CONVECÇÃO FORÇADA EM TÚNEL DE VENTO

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BANCADA DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR: CONVECÇÃO FORÇADA EM TÚNEL 
DE VENTO 
Fenômenos de Transferência e Operações Unitárias Experimental I 
Professor: Débora de Pellegrin Campos – 15/11/2023 
 
Amanda Gislon Silvano 
Amanda Silveira 
Heloísa Gonçalves 
Verônica Maier 
 
1 OBJETIVOS 
 
A meta consiste em determinar os coeficientes de transferência de calor 
por convecção ao longo da superfície de um cilindro, estabelecendo uma conexão 
entre eles e as temperaturas de equilíbrio, velocidades de fluxo e propriedades do ar. 
A análise se concentrará na interligação entre o coeficiente convectivo e o número de 
Reynolds (Re), bem como na formulação de relações entre o número de Nusselt (Nu) 
com Re e Prandt (Pr), para fins de comparação com dados previamente 
documentados na literatura. 
 
2 RESULTADOS E ANÁLISES 
 
O experimento conduzido em laboratório envolve a utilização de um túnel 
de vento equipado com um ventilador axial, cuja potência pode ser ajustada. Dentro 
deste túnel, encontra-se um cilindro de alumínio. Este cilindro possui uma resistência 
elétrica ôhmica de 250 W, possibilitando o aquecimento controlado do corpo sólido. 
A convecção forçada em um túnel de vento consiste na troca de calor entre 
um fluido em movimento, como o ar, e um objeto sólido, impulsionada pela ação de 
um ventilador ou outro dispositivo que induz o movimento do fluido. 
O arranjo experimental possui um equipamento para medir a vazão ou 
velocidade do ar, modelado como um anemômetro, utilizado para mensurar e regular 
a velocidade do fluxo de ar que passa pelo túnel de vento. 
 2 
 
 
 
Para acompanhar as condições de temperatura na superfície do cilindro, 
foram fixados quatro sensores de temperatura, conhecidos como termopares. O 
sistema conta também com um painel de controle que integra um potenciômetro, 
composto por um voltímetro e um dispositivo de ajuste para controlar e monitorar o 
aquecimento do cilindro. Esse painel inclui indicadores de temperatura que facilitam a 
observação das condições térmicas em tempo real. 
 
2.1 COEFICIENTES CONVECTIVOS 
 
Foi essencial utilizar o princípio de Newton para resfriamento, para começar 
a analisar os coeficientes de convecção em relação à velocidade do ar, assim, foi 
necessário utilizar uma equação 1: 
 
 ℎ =
𝑞
(𝑇𝑠−𝑇∞)𝐴
 (1) 
 
Onde: 
q - Taxa de geração de calor (em W). 
h - Coeficiente convectivo (em W/m².K ou W/m².°C). 
Ts - Temperatura da superfície do objeto (em °C ou K). 
T∞ - Temperatura do ar (em °C ou K). 
A - Área da superfície (em m²). 
 
A partir do experimento realizado na bancada, foram coletados todos os 
dados para obtenção dos coeficientes convectivos em função da velocidade do ar. 
Para cada velocidade de ar, a temperatura Ts foi encontrada a partir da média das 
temperaturas de cada termopar. 
 
 
 
 
 
 3 
 
 
 
Tabela 1: Dados obtidos a partir do experimento realizado. 
Velocidade 
(m/s) 
Anemômetro 
(°C) 
Termopar 1 
(°C) 
Termopar 2 
(°C) 
Termopar 3 
(°C) 
Termopar 4 
(°C) 
Média Ts 
(°C) 
h 
(W/m².°C) 
- 25,4 29,1 33,2 35 32,9 - - 
4 25,8 95,4 103,2 114 101,4 103,5 66,1 
3,5 25,8 104,5 112,4 123,3 111,3 112,9 59,0 
3 25,9 110,4 117,3 129,5 117,2 118,6 55,4 
2,5 25,9 114,2 122,2 134,6 121,9 123,2 52,8 
2 25,9 129,8 137,5 151,1 136,7 138,8 45,5 
1,5 25,9 140,3 147,5 162,2 147,4 149,4 41,6 
1 25,9 147,7 155,5 170,2 155,5 157,2 39,1 
Fonte: Dos autores (2023). 
 
Figura 1: Gráfico da velocidade em função do coeficiente convectivo. 
 
Fonte: Dos autores (2023). 
 
Ao traçar um gráfico com os valores obtidos, torna-se evidente a relação 
entre a velocidade do fluido e o coeficiente de transferência de calor por convecção 
(h). À medida que a velocidade do ar cresce, o coeficiente convectivo também 
aumenta, resultando em uma taxa de transferência de calor maior entre a superfície 
e o fluido. Assim, pode-se concluir que a convecção forçada demonstra maior 
eficácia na transferência de calor conforme a velocidade do fluido aumenta. 
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
0 1 2 3 4 5
h
 (
W
/m
².
°C
v (m/s)
Velocidade x Coeficiente Convectivo
 4 
 
 
 
2.2 NÚMERO DE REYNOLDS E NUSSELT 
 
O cálculo do número de Reynolds, que é utilizado para descrever o 
regime de fluxo do fluido, foi realizado por meio da Equação 2: 
 
 𝑅𝑒 =
𝑉 × 𝐷× 𝜌𝑎𝑟 
𝜇𝑎𝑟
 (2) 
 
Onde: 
Re - Número de Reynolds (adimensional); 
V - Velocidade do fluido (em m/s); 
D - Diâmetro externo do cilindro (em m); 
ρar - Densidade do fluido (em kg/m³); 
μar - Viscosidade dinâmica do ar (em kg/m.s). 
 
O cálculo do número de Nusselt, que correlaciona a transferência de calor 
por convecção com o calor transferido por condução, foi determinado utilizando a 
Equação 3: 
 
 𝑁𝑢 = 
ℎ ×𝐷
𝑘
 (3) 
 
Onde: 
Nu = Número de Nusselt (adimensional); 
D = Diâmetro externo do cilindro (em m); 
h = Coeficiente convectivo (em W/m².K ou W/m².°C); 
k = Condutividade térmica do fluido (W/m.K ou W/m.°C). 
 
Para determinar os valores das constantes n e b, realizou-se a 
transformação logarítmica dos números de Re e Nu, seguida pela aplicação da 
regressão linear da Equação 4: 
 
 𝑙𝑜𝑔(𝑁𝑢) = 𝑙𝑜𝑔𝑏 + 𝑛𝑙𝑜𝑔𝑅𝑒 (4) 
 5 
 
 
 
A Figura 2 exibe a linha de tendência obtida, resultando na expressão: y 
= 0,6444x – 0,9871, onde n = 0,6444 e b = 0,9871. 
 
Figura 2: Gráfico Log(Re) x Log(Nu) 
 
Fonte: Dos autores (2023) 
 
 
O número de Nusselt foi calculado utilizando as constantes n e b 
obtidas por meio da regressão linear. Com esses dados, foi possível realizar a 
comparação do gráfico na Figura 3 com a literatura sobre transferência de calor. 
 
Figura 3: gráfico n e b calculados. 
 
 Fonte: dos autores (2023) 
 
80,00
130,00
180,00
230,00
280,00
330,00
1500,00 2500,00 3500,00 4500,00 5500,00 6500,00 7500,00
N
u
,d
 
Re,d 
Nu x Re: n e b calculados
 6 
 
 
 
Comparando os valores de Nu e Re calculados e dispostos no gráfico, 
observa-se um crescimento nos valores de Nu conforme o Re também cresce. Isso 
se dá pela convecção, mostrando-nos que ela se torna mais eficiente cada vez que 
há um aumento do fluxo do fluido observado. 
 
Figura 4: gráfico n e b na literatura 
 
 Fonte: dos autores (2023) 
 
Analisando os gráficos pode-se observar uma maior linearidade no 
gráfico da figura 4, onde Nu aumenta mais consideravelmente com o Re em 
comparação com o gráfico calculado anteriormente (fig 3). Estas informações 
sugerem uma transferência de calor mais facilmente e com uma melhor eficiência 
que a calculada. 
Sabe-se que por se tratar de dados literários estes seguem padrões mais 
rígidos e “perfeitos” para serem comparados aos estudados, por este motivo seus 
valores são mais satisfatórios quando comparados ao gráfico calculado na prática. 
 
3 CONCLUSÃO 
 
Os dados coletados e as comparações realizadas levaram à conclusão de 
que a metodologia empregada foi eficaz no estudo dos coeficientesconvectivos em 
relação à velocidade do ar. As correlações empíricas, embora valiosas para prever o 
comportamento térmico em sistemas de engenharia, variaram em relação aos dados 
 -
 10,00
 20,00
 30,00
 40,00
 50,00
 60,00
1500,0 2500,0 3500,0 4500,0 5500,0 6500,0 7500,0
N
u
Re
Nu x Re: n e b literatura
 7 
 
 
 
da literatura, o que destaca a importância de considerar as condições experimentais 
específicas ao aplicar correlações gerais. 
Ao contrastar os resultados experimentais com os dados estabelecidos na 
literatura, foi observado que, embora haja semelhanças nos comportamentos gerais, 
indicando um aumento de Nu com Re, as inclinações e valores específicos de Nu 
diferiram. Isso aponta para a possibilidade de a difusividade térmica, representada 
pelo número de Prandt, desempenhar um papel mais substancial do que inicialmente 
previsto, influenciando a taxa de transferência de calor de forma mais acentuada do 
que sugerem os valores de n e b obtidos no experimento. 
É fundamental ressaltar a relevância do número de Prandt na análise da 
convecção forçada, destacando a possibilidade de ajustes nas correlações para 
acomodar as propriedades particulares do fluido estudado. Isso reforça a necessidade 
de adaptação das correlações para se alinharem com as características específicas 
do experimento em questão 
 
REFERÊNCIAS 
 
ALMEIDA, Artur Moreira; et al. Túnel de vento: um produto educacional 
acessível. Disponível 
em:<https://editorarealize.com.br/editora/anais/conedu/2016/TRABALHO_EV056_M
D1_SA18_ID4495_18082016170656.pdf>. Acesso em: 12 nov. 2023. 
 
HELERBROCK, Rafael. Convecção. Brasil Escola. Disponível em:< 
https://brasilescola.uol.com.br/fisica/conveccao.htm>. Acesso em: 12 nov. 2023. 
 
NETO, Carlos Boabaid. Transferência de Calor. Disponível 
em:<https://wiki.sj.ifsc.edu.br/images/e/e5/Apostila_TCL_Parte_3.pdf>. Acesso em: 
12 nov. 2023. 
 
SILVA, Maico Jeremias da. Análise híbrida numérico-experimental da troca de 
calor por convecção forçada em aletas planas. Disponível 
em:<https://sistemabu.udesc.br/pergamumweb/vinculos/000067/000067a4.pdf>. 
Acesso em: 12 nov. 2023. 
 
 
 
 
https://brasilescola.uol.com.br/autor/rafael-helerbrock/153
 8 
 
 
 
LISTA DE SÍMBOLOS 
 
V [mL; L; m
3
] Volume 
t [s, min., h] Tempo 
ΔT [s, min., h] Variação de tempo 
ΔV [mL; L; m
3
] Variação de volume 
ϵ - Porosidade 
p [g/cm3] Massa específica 
m [g] Massa 
 
 
 9 
 
 
 
Anexos 
1) Memorial de Cálculo em anexo no Excel.