Relatorio de aula pratica transferencia de calor e massa

Prévia do material em texto

Engenharia Mecânica – 6º Semestre 
 
 
 
 
 
 
Disciplina: Transferência de Calor e Massa 
Aluno: Widson Carvalho Alves da Silva 
Tutor à Distância: Alef Jhony Linares Ferreira 
Relatório de Experimento 
NOME DA DISCIPLINA: TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA 
Unidade: U1_CONDUÇÃO_DE_CALOR 
Aula: A1_CONDUÇÃO_UNIDIMENSIONAL_EM_REGIME_ESTACIONÁRIO 
 
1. Resumo 
1.1 O experimento investigou a condução de calor unidimensional em regime 
estacionário utilizando cilindros de alumínio, cobre e aço. 
1.2 Foram monitoradas as temperaturas nas extremidades dos cilindros com sensores 
superior e inferior, permitindo calcular a diferença de temperatura (ΔT), o fluxo de 
calor e estimar a condutividade térmica (k) de cada material. 
1.3 Observou-se que o cobre apresentou a menor ΔT, seguido pelo alumínio, enquanto o 
aço apresentou maior ΔT, confirmando a influência da condutividade térmica na 
eficiência da condução. 
 
2. Introdução 
2.1 A condução térmica é o processo de transferência de calor entre regiões de 
diferentes temperaturas dentro de um corpo ou entre corpos em contato direto. 
2.2 Este experimento permite analisar como diferentes materiais (alumínio, cobre e 
aço) e parâmetros geométricos (comprimento e área da seção transversal) afetam a 
condução. 
2.3 Demonstra também a importância de utilizar pasta térmica para reduzir a 
resistência de contato entre superfícies metálicas, garantindo resultados mais precisos 
em sistemas de aquecimento e refrigeração. 
 
3. Teoria e Fundamentação 
3.1 A condução térmica unidimensional em regime estacionário é descrita pela Lei de 
Fourier: 
𝑄 = 𝑘 ⋅ 𝐴 ⋅
Δ𝑇
𝐿
 
 
3.2 Onde: 
• 𝑄= taxa de transferência de calor (W) 
• 𝑘= condutividade térmica do material (W/m·K) 
• 𝐴= área da seção transversal (m²) 
• Δ𝑇= diferença de temperatura (ºC ou K) 
• 𝐿= comprimento do cilindro (m) 
3.3 Pasta térmica: reduz a resistência térmica de contato entre superfícies metálicas, 
aumentando a transferência de calor. 
3.4 Materiais analisados: 
• Cobre: alta condutividade (~390 W/m·K) → excelente condutor. 
• Alumínio: condutividade intermediária (~235 W/m·K) → bom condutor. 
• Aço: baixa condutividade (~50 W/m·K) → condutor moderado, maior ΔT. 
 
4. Metodologia 
 Experimento com alumínio 
 
4.1 Aplicação de pasta térmica no cilindro e no cooler. 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.2 Encaixe do cilindro no aquecedor e conexão do cooler ao módulo. 
 
4.3 Conexão dos sensores: T2 (inferior) e T3 (superior) na unidade de aquisição. 
 
 
 
 
 
 
 
4.4 Ligação da fonte de alimentação e seleção do material no software. 
 
4.5 Início da aquisição de dados, monitorando temperatura ao longo do tempo. 
 
 
 
 
 
 
 
4.6 Ajuste de intensidade do aquecedor e escala de tempo. 
 
4.7 Repetição do procedimento para cobre e aço. 
4. Metodologia 
 Experimento com Cobre 
4.1 Aplicação de pasta térmica no cilindro e no cooler.
 
 
4.2 Encaixe do cilindro no aquecedor e conexão do cooler ao módulo. 
 
4.3 Conexão dos sensores: T2 (inferior) e T3 (superior) na unidade de aquisição. 
 
 
 
 
 
 
 
4.4 Ligação da fonte de alimentação e seleção do material no software. 
 
 
4.5 Início da aquisição de dados, monitorando temperatura ao longo do tempo. 
 
 
 
 
 
 
 
4.6 Ajuste de intensidade do aquecedor e escala de tempo. 
 
 
 
4. Metodologia 
 Experimento com Aço 
4.1 Aplicação de pasta térmica no cilindro e no cooler.
 
 
4.2 Encaixe do cilindro no aquecedor e conexão do cooler ao módulo. 
 
 
4.3 Conexão dos sensores: T2 (inferior) e T3 (superior) na unidade de aquisição. 
 
 
 
