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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO Experimento 1: PERFIL DE VELOCIDADE NO ESCOAMENTO EM DUTOS CIRCULARES: TUBO DE PITOT ALUNOS: Brenda Ribeiro | RA 629596 Debora Maffei | RA 629332 Luziane Freitas | RA 630241 Monaísa Andrade | RA 629804 Raphael Oliveira | RA 629723 Thiago Takeda | RA 596850 PROFESSORA: Janaina Fernandes Gomes SÃO CARLOS 2019 PERFIL DE VELOCIDADE NO ESCOAMENTO EM DUTOS CIRCULARES: TUBO DE PITOT 1. Objetivos Determinar experimentalmente os perfis de velocidade do escoamento da água através de dutos circulares, utilizando o Tubo de Pitot, a fim de aplicar na prática os conhecimentos teóricos adquiridos e a partir dos valores obtidos experimentalmente comparar com as equações disponíveis na literatura. 2. Materiais e Métodos Inicialmente, para a preparação do experimento, pesou-se o recipiente plástico vazio na balança, com a finalidade de subtrair a tara na determinação da massa de água. Em seguida, buscou-se posicionar o Tubo de Pitot na parede do tubo. Após tais preparações, foram seguidos os seguintes procedimentos para a realização do experimento: 1. Abriu-se completamente a válvula, para ser obtida a maior vazão; 2. Mediu-se a temperatura inicial da água com o termômetro de mercúrio; 3. Coletou-se uma alíquota de água em um recipiente plástico durante um determinado período de tempo medido com o cronômetro; 4. Mediu-se a massa do recipiente com água na balança; 5. Retornou-se com a água coletada para o tanque; 6. Realizou-se novamente os passos 3, 4 e 5 (duplicata); 7. Mediu-se a diferença de alturas no manômetro; 8. Alterou-se em 2,00mm a posição do tubo de Pitot em relação ao centro do tubo; 9. Mediu-se a diferença de alturas no manômetro; 10. Repetiu-se os passos 9 e 10, até o tubo de Pitot estar posicionado na lateral; 11. Mediu-se a temperatura final da água com o termômetro de mercúrio; 12. Fechou-se completamente a válvula para se obter a maior vazão e repetiu-se os passos 2 a 12; 13. Girou-se a válvula em, aproximadamente, 6 voltas, para se obter uma vazão de água em um valor intermediário e repetiu-se os passos 2 a 12. 3. Resultados e Discussão A fim de determinar os diferentes perfis de velocidade coletou-se dados com três vazões diferentes, deixando a válvula de realimentação nas posições fechada, semi-aberta e completamente aberta. Para cada posição da válvula, realizou-se 2 medidas diferentes de vazão da água. Para isso, coletou-se a água em um recipiente durante um período de tempo e em seguida mediu- se o peso do recipiente cheio e subtraiu o peso do recipiente vazio. Os dados obtidos encontram-se nos tópicos abaixo e a partir destes resultados foi possível calcular a vazão mássica média do líquido e o número de Reynolds. O número de Reynolds foi calculado pela seguinte fórmula: 𝑅𝑅𝑅𝑅 = 𝑉𝑉.𝐷𝐷 𝜇𝜇 onde, ● A velocidade média (V) foi obtida através da vazão mássica encontrada; ● O diâmetro (D) do tubo foi dado: 0,022m; ● A viscosidade cinemática (𝜇𝜇)foi obtida por valores tabelados a partir da temperatura média medida durante o experimento.[1] a) Válvula de realimentação fechada Vazão Mínima Massa da água [g] Tempo [s] Vazão [g/s] 12650 12,82 986,74 13400 13,93 961,95 Vazão média 974,34 Tabela 1: Cálculo do valor médio da vazão mínima. 𝑇𝑇𝑇𝑇 = 28,75 º𝐶𝐶 𝑅𝑅𝑅𝑅 = 2,57 .0,022 0,824 .10−6= 6,86 . 104 b) Válvula de realimentação semi-aberta Vazão Média Massa da água [g] Tempo [s] Vazão [g/s] 17900 16,59 1078,96 16900 16,09 1050,34 Valor médio 1064,65 Tabela 2: Cálculo do valor médio da vazão média. 