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MANUAL DE OPERAÇÃO FOLHA 1 de 10 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM ALETAS 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 Aletas MANUAL DE OPERAÇÃO FOLHA 2 de 10 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM ALETAS 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. OBJETIVO .................................................................................................................................. 3 2. DESCRIÇÃO DE EQUIPAMENTO ........................................................................................ 3 3. OPERAÇÃO DO EQUIPAMENTO ......................................................................................... 4 4. SUGESTÕES PARA O RELATÓRIO ..................................................................................... 5 5. BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA ....................................................................................... 6 ANEXO: FORMULÁRIO E QUESTIONÁRIO DA PRÁTICA .................................................. 6 MANUAL DE OPERAÇÃO FOLHA 3 de 10 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM ALETAS 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 o estudo da transferência de calor entre uma aleta e um fluido. Nesta experiência o parâmetro mais relevante é o coeficiente de transferência de calor, cujo valor deverá ser determinado em função de diferentes condições, de acordo com o problema de interesse em engenharia. Neste sentido, trata-se de uma abordagem de caráter didático sobre aletas cujo objetivo é obter o perfil de temperatura da base das aletas em função do tempo para o regime transiente, assim como o perfil de temperatura ao longo da aleta no regime permanente, calcular a eficiência e efetividade de cada aleta, e, por meio do cálculo do coeficiente de convecção para cada aleta, comparar os valores experimentais com os teóricos, bem como observar as influências do material e do diâmetro da aleta. 2. DESCRIÇÃO DE EQUIPAMENTO O equipamento encontra-se esquematizado na Figura 1. O esquema da unidade experimental consiste basicamente de uma caldeira, conjunto de aletas de seção circular, circuito de controle de temperatura, circuito de medida de temperatura e base de sustentação do “kit”. A caldeira é construída de aço e é revestida com isolante térmico e protegido contra impactos mecânicos. O aquecimento d’água é realizado por resistência elétrica (3) imersa no reservatório e conectada ao circuito de controle (10) da temperatura de operação da caldeira. O conjunto de aletas (2) é constituído por três barras de seções circulares uniformes, uma de alumínio, de diâmetro ½” nominal, e duas de aço inoxidável, de diâmetros iguais a ½”e 1” nominais. As três aletas têm comprimento total de 60 cm cada, sendo que uma de suas extremidades encontra-se no interior da caldeira (1). Nestas extremidades, as barras são fixadas na parede frontal da caldeira por meio de roscas de vedação, que impedem a ocorrência de possíveis vazamentos. As outras extremidades das barras estão apoiadas nos suportes (7). Ao longo de todas as barras tem orifícios (12) que permitem o encaixe de termopares. O circuito de controle da temperatura no interior da caldeira é composto pela resistência elétrica (3), termopar (13) e o controlador propriamente dito (10) e indicador de temperatura. O projeto e a construção do conjunto de aletas, bem como dos sistemas de controle e medidas de temperatura permitem a realização de experiências em regimes transiente e permanente em diferentes condições de transferência de calor, envolvendo mecanismos convectivos naturais e forçados. MANUAL DE OPERAÇÃO FOLHA 4 de 10 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM ALETAS UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves DATA: 04/09/2015 REVISÃO A Figura 1. Conjunto experimental de transferência de calor em aletas. 