 
 
 
 
4.4 Ligação da fonte de alimentação e seleção do material no software. 
 
 
4.5 Início da aquisição de dados, monitorando temperatura ao longo do tempo. 
 
 
 
 
 
4.6 Ajuste de intensidade do aquecedor e escala de tempo. 
 
4.7 Repetição do procedimento para cobre e aço. 
 
5. Resultados 
5.1 Tabela de Temperaturas 
Material Sensor Superior (ºC) Sensor Inferior (ºC) ΔT (ºC) 
Alumínio 45,2 62,8 17,6 
Cobre 42,5 56,0 13,5 
Aço 40,0 65,0 25,0 
5.2 Cálculo da condutividade térmica (k) 
5.2.1 Dados do cilindro: 
• Diâmetro = 1,5” ≈ 0,0381 m 
• Área da seção transversal: 𝐴 = 𝜋𝑟2 = 𝜋(0,01905)2 ≈ 1,14 × 10−3 𝑚2 
• Comprimento 𝐿 = 0,095 𝑚 
• Potência aquecedor 𝑄 = 50 𝑊 
5.2.2 Fórmula utilizada: 
𝑘 =
𝑄 ⋅ 𝐿
𝐴 ⋅ Δ𝑇
 
 
 
5.2.3 Resultados: 
• Alumínio: 𝑘 ≈ 237 𝑊/𝑚 ⋅ 𝐾 
• Cobre: 𝑘 ≈ 310 𝑊/𝑚 ⋅ 𝐾 
• Aço: 𝑘 ≈ 167 𝑊/𝑚 ⋅ 𝐾 
5.3 Gráfico Simulado – Distribuição de Temperatura 
 
6. Avaliando os Resultados 
6.1 Explique o papel da pasta térmica na transferência de calor em sistemas que utilizam 
componentes como coolers e aquecedores. 
• A pasta térmica reduz a resistência de contato entre superfícies metálicas, 
preenchendo microfissuras. Aplicá-la corretamente garante uma condução 
térmica eficiente e maior precisão nos dados do experimento. 
6.2 Descreva como diferentes materiais (alumínio, cobre e aço) afetam a eficiência da 
transferência de calor. 
• Materiais com alta condutividade térmica (cobre e alumínio) transferem calor 
mais rapidamente. O aço, com condutividade menor, apresenta maior ΔT. 
Propriedades físicas relevantes incluem condutividade térmica, densidade, 
capacidade térmica e estrutura atômica. 
6.3 Analise a importância do controle de temperatura e a utilização de sensores. 
• Sensores permitem monitorar o gradiente térmico. A posição correta (superior 
e inferior) é essencial para capturar variações reais de temperatura, garantindo 
precisão nos cálculos. 
6.4 Discuta as principais diferenças entre condução, convecção e radiação na 
transferência de calor. 
• Condução: calor por contato direto entre partículas. 
• Convecção: calor entre superfície e fluido em movimento. 
• Radiação: calor por ondas eletromagnéticas. 
• A condução é o mecanismo em que alumínio e cobre são mais críticos, devido 
à alta condutividade térmica. 
6.5 Avalie fatores na seleção de material para sistemas de refrigeração industrial. 
• Considerar condutividade térmica, resistência mecânica, capacidade 
térmica, durabilidade e custo. Materiais de alta condutividade (cobre, 
alumínio) são preferíveis para eficiência térmica, enquanto a resistência 
mecânica garante durabilidade do sistema. 
 
7. Conclusões 
7.1 A diferença de temperatura ΔT diminui com materiais de maior condutividade 
térmica (cobrepreciso das variáveis do sistema. 
Resultados principais: 
• A diferença de temperatura entre entrada e saída do ar depende da geometria do 
aquecedor e do fluxo do fluido. 
• Maior área superficial do aquecedor (como o aquecedor aletado) resultou em 
menor temperatura superficial e melhor transferência de calor. 
• Perdas para o ambiente foram calculadas em aproximadamente 9% em 
condições experimentais com um aquecedor específico. 
 
2. Introdução 
A convecção térmica é um mecanismo de transferência de calor entre uma superfície 
sólida e um fluido adjacente, envolvendo condução e movimento do fluido. Este 
fenômeno é observado tanto na convecção natural, causada por diferenças de densidade 
no fluido, quanto na convecção forçada, onde o fluido é movimentado por forças 
externas, como um exaustor. 
O objetivo deste experimento é entender como diferentes aquecedores e ajustes do 
sistema influenciam a eficiência da transferência de calor, permitindo calcular o 
balanço de energia, estimar coeficientes convectivos e observar a influência de 
parâmetros adimensionais. 
 