𝑇𝑇𝑇𝑇 = 24 º𝐶𝐶 𝑅𝑅𝑅𝑅 = 2,81 .0,022 0,9216 .10−6= 6,71 . 104 c) Válvula de realimentação aberta Vazão Máxima Massa da água [g] Tempo [s] Vazão [g/s] 13150 7,44 1767,47 14400 7,78 1850,90 Vazão média 1809,18 Tabela 3: Cálculo do valor médio da vazão máxima. 𝑇𝑇𝑇𝑇 = 31,25 º𝐶𝐶 𝑅𝑅𝑅𝑅 = 4,8 .0,022 0,78 .10−6= 1,35 . 105 Através do número de Reynolds encontrados nas diferentes situações propostas, pode- se concluir que é o escoamento se caracteriza como turbulento e o coeficiente n = 7, conforme verificado na tabela abaixo: 𝑅𝑅𝑅𝑅 = 𝜌𝜌𝑉𝑉𝐷𝐷 𝜇𝜇 4x103 105 106 >2x106 n 6 7 9 10 Tabela 4: Expoente n para tubos lisos. 3.1 Perfis Experimentais Para se calcular o valor de u, e assim obter os perfis teóricos, utilizou-se a seguinte equação: 𝑢𝑢 = �2 ∗ 𝛥𝛥𝛥𝛥 𝑝𝑝 Onde ΔP = 𝑔𝑔 × ∆ℎ × (𝜌𝜌𝑇𝑇 − 𝜌𝜌) Onde g a aceleração da gravidade, ∆ℎ a diferença de altura entre os meniscos no manômetro em “U”, calculada durante o experimento, 𝜌𝜌𝑇𝑇 a densidade do fluido manométrico e 𝜌𝜌 a densidade da água. A densidade do fluido manométrico (mercúrio) foi considerada constante: 13595,1 Kg/cm3. Os valores de densidade da água foram obtidos de acordo com a seguinte tabela: Tabela 5: Valor da densidade da água em relação à temperatura. Vazão Mínima Temperatura média [ºC] 29 Densidade do fluido manométrico [Kg/m³] 13595,1 Densidade da água [Kg/m³] 995,97 Aceleração da gravidade [m/s²] 9,81 Tabela 6: Dados experimentais na vazão mínima. Vazão Média Temperatura média [ºC] 24 Densidade do fluido manométrico [Kg/m³] 13595,1 Densidade da água [Kg/m³] 997,32 Aceleração da gravidade [m/s²] 9,81 Tabela 7: Dados experimentais na vazão média. Vazão Máxima Temperatura média [ºC] 31 Densidade do fluido manométrico [Kg/m³] 13595,1 Densidade da água [Kg/m³] 995,37 Aceleração da gravidade [m/s²] 9,81 Tabela 8: Dados experimentais na vazão máxima a) Válvula de realimentação aberta Para a vazão mínima, com os dados obtidos experimentalmente e bibliograficamente, seguidos dos dados calculados, elaborou-se a seguinte tabela: Y = (R-r) [m] Δh [m] ΔP [Pa] u [m/s] Hg 0,011 0,041 5069,48 3,191 0,009 0,04 4945,84 3,152 0,007 0,038 4698,54 3,072 0,005 0,036 4451,25 2,990 0,003 0,032 3956,67 2,819 Tabela 9: Dados obtidos experimentalmente com válvula aberta Supondo que o comportamento do fluído do centro do tubo a qualquer extremidade é o mesmo, gerou-se o seguinte gráfico do perfil de velocidade. Gráfico 1: Perfil de Velocidade do escoamento para vazão mínima. b) Válvula de realimentação semi-aberta Para a vazão média, com os dados obtidos experimentalmente e bibliograficamente, seguidos dos dados calculados, pudemos elaborar a seguinte tabela: Y = (R-r) [m] Δh [m] ΔP [Pa] u [m/s] Hg 0,011 0,045 5563,45 3,340 0,009 0,044 5439,82 3,303 0,007 0,042 5192,55 3,227 0,005 0,039 4821,65 3,110 0,003 0,032 3956,23 2,817 Tabela 10: Dados obtidos experimentalmente com válvula semi-aberta Supondo que o comportamento do fluído do centro do tubo a qualquer extremidade é o mesmo, gerou-se o seguinte gráfico do perfil de velocidade. Gráfico 2: Perfil de Velocidade do escoamento para vazão média. c) Válvula de realimentação fechada Para a vazão máxima, com os dados obtidos experimentalmente e bibliograficamente, seguidos dos dados calculados, pudemos elaborar a seguinte tabela: Y = (R-r) [m] Δh [m] ΔP [Pa] u [m/s] Hg 0,011 0,135 16692,94 5,791 0,009 0,133 16445,63 5,748 0,007 0,119 14714,51 5,437 0,005 0,112 13848,95 5,275 0,003 0,111 13725,30 5,252 Tabela 11: Dados obtidos experimentalmente com válvula fechada Supondo que o comportamento do fluído do centro do tubo a qualquer extremidade é o mesmo, gerou-seo seguinte gráfico do perfil de velocidade. Gráfico 3: Perfil de Velocidade do escoamento para vazão máxima. Os três gráficos obtidos experimentalmente mostram os perfis de velocidade de cada vazão avaliada. Os dois primeiros gráficos que representam a vazão mínima e a vazão média, respectivamente, apresentam o primeiro perfil de velocidade que é ligeiramente mais curto que o segundo perfil obtido. Comparando tais gráficos com Gráfico 3 pode-se ver que há um maior alongamento no perfil de velocidade. Isso ocorre devido a diferença nas vazões obtidas durante o experimento, uma vez que, quanto maior a vazão maior é a velocidade do fluido resultando na modificação do perfil de velocidade. Contudo, todos os três perfis de velocidade obtidos experimentalmente são parabólicos, com uma abertura maior, se comparado com um regime de escoamento laminar. Logo, estão coerentes com o regime de escoamento turbulento. Importante ressaltar que, para obtenção dos gráficos apresentados acima, foi considerado em todos os cálculos um tubo liso. Entretanto, o tubo utilizado no presente experimento possui rugosidade natural do material metálico. De acordo com Çengel e Cimbala (2007), somente superfícies de vidro e plástico são consideradas hidrodinamicamente lisas. Logo, há uma fonte de erro associada à rugosidade do material. Essa questão é evidenciada pelo formato dos gráficos apresentados anteriormente. Assim, além de instabilidade dos sistema, a rugosidade perturba a camada de escoamento e gera os perfis de velocidade de escoamento apresentados. 3.2 Perfis velocidade ajustados Para o cálculo dos perfis das velocidades ajustadas será utilizado a equação da lei de potência, dada por: R = raio do tubo u = velocidade média u nax= velocidade máxima y = coeficiente da reta n = coeficiente obtido através da tabela 4 Y = (R-r) [m] Δh [m] ΔP [Pa] u [m/s] n ajustado u ajustado erro (%) Hg 0,011 0,041 5069,48 3,191 10 3,1907 0,00 0,009 0,04 4945,84 3,152 3,1273 0,78 0,007 0,038 4698,54 3,072 3,0497 0,72 0,005 0,036 4451,25 2,990 2,9488 1,39 0,003 0,032 3956,67 2,819 2,8019 0,60 Tabela 12: Válvula de realimentação totalmente aberta com perfil ajustado Y = (R-r) [m] Δh [m] ΔP [Pa] u [m/s] n ajustado u ajustado erro (%) Hg 0,011 0,045 5563,45 3,340 8 3,3402 0,00 0,009 0,044 5439,82 3,303 3,2574 1,39 0,007 0,042 5192,55 3,227 3,1567 2,22 0,005 0,039 4821,65 3,110 3,0267 2,74 0,003 0,032 3956,23 2,817 2,8395 0,80 Tabela 13: Válvula de realimentação semi-aberta com perfil ajustado Y = (R-r) [m] Δh [m] ΔP [Pa] u [m/s] n ajustado u ajustado erro (%) Hg 0,011 0,135 16692,94 5,791 10 5,7915 0,00 0,009 0,133 16445,63 5,748 5,6764 1,27 0,007 0,119 14714,51 5,437 5,5355 1,77 0,005 0,112 13848,95 5,275 5,3524 1,44 0,003 0,111 13725,30 5,252 5,0858 3,26 Tabela 14: Válvula de realimentação fechada com perfil ajustado Os valores de n foram escolhidos para que apresentassem o menor erro relativo entre os valores da velocidade experimental e as velocidades ajustadas pela lei de potência, tendo erros percentuais em média inferiores a 3%. Com os dados de velocidades do Pitot e ajustados, plotou-se os Gráficos 6, 7 e 8, apresentados na sequência. Gráfico 6: Perfis de velocidade experimental e ajustado para a realimentação totalmente aberta. Gráfico 7: Perfis de velocidade experimental e ajustado para a realimentação semi-aberta. Gráfico 8: Perfis de velocidade experimental e ajustado para a realimentação fechada. É perceptível a elevada aproximação entre os dois valores em todos os gráficos, vê-se que ambos os conjuntos de pontos descrevem um perfil de velocidade parabólicos achatados próximo ao centro da tubulação, como era previsto para o regime turbulento. Assim, quanto maior a turbulência do fluido, mais achatado e maior o expoente n que melhor ajusta aos pontos. Em contrapartida, para escoamento laminar, o perfil é parabólico. Para o cálculo das velocidades experimentais foi utilizada a seguinte equação: Obtendo o seguinte resultado: Estado da válvula V (m/s) Aberta 2,6693 Parcialmente aberta 2,7944 Fechada 4,8452 Tabela 15: Dados de velocidade obtidos teoricamente. Com os valores de vazões obtidos acima foi possível o cálculo das vazões. Utilizando a seguinte fórmula: Obtendo o seguinte resultado registrado na tabela abaixo: Estado da válvula Q (m²/s) Aberta 1,011 Parcialmente aberta 1,059 Fechada 1,836 Tabela 16: Dados da vazão obtidos teoricamente. Em busca de facilitar a visualização dos dados obtidos experimentalmente e teoricamente, foi construída a seguinte tabela: Estado da válvula Q (m²/s) Teórico Q (m²/s) Experimental V (m/s) Teórico V (m/s) Experimental Aberta 1,011 0,974 2,669 2,564 Parcialmente aberta 1,057 1,065 2,794 2,802 Fechada 1,832 1,809 4,845 4,762 Tabela 17: Dados da vazão e velocidade teóricos e experimentais. Desta forma é possível observar que os valores obtidos para a vazão experimental está próximo da vazão teórica encontrada. Assim, como os valores obtidos da velocidade teórica estão próximos dos valores encontrados da velocidade experimental. 3.3. Fontes de erro significativas Durante a realização dos experimento foram constatados algumas fontes de erros que fizeram com que os resultados obtidos teoricamente não fossem iguais aos dados obtidos experimentalmente. Na execução do experimento foi utilizado para medição da altura do mercúrio por meio da fita métrica encontrada no painel do tubo de pitot. Além da fonte de erro proveniente do instrumento de medição, houve também leituras de dados imprecisas devido a agitação que a bomba provocava no tubo no qual deixava o menisco instável durante o experimento. Na obtenção do tempo de coleta da água constataram-se ligeiros atrasos em relação ao fechamento da válvula de alimentação do galão de água. Também é fundamental evidenciar que, para os cálculos apresentados neste relatório, foi considerado um tubo liso, e, de acordo com a literatura consultada, o tubo utilizado no experimento apresenta rugosidade, o que interfere nos resultados através do fator de atrito atrelado a rugosidade do material. 4. Conclusão Após obtenção dos dados experimentais e teóricos, foi possível obter graficamente os perfis de velocidade para as três diferentes posições de válvulas: aberta, parcialmente fechada e totalmente fechada. A partir de então, foi possível constatar visualmente o regime de escoamento turbulento. Fato que, também, foi comprovado ao obter o número de Reynolds. Ao se comparar os perfis de velocidade obtidos experimentalmente com os obtidos teoricamente, mostrados através dos gráficos de perfis experimentais ajustados, pode-se constatar que houve uma pequena discrepância, a qual pode ser justificada pelas fontes de erros apresentadas. Outro ponto importante evidenciado é a relação de turbulência do fluido com o n, ou seja, quanto maior o n, maior é a turbulência do fluido e mais achatado é o perfil de velocidade. Assim, mesmo obtendo alguns dados divergentes da teoria, os resultados estavam dentro de um intervalo de erro aceitável, não implicando em prejuízo aos objetivos do experimento. Referências Bibliográficas ÇENGEL, Y. A.; CIMBALA, J. M. Mecânica dos Fