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MANUAL DE OPERAÇÃO FOLHA 1 de 12 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM REGIME TRANSIENTE UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves DATA: 04/09/2015 REVISÃO A ORIGINAL REV. A REV. B REV. C REV. D REV. E REV. F REV. G REV. H DATA ------------ 04/09/2015 ELABORAÇÂO DOPI Felipe Alves Manual de Operação Transferência de Calor em Regime Transiente MANUAL DE OPERAÇÃO FOLHA 2 de 12 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM REGIME TRANSIENTE UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves DATA: 04/09/2015 REVISÃO A Sumário 1. DESCRIÇÃO DE EQUIPAMENTO ................................................................................................................ 3 2. OPERAÇÃO DO EQUIPAMENTO ................................................................................................................ 4 3. SUGESTÕES PARA O RELATÓRIO ............................................................................................................. 5 4. BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA ..................................................................... Erro! Indicador não definido. ANEXO: FORMULÁRIO E QUESTIONÁRIO DA PRÁTICA.............................................................................. 5 MANUAL DE OPERAÇÃO FOLHA 3 de 12 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM REGIME TRANSIENTE UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves DATA: 04/09/2015 REVISÃO A 1. OBJETIVO Tem-se como meta no processo de aprendizagem do aluno da transferência de calor entre uma superfície sólida e um fluído. Nesta experiência o parâmetro mais relevante é o coeficiente de transferência de calor, cujo valor deverá ser determinado em função das condições térmicas e hidrodinâmicas, de acordo com problema de interesse em engenharia. 2. DESCRIÇÃO DE EQUIPAMENTO O equipamento e os corpos de prova encontram-se esquematizados na Figura 1. Constata-se mediante ao esquema que a unidade experimental consiste basicamente de um sistema de escoamento de água, circuito de aquecimento de água, conjunto de corpos e circuito de medida de temperaturas. O sistema de escoamento de água é composto por dois reservatórios cilíndricos, A e B, com capacidades em torno de 13,5 litros cada, uma bomba centrífuga, tubos para o escoamento da água (tubos A, B C e D), duas válvulas do tipo gaveta, (5) e (6), e a tubulação para retorno de água, mediante drenagem (7), entre dois reservatórios. Figura 1. Conjunto experimental de transferência de calor em regime transiente. MANUAL DE OPERAÇÃO FOLHA 4 de 12 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM REGIME TRANSIENTE UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves DATA: 04/09/2015 REVISÃO A Na região de entrada do fluido, base do tanque, tem-se instalada uma placa perfurada para distribuição da água. O posicionamento desta placa visa à homogeneização do escoamento no interior do reservatório B. Os reservatórios e o dreno são revestidos com isolantes térmicos e protegidos com cal-jack. Na descarga da bomba a tubulação é dividida em três vias, permitindo que a água bombeada possa escoar entre os reservatórios A e B, desde que mantida fechada a válvula (6). O suporte (9), na parte superior do reservatório A, contém, além da bomba, a resistência elétrica fixada pela sua extremidade. Tem-se um total de 7 corpos disponíveis para serem submersos no reservatório B. O conjunto é composto por esferas de alumínio e de cobre, cilindros de alumínio, de cobre e de aço e placas de alumínio e de cobre. De acordo com a Figura 1, a parte superior dos corpos é dotada de um dispositivo que permite o seu acoplamento no suporte (3) instalado na parte superior do reservatório B. O suporte é feito de aço inox com forma e dimensões que permite a imersão individual dos corpos, conforme a posição indicada na Figura 1 para o caso de uma placa plana. O circuito de medidas de temperatura possui um medidor de temperatura para o corpo de prova submerso e um controlador-medidor de temperatura do banho. O projeto e a construção do conjunto de corpos, bem como, do sistema de medidas de temperatura foram executados de forma a permitirem a realização de testes de aquecimento e resfriamento dos corpos em diferentes condições de transferência de calor, envolvendo mecanismos convectivos naturais e forçados. 