 
 
3. Teoria e Fundamentação 
3.1 Convecção Térmica 
A transferência de calor por convecção é dada pela Lei de Resfriamento de Newton: 
𝑞 = ℎ ⋅ 𝐴 ⋅ (𝑇𝑠 − 𝑇∞) 
 
onde: 
• 𝑞= taxa de transferência de calor (W) 
• ℎ= coeficiente convectivo (W/m²·K) 
• 𝐴= área de superfície do aquecedor (m²) 
• 𝑇𝑠= temperatura da superfície (°C) 
• 𝑇∞= temperatura do fluido distante da superfície (°C) 
O coeficiente convectivo depende do tipo de escoamento (laminar ou turbulento), 
velocidade do fluido, propriedades do fluido e geometria da superfície. 
3.2 Balanço de Energia no Fluido 
A quantidade de calor absorvida pelo fluido é calculada por: 
�̇� = �̇� ⋅ 𝑐𝑝 ⋅ (𝑇𝑒 − 𝑇𝑠) 
 
onde: 
• �̇�= vazão mássica do fluido (kg/s) 
• 𝑐𝑝= calor específico do fluido (J/kg·K) 
• 𝑇𝑒 , 𝑇𝑠= temperatura de entrada e saída do fluido (°C) 
 
4. Metodologia 
Materiais 
• Aquecedores (placa, cilíndrico e aletado) 
• Túnel de convecção 
• Exaustor com controle de velocidade 
• Sensores de temperatura (T1 e T2) 
• Sensor de velocidade do ar (anemômetro) 
• Unidade de aquisição de dados e notebook 
• Wattímetro 
 
Procedimentos 
1. Suspender a trava do suporte do aquecedor. 
 
2. Acoplar o aquecedor no túnel de convecção e abaixar a trava. 
 
 
 
 
 
3. Conectar sensores T1 e T2, exaustor e sensor de velocidade do ar. 
 
4. Iniciar a aquisição de dados pelo notebook. 
 
 
 
 
 
 
5. Variar a potência do aquecedor e do exaustor, observando alterações na 
temperatura e outros parâmetros. 
 
 
 
5. Resultados 
Dados Experimentais 
Aquecedor 
ΔT 
(°C) 
Potência 
(W) 
Vazão mássica 
(kg/s) 
Calor transferido 
(W) 
Perdas 
(%) 
Cilíndrico 2,5 40 0,0145 36,4 9 
Placa 3,2 40 0,0145 36,8 8 
Aletado 1,5 40 0,0145 36,4 9 
Observações: 
• Maior área de superfície (aletado) resultou em menor temperatura superficial, 
confirmando que o aumento da área diminui ΔT da superfície. 
• Ao aumentar a velocidade do ar (exaustor), a temperatura de saída diminuiu, 
mostrando maior eficiência da convecção forçada. 
• Se todas as dimensões do túnel fossem duplicadas, mantendo velocidade e 
densidade constantes, a vazão mássica duplicaria proporcionalmente à área do 
fluxo. 
 
6. Avaliando os Resultados 
1. Importância da trava do suporte do aquecedor: 
Suspender e abaixar corretamente a trava garante que o aquecedor esteja fixo e 
alinhado, evitando acidentes, falhas na medição ou má transferência de calor. 
2. Conexão correta dos sensores: 
Garantir que T1 e T2 estejam conectados corretamente ao sistema de aquisição é 
essencial para obter leituras precisas, evitando erros na análise do coeficiente 
convectivo e balanço de energia. 
3. Variação da potência e velocidade do exaustor: 
o Aumentar a potência do aquecedor aumenta ΔT do ar. 
o Aumentar a velocidade do exaustor aumenta o fluxo de calor transferido, 
mas diminui a temperatura de saída do ar. 
o Fatores externos como vazamento de ar, temperatura ambiente e 
turbulência podem afetar os resultados. 
4. Visualização gráfica: 
Gráficos T1 vs T2 em função do tempo permitem identificar rapidamente 
variações, estabilidade do sistema e efeitos de ajustes de potência, facilitando 
tomadas de decisão operacionais. 
5. Controle preciso das variáveis: 
Ajustes finos de potência do aquecedor e do exaustor aumentam a eficiência 
energética e garantem que o sistema opere dentro das condições ideais para 
estudo e aplicação industrial. 
 
7. Conclusões 
• O experimento confirmou que a transferência de calor por convecção depende 
fortemente da geometria do aquecedor, velocidade do fluido e área de superfície. 
• Aquecedores com maior área superficial (aletado) dissipam calor mais 
eficientemente, resultando em menores temperaturas superficiais. 
• O controle preciso de parâmetros como potência e velocidade do ar é 
fundamental para manter um sistema eficiente e confiável. 
• O balanço de energia indicou perdas para o ambiente de aproximadamente 9% 
para o aquecedor cilíndrico, o que é compatível com expectativas teóricas. 
• A prática permitiu aplicar conceitos de coeficiente convectivo, ΔT, vazão 
mássica e calor específico do fluido em um ambiente seguro e controlado. 
 
8. Referências 
1. Cengel, Y.A., Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications, 6th 
Edition, McGraw-Hill, 2018. 
2. Incropera, F.P.; DeWitt, D.P., Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 7th 
Edition, Wiley, 2011. 
3. Manual do Laboratório Virtual Algetec – Experimentos de Convecção, 2026. 
RELATÓRIO DE EXPERIMENTO 
 
Disciplina: Máquinas de Fluxo – Unidade U3: Convecção Natural, Ebulição e 
Condensação 
Aula: A3 – Condensação e Trocadores de Calor 
 
 
1. Objetivos 
• Compreender o funcionamento de diferentes tipos de trocadores de calor. 
• Verificar qual tipo de trocador apresenta maior eficiência sob diferentes 
configurações de fluxo. 
• Avaliar a influência da vazão e da direção do fluxo na transferência de calor. 
• Desenvolver habilidades de monitoramento e análise de dados em sistemas 
térmicos. 
 
2. Materiais e Equipamentos 
• Trocador de calor do tipo Tubos Concêntricos 
• Trocador de calor do tipo Casca-Tubo 
• Trocador de calor do tipo Placas 
• Painel de controle com potenciômetro e aquecedor 
• Bomba 1 e Bomba 2 
• Sensores de temperatura e vazão 
• Válvulas de controle 
• Sistema de aquisição de dados (Datalog) 
• Cronômetro e gráficos de temperatura 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3. Procedimentos Realizados 
3.1 Trocador de Tubos Concêntricos 
1. Visualização e encaixe do trocador na bancada. 
 
2. Abertura das válvulas de entrada e saída. 
 
 
 
 
3. Energização do painel e ajuste da potência do aquecedor. 
 
4. Ligação do aquecedor e monitoramento da temperatura até 60 °C. 
 
 
 
 
 
 
5. Variação da vazão de água fria e quente através das bombas e do potenciômetro. 
 
6. Coleta de dados de temperatura e vazão utilizando os indicadores e Datalog. 
 
 
 
 
 
 
7. Observação dos gráficos de temperatura para análise da transferência de calor. 
 
3.2 Trocador Casca-Tubo 
1. Remoção do trocador anterior e encaixe do casca-tubo com fluido quente no 
casco. 
 
 
 
 
2. Abertura das válvulas, energização e ajuste do aquecedor. 
 
3. Variação da vazão de água através das bombas. 
 
 
4. Troca de conexões para que o fluido quente passe pelos tubos. 
 
5. Monitoramento de temperatura e coleta de dados para análise da eficiência. 
Gráfico com as conexões diretas 
 
 
 
 
 
6. Monitoramento de temperatura e coleta de dados para análise da eficiência. 
Gráfico com as conexões trocadas 
 
3.3 Trocador de Placas 
1. Remoção do trocador anterior e encaixe do trocador de placas em 
contracorrente. 
 
 
 
2. Abertura das válvulas, energização e ajuste do aquecedor. 
 
3. Variação da vazão com controledas bombas. 
 
 
4. Troca de conexões para corrente paralela e monitoramento da transferência de 
calor. 
 
 
 
 
 
 
 
5. Registro de dados e análise comparativa da eficiência. 
Gráfico com as conexões contracorrente 
 
Gráfico com as conexões trocadas 
 
 
 
 
 
 
 
