. A equação para descrever essa mudança (relativamente uniforme) de temperatura dentro do objeto, é uma exponencial simples descrita na lei de Newton do resfriamento. Em contrapartida, a esfera de metal pode ser grande, fazendo com que o comprimento característico aumente a tal ponto que o número de Biot é maior que um. Agora, gradientes térmicos dentro da esfera tornam-se importantes, apesar de o material da esfera ser um bom condutor. Equivalentemente, se a esfera é feita de um material isolante (pobremente condutivo), tal como madeira ou "isopor", a resistência interna ao fluxo de calor vai superar a da contorno fluido/esfera, mesmo com uma esfera muito menor. Neste caso, novamente, o número de Biot será maior do que um. 11 2 OBJETIVO Esta prática tem como objetivo avaliar o processo de transferência de calor em regime transiente (com variação de temperatura ao longo do tempo) entre um sólido e um fluido, através da evolução da temperatura de diversas peças, como placas, esferas e cilindros de diferentes tipos de materiais, no decorrer do tempo. Desta forma iremos avaliar principalmente o coeficiente de convecção e sua variação de acordo com a geometria, material e meio em que se encontra, podendo ser de resfriamento ou aquecimento. 12 3 METODOLOGIA 3.1 Aparatos Experimentais Para realizar o experimento utilizamos: ● Dois tanques interligados, sendo eles: ○ Tanque de imersão dos corpos ○ Tanque de aquecimento ● Medidor de temperatura e chave seletora ● 7 corpos de prova distintos com entrada central para termopar, sendo eles: ○ Esferas de Alumínio e Cobre ○ Placas de Alumínio e Cobre ○ Cilindros de Aço, Alumínio e Cobre Na Figura 1, podemos observar o reservatório por uma visãoexterna. Figura 1: Aparato experimental (visão externa) 13 Já na Figura 2, observamos ele internamente, podendo observar cada componente do mesmo. Figura 2: Aparato interno, e todos os componentes da prática 3.2 Experimento Primeiramente posiciona-se a chave seletora ao corpo de prova que será testado naquele primeiro momento, após isso o sistema é ligado, e é programado até que a temperatura do mesmo atinja 60ºC. Então aguarda-se até que a temperatura do fluido atinja o equilíbrio térmico. Após esses procedimentos, anota-se a temperatura do fluido no ponto inicial e acopla-se o medidor de temperatura no interior do sólido. Em seguida mergulha-se o corpo no sistema, com o auxílio do suporte de corpo de prova e anota-se a temperatura Ts indicada no medidor de acordo com a variação da temperatura com o tempo, utilizando-se de um cronômetro, até que se atinja a temperatura de equilíbrio. Após 14 isso, retira-se o corpo de prova com o suporte e por fim repete-se esse procedimento com os demais corpos de prova. Este experimento refere-se ao aquecimento dos corpos de prova. Ao final do experimento, quando a esfera de alumínio saiu do aquecimento, iremos anotar e avaliar agora a convecção natural que ocorre no objeto através do resfriamento, anotando a diferença de 1°C com o tempo. A partir disso também veremos o mesmo experimento, mas agora com convecção forçada, onde temos um auxílio de um ventilador. 3.3 Equações Pela equação global do balanço de energia, visto na Equação 9 abaixo: Equação 9: Balanço de Energia Global Como não ocorre reação química, logo : ● Geração = 0 No processo de aquecimento: ● Saída = 0 O processo de transferência de calor do sólido com meio externo é a convecção, então ficamos com o balanço igual a Equação 10: Equação 10: Balanço Global para Regime Transiente sem reação química 15 ENTRA – SAI + PRODUÇÃO - CONSUMO=ACÚMULO ENTRA = ACÚMULO Sabendo que trata-se de convecção teremos a entrada sendo a Equação 11: Equação 11: Entrada dada por convecção (Lei de Resfriamento de Newton) O acúmulo é dado pela variação da energia interna, mostrada na Equação 12: Equação 12: Variação da energia interna Sendo a Equação 13 a que descreve a massa do corpo, mostrada abaixo: Equação 13: Massa do corpo Temos a parcela de energia interna sendo a Equação 14, mostrada a seguir: Equação 14: Parcela de energia interna Como é corpo de prova podemos aproximar Cv e Cp, então ficamos com a Equação 15 abaixo: 16 q=h*A*(T-T ∞ ) dU= C v *Dt Equação 15: Acúmulo do Balanço Então ficamos com a Equação 16, sendo o que entra = acúmulo representado por: Equação 16: Entra = Acúmulo Integrando e assumindo que t=0 e T=To temos a correlação, representada pela Figura 3: Figura 3: Correlação entre a temperatura e o tempo Essa correlação pode ser representada pela Equação 17: Equação 17: Correlação entre Temperatura e Tempo Sabemos que a relação entre comprimento característico (Lc) multiplicado pelo coeficiente de convecção e condutividade térmica é o número de Biot, representado pela Equação 18: Equação 18: Número de Biot 17 O comprimento característico é a relação entre o volume e a área da seção transversal d e acordo com sua geometria, representado pela Equação 19: Equação 19: Comprimento característico Para validarmos o método, o erro associado ao uso do mesmo necessita ser desprezível, para isso ocorrer a Equação 20, precisa ser verdadeira. Equação 20: Validação do método Para o cálculo do h teórico foi utilizado a Equação 21 a seguir e para que conseguíssemos minimizar o erro utilizamos o solver do Excel. Equação 21: Método iterativo para cálculo do h teórico Para o cálculo do erro, para mostrar a comparação de um método para outro iremos usar a Equação 22 abaixo, onde descreve qual deverá ser o erro entre um valor teórico e experimental: Equação 22: Erro percentual 18 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES Os dados experimentais foram fornecidos pela professora e nelas já estão contidos os cálculos do comprimento característicos (Lc), eles estão descritos na tabelas abaixo: Tabela 2 : Dados experimentais dos Cilindros Tabela 3: Dados experimentais das Placas Tabela 4: Dados experimentais das Esferas 19 Material Diâmetro médio* (m) Comprimento (m) Área (m²) Volume (m³) LC Alumínio 0,05115 0,15205 0,02854215715 0,0003124314 708 0,0109463159 7 Aço 0,05105 0,15305 0,02863871116 0,0003132578 043 0,0109382647 3 Cobre 0,051 0,15265 0,02854256948 0,00031182737 12 0,0109249929 8 Placas Material Espessura média* (m) Compriment o (m) Largura (m) Área (m²) Volume (m³) LC Alumínio 0,0129 0,1011 0,15235 0,03734418 0,000198693 3465 0,00532059 7386 Cobre 0,0128 0,1011 0,15265 0,03736183 0,000197541 312 0,00528724 9367 Esferas Material Diâmetro médio* (m) Área (m²) Volume (m³) LC Alumínio 0,051 0,0081710415 0,00006945385275 0,0085 Cobre 0,051 0,0081710415 0,00006945385275 0,0085 Para os possíveis cálculos do coeficiente convectivo, foram utilizados os dados listados para cada material, eles estão na Tabela 5: Tabela 5: Propriedades termofísica dos materiais Os primeiros resultados serão para o aquecimento, a posteriori virá a discussão dos dados do resfriamento. Utilizando o excel como ferramenta de trabalho, utilizaremos os dados e a Equação 17, que correlaciona a temperatura e o tempo, para realização do cálculo do coeficiente h, temos então os seguintes valores dos coeficientes pela Tabela 5: Tabela 5: Coeficiente convectivo experimental Após os valores de H, podemos perceber o quanto a geometria e o material fazem a diferença no valor calculado, ou seja, o coeficiente depende diretamente da área e da massa específica. Para validar o método foi utilizado a Equação 20, onde o número adimensional de Biot deve ser menor ou igual a 0,1, vejamos os valores do número de Biot, pela Tabela 6: 20 Material CP (J/kg.K)ρ (kg/m³) k (W/m.K) Alumínio 903 2702 237 Aço 434 7854 60,5 Cobre 385 8933 401 Tabela 6: Número de Biot Podemos perceber que apenas um dentre todos os números não estão dentro da validação do método, isso pode ter ocorrido por algum erro experimental, como má condução do material, ou erro na cronometragem. Isso prova que o método utilizado, da capacitância global, se adequa e é satisfatório para o cálculo do coeficiente convectivo. Temos então que efetuar os cálculos teóricos para nível de comparação, e ver se realmente tudo realizado experimentalmente consegue ser condizente com o teórico. Abaixo está a Tabela 7 de valores teóricos do h, para cada geometria em cada material, os dados foram compilados e minimizados no Solver. Tabela 7: Coeficientes calculados pela Equação 21 21 Os dados apresentados acima, mostram o valor do HMED, calculado pela Equação 21, onde temos um método iterativo, que