3. OPERAÇÃO DO EQUIPAMENTO Neste experimento os aspectos sobre segurança estão restritos aos cuidados usuais em se manipular sólido e fluido a altas temperaturas, bem como, com instalações elétricas. Recomenda-se que os corpos de provas sejam, sempre, manuseados através do suporte instalado em sua parte superior e, em nenhuma hipótese, por meio do cabo de compensação do termopar. Esta advertência visa resguardar a fixação correta do elemento de medição no sólido e o funcionamento apropriado do sistema de medida de temperatura. Para uma correta e segura operação do equipamento, tem-se as seguintes instruções: a) Posicionar a chave seletora no número correspondente ao corpo de prova a ser usado; b) Fazer a imersão do corpo de prova desejado no interior do reservatório B (12) com o auxílio do suporte (3); c) Anotar o valor da temperatura do sólido, Ts, indicada no medidor (2) em função do tempo, t, (usar simultaneamente um cronômetro) durante o processo de aquecimento do corpo até atingir a temperatura de equilíbrio (temperatura do banho, T∞), longe do sólido; d) Retirar o corpo submerso mantendo-o apoiado no suporte (3); e) Repetir o procedimento com os outros corpos; MANUAL DE OPERAÇÃO FOLHA 5 de 12 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM REGIME TRANSIENTE UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves DATA: 04/09/2015 REVISÃO A f) Com o último corpo, esfriar a temperatura ambiente e anotar os valores de temperatura do sólido contra tempo; g) Aquecer de novo esse último corpo e esfriar com ventilador (anotar os valores de temperatura do sólido contra tempo); h) As dimensões dos corpos podem ser medidas com paquímetros; i) Alimentar a planilha previamente elaborada com os dados experimentais adequados e calcular o que se pede no formulário em anexo; j) Apresentar ao professor a planilha e explicar os cálculos realizados; k) Por fim, identificar os componentes do grupo e entregar o formulário ao professor no final da prática. 4. SUGESTÕES PARA O RELATÓRIO a) Faça uma revisão sobre a transferência de calor em regime transiente, e visualize a diferença entre método de parâmetros agrupados e método de parâmetros distribuídos; b) Revise a definição do número de Biot e sua aplicação; c) Faça um balanço de energia visando a deduzir uma equação para a determinação do coeficiente de transferência de calor por convecção (h); d) Faça gráficos da temperatura contra tempo para todos os corpos de prova, comparando os dados experimentais com os dados teóricos; e) A partir dos gráficos,determine o coeficiente de transferência de calor por convecção. 5. BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA INCROPERA, Frank P. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, 6ª Ed., LTC, Rio de Janeiro, 2007. ANEXO: FORMULÁRIO E QUESTIONÁRIO DA PRÁTICA FORMULÁRIO E QUESTIONÁRIO FOLHA 1 de 7 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM REGIME TRANSIENTE REALIZAÇÃO UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves GRUPO ENTREGA NOTA RELATORES : Formulário e Questionário Transferência de Calor em Regime Transiente FORMULÁRIO E QUESTIONÁRIO FOLHA 2 de 7 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM REGIME TRANSIENTE REALIZAÇÃO UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves GRUPO 1. DADOS EXPERIMENTAIS 1.1. Corpos de prova Propriedades dos materiais Material cp (J/kg.K) ρ (kg/m³) k (W/m.K) α (m²/s) Alumínio Aço Cobre Nota: Os dados acima deverão ser pesquisados antes da prática Cilindros Material Diâmetro médio* (m) Comprimento (m) Área de Troca Térmica (m²) Volume (m³) Comprimento característico, Lc (m) Alumínio Aço Cobre Placas Material Espessura média* (m) Comprimento (m) Largura (m) Área de Troca Térmica (m²) Volume (m³) Comprimento caracter., Lc (m) Alumínio Cobre * Média de 3 medições distintas Esferas Material Diâmetro médio* (m) Área de Troca Térmica (m²) Volume (m³) Comprimento característico, Lc (m) Alumínio Cobre 1.2. Condições experimentais Dados de temperatura Temperatura do banho (°C): Temperatura Ambiente (°C): FORMULÁRIO E QUESTIONÁRIO FOLHA 3 de 7 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM REGIME TRANSIENTE REALIZAÇÃO UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves GRUPO 1.3. Aquecimento Transiente Cilindros Aço Cobre Alumínio t(s) T (ºC) t(s) T (ºC) t(s) T (ºC) FORMULÁRIO E QUESTIONÁRIO FOLHA 4 de 7 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM REGIME TRANSIENTE REALIZAÇÃO UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves GRUPO Placas Cobre Alumínio t(s) T (ºC) t(s) T (ºC) FORMULÁRIO E QUESTIONÁRIO FOLHA 5 de 7 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM REGIME TRANSIENTE REALIZAÇÃO UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves GRUPO Esferas Cobre Alumínio t(s) T (ºC) t(s) T (ºC) FORMULÁRIO E QUESTIONÁRIO FOLHA 6 de 7 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM REGIME TRANSIENTE REALIZAÇÃO UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves GRUPO 1.4. Resfriamento Transiente Esfera de Alumínio Convecção natural Convecção forçada t(s) T (ºC) t(s) T (ºC) FORMULÁRIO E QUESTIONÁRIO FOLHA 7 de 7 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM REGIME TRANSIENTE REALIZAÇÃO UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves GRUPO 1.5. Resultados. Aquecimento - Equações das Retas e R-quadrado Material Cilindros Placas Esferas Alumínio Cobre Aço --------------- --------------- Aquecimento - Coeficientes de Convecção h (W/m².K) Material Cilindros Placas Esferas Alumínio Cobre Aço --------------- --------------- Resfriamento – Esfera de Alumínio Tipo de convecção Equações das Retas e R-quadrado Coeficientes de Convecção h (W/m².K) Natural Forçada
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