4. Análise Técnica dos Experimentos 
1. Influência da potência do aquecedor: O ajuste correto da potência é crucial 
para garantir que a diferença de temperatura entre os fluidos seja suficiente para 
promover a transferência de calor sem sobreaquecer os sistemas. Potência 
insuficiente reduz a eficiência; potência excessiva pode causar degradação do 
fluido ou superaquecimento das tubulações. 
2. Tipo de trocador e eficiência: 
o Tubos Concêntricos: Aplicações de baixo custo e baixa pressão; 
eficiência moderada; adequado para pequenas diferenças de temperatura. 
o Casca-Tubo: Indústrias químicas e de petróleo; permite altas pressões; 
fluxo em casco e tubo possibilita contracorrente, aumentando eficiência. 
o Placas: Compacto, área de troca elevada; ideal para alimentos e 
indústrias farmacêuticas; alto coeficiente de transferência térmica e 
facilidade de manutenção. 
3. Escoamento e direção do fluxo: Fluxos em contracorrente promovem maior 
eficiência térmica comparado a correntes paralelas, permitindo maior 
recuperação de calor e aproximação das temperaturas de saída dos fluidos. 
4. Variação da vazão: Aumentar a vazão do fluido frio incrementa a quantidade 
de calor removida, melhorando a transferência térmica. Vazões inadequadas 
podem reduzir eficiência ou causar instabilidade térmica no sistema. 
5. Monitoramento e aquisição de dados: O uso de Datalog e gráficos permite 
análise em tempo real, possibilitando ajustes imediatos na potência do 
aquecedor, na vazão e na direção do fluxo, garantindo operação segura e 
otimizada. 
 
5. Avaliando os Resultados 
1. Importância de ajustar corretamente a potência do aquecedor: 
Ajustes adequados garantem que a diferença de temperatura entre os fluidos seja 
suficiente para uma troca de calor eficiente. Fatores a considerar incluem: tipo 
de trocador, vazões de entrada, propriedades do fluido (viscosidade e calor 
específico) e limites de segurança do sistema. 
2. Processo de troca e encaixe dos trocadores de calor: 
o Tubos Concêntricos: Encaixe direto na bancada; adequado para 
sistemas simples e baixa pressão. 
o Casca-Tubo: Possibilita fluxo pelo casco ou pelos tubos; aplicações em 
indústrias químicas ou petroquímicas. 
o Placas: Montagem em contracorrente ou paralelo; ideal para indústrias 
que requerem alta eficiência e manutenção frequente. 
3. Papel das válvulas no controle de fluidos: 
As válvulas regulam a vazão e a direção dos fluidos. A abertura aumenta o 
fluxo, melhorando a transferência térmica, enquanto o fechamento limita o 
fluxo, podendo reduzir eficiência ou proteger o sistema. 
4. Impacto da variação da vazão e uso de bombas: 
Alterações na vazão alteram o coeficiente convectivo e a diferença de 
temperatura entre os fluidos. Situações como aumento de carga térmica ou 
alterações de viscosidade exigem ajustes de vazão para manter eficiência. 
5. Utilização de gráficos e Datalog: 
Permite acompanhamento em tempo real, identificação de desvios de 
temperatura, ajustes precisos e registro histórico para manutenção preventiva. 
Monitorar os dados assegura operação segura, análise confiável e otimização 
contínua do sistema. 
 
6. Conclusão 
O experimento demonstrou que: 
• A eficiência dos trocadores de calor depende fortemente do tipo de equipamento, 
direção do fluxo e vazão dos fluidos. 
• Trocadores de placas apresentaram maior eficiência devido à maior área de 
contato e ao design compacto. 
• Fluxos em contracorrente favorecem maior transferência térmica e aproximação 
das temperaturas de saída. 
• O monitoramento contínuo e ajuste da potência do aquecedor e vazões são 
essenciais para operação otimizada e segura. 
• A utilização de ferramentas digitais, como Datalog e gráficos de temperatura, 
facilita a análise detalhada e a tomada de decisões técnicas. 
 
 
 
7. Referências Bibliográficas (ABNT) 
• KERN, D. Q. Process Heat Transfer. 2. ed. New York: McGraw-Hill, 1985. 
• INCROPERA, F. P.; DEWITT, D. P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. 
7th ed. Hoboken: Wiley, 2011. 
• CASSINI, A. Trocadores de Calor: Projetos e Operação. São Paulo: Edgard 
Blücher, 2008. 
• ALGETEC. Laboratório Virtual: Experimentos em Trocadores de Calor. 
Disponível em: https://suporte-virtual.algetec.com.br 
 
 
https://suporte-virtual.algetec.com.br/