resolvemos no Solver, para minimizar os erros e conseguir rodar o programa. É possível notar a diferença entre o h experimental e o teórico, por isso compilamos os erros percentuais de cada um, para podermos discutir sobre os mesmos. A Tabela 8 abaixo mostra tais dados: Tabela 8: Erro Percentual É possível notar que com a Equação 22, nos dá valores gritantes de erro, que não conseguiram ser minimizados com o solver, alguns estão com erros aceitáveis, porém dois erros foram os que mais chamaram a atenção, onde o erro passa de 80%, isso pode ser reflexo de erros humanos, na condução da aparelhagem, ou até sejam erros que estejam dentro do esperado visto que o número de Biot para o cilindro de aço, foi maior que 0.1, ficando assim fora da validação do método. Além disso também calculamos o valor do número de Biot para o método teórico, segue a Tabela 9: 22 Tabela 9: Número de Biot para valores teóricos Mostrando que o método é válido e satisfatório, porém ainda possui um erro muito grande. Para os valore em relação ao resfriamento em convecção forçada e natural tivemos os seguintes valores, começando com o valor experimental, representado pela Tabela 10: Tabela 10: Coeficiente convectivo experimental Temos também o valor do número de Biot, para validarmos ou não o método utilizado, está representado na Tabela 11: Tabela 11: Biot experimental 23 Percebemos que os números estão satisfatórios, de acordo com o método utilizado, encontrado na Equação 17. Agora fazendo a comparação com o valor teórico temos a Tabela 12: Tabela 12: Resfriamento da esfera para descobrir HMED teórico É possível notar a diferença de cada um dos modelos, por isso fizemos a avaliação pelo erro, e temos na Tabela 13 a seguir os dados: Tabela 13:Erro percentual resfriamento Notamos que na convecção houve um erro parcialmente aceitável, e na convecção natural tivemos um erro alto, mais de 50%, ou seja, precisamos encontrar o erro para minimizá-lo ao máximo. Calculamos também o número de Biot para esse experimento, ele se apresenta na Tabela:14 24 Tabela 14: Biot para resfriamento teórico Podemos notar que independente do número de Biot sendo validado, o erro ainda assim continua muito elevado, mostrando que não estamos errando no método e sim no modo avaliativo do experimento. Em relação aos erros que podem acontecer durante o experimento, erro na calibração de algum equipamento, erros ao conduzir o corpo de prova, ou erro na cronometragem, por falha humana, isso são alguns dos possíveis erros que afetariam em alguns casos onde foi encontrado um erro maior que 80%. Ou além disso pode ter sido a utilização de alguma equação não ideal. 25 5 CONCLUSÃO Após a realização do experimento, verificamos a transferência de calor por convecção entre sólidos de diferentes corpos de prova e o fluido. Eles foram submetidos a diferentes situações como aquecimento e resfriamento ao longo do tempo. Ademais, podemos observar que o coeficiente convectivo sofreu variação devido a alguns fatores como: material, geometria e o meio que ocorre a transferência de calor. Ao compararmos os resultados obtidos no experimento com os teóricos, observamos que o erro teve uma diferença significante em alguns casos que pode ter ocorrido devido a erros na realização do experimento ou termos escolhido um método inadequado para realizarmos os cálculos. 26 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS INCROPERA, F. P. et al. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. 6. ed. [S.I.]: LTC, 2007. p. 2-639. KREITH, F. Princípios da Transmissão de Calor. Tradução da 3ª ed. Americana: Eitaro Yamane, Otávio de Mattos Silvares, Virgílio Rodrigues Lopes de Oliveira. São Paulo: Edgard Blücher, 1977. ISOFLAMA, Número de Biot. acesso online em 26 de agosto de 2021, disponível em: Número de Biot (isoflama.com.br) ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO (USP), Transferência De Calor Por Convecção, acesso online em 26 de agosto de 2021, disponível em: PME3238-RL-Conveccao.pdf (usp.br) 27 http://www.isoflama.com.br/assets/pdf/literaturas/1484070963.pdf https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/5062825/mod_resource/content/2/PME3238-RL-Conveccao.pdf
Compartilhar