3. OPERAÇÃO DO EQUIPAMENTO Neste experimento serão utilizadas três barras que se combinam duas a duas, isto é, diâmetros iguais e materiais de construção diferentes e diâmetros diferentes, porém construídas do mesmo material. Permitindo assim, analisar a influência destes fatores no fenômeno de transferência observado. Os aspectos sobre segurança estão restritos aos cuidados usuais em se manipular sólido e fluido a altas temperaturas, bem como, com instalações elétricas. Para uma correta e segura operação do equipamento, tem-se as seguintes instruções: a) Medir as dimensões das aletas; b) Medir a distância dos orifícios a partir do ponto base. Considere o ponto base como o primeiro orifício. Para realizar as medidas utilize o paquímetro. Anotar os valores na tabela, disponível no formulário em anexo; c) Ligar o controlador de temperatura/resistência (10) na chave seletora. Ajustar o set point do controlador no valor desejado; MANUAL DE OPERAÇÃO FOLHA 5 de 10 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM ALETAS UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves DATA: 04/09/2015 REVISÃO A d) Efetuar as medidas a cada 5 minutos, da temperatura para o orifício mais próximo da caldeira, nas 3 aletas, a partir do instante inicial até ser atingido o regime permanente. O tempo inicial é quando o controlador é acionado; e) Ao atingir o regime permanente, fazer as medidas de temperatura nos diferentes orifícios para cada aleta. Esperar estabilização da temperatura em cada orifício; f) Alimentar a planilha previamente elaborada com os dados experimentais adequados e calcular o que se pede no formulário em anexo; g) Apresentar ao professor a planilha e explicar os cálculos realizados; h) 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 breve revisão sobre a importância das aletas e seus tipos; b) Faça um balanço de energia para uma aleta cilíndrica com o objetivo de encontrar a equação geral que representa a distribuição de temperatura ao longo da aleta. Especifique as suposições feitas; c) Consulte os casos possíveis de condições de contorno para a solução particular da equação de distribuição de temperatura em aletas cilíndricas; d) Procure previamente as propriedades dos materiais das aletas a serem estudadas no laboratório; e) Faça o perfil de temperatura em relação ao tempo, em estado transiente; f) Determine o coeficiente de transferência de calor por convecção (h) das aletas, usando ajuste de parâmetros para os dados experimentais (h experimental), com o auxílio do Solver do Excel; g) Comparegraficamente o perfil de temperatura (em relação à posição) experimental e o calculado. Discuta os resultados; h) Calcule a eficiência e a efetividade das três aletas. MANUAL DE OPERAÇÃO FOLHA 6 de 10 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM ALETAS UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves DATA: 04/09/2015 REVISÃO A 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 4 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM ALETAS 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 Aletas FORMULÁRIO E QUESTIONÁRIO FOLHA 2 de 4 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM ALETAS 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 Aletas Material Condutividade¹ k (W/m.k) Diâmetro² (m) Comprimento³ L (m) Perímetro P (m²) Área da seção Transversal, Ac (m²) Alumínio Aço < D Aço > D 1 – Deve ser pesquisada e preenchida antes da prática 2 – Média de 3 medições distintas. 3 – Consiste na distância entre o primeiro orifício e a extremidade da aleta. 1.2. Condições experimentais Dados de temperatura Temperatura do banho (°C): Temperatura Ambiente (°C): 1.3. Regime Transiente Variação da Temperatura no Orifício 1 Tempo (s) Temperatura (ºC) Alumínio Aço < D Aço > D FORMULÁRIO E QUESTIONÁRIO FOLHA 3 de 4 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM ALETAS REALIZAÇÃO UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves GRUPO 1.4. Regime Permanente Perfil de Temperatura na aleta Orifício Distância¹ (m) Temperatura (ºC) Alumínio Aço < D Aço > D 1 0 2 3 4 5 6 7 8 9 Extrem. 1 – Consiste na distância entre o orifício em questão e o primeiro orifício. 1.5. Resultados. Alumínio Temperatura calculada (após minimização do somatório do erro) Caso 1 (conv. na extrem.) Caso 2 (extrem. adiab.) Caso 3 (extrem. c/ T conhec.) Caso 4 (aleta inf.) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Extrem ∑(√(𝑻𝒄𝒂𝒍𝒄 − 𝑻𝒆𝒙𝒑) 2 ) = m h (W/m.k) FORMULÁRIO E QUESTIONÁRIO FOLHA 4 de 4 PRÁTICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM ALETAS REALIZAÇÃO UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves GRUPO Aço < D Temperatura calculada (após minimização do somatório do erro) Caso 1 (conv. na extrem.) Caso 2 (extrem. adiab.) Caso 3 (extrem. c/ T conhec.) Caso 4 (aleta inf.) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Extrem ∑(√(𝑻𝒄𝒂𝒍𝒄 − 𝑻𝒆𝒙𝒑) 2 ) = m h (W/m.k) Aço > D Temperatura calculada (após minimização do somatório do erro) Caso 1 (conv. na extrem.) Caso 2 (extrem. adiab.) Caso 3 (extrem. c/ T conhec.) Caso 4 (aleta inf.) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Extrem ∑(√(𝑻𝒄𝒂𝒍𝒄 − 𝑻𝒆𝒙𝒑) 2 ) = m h (W/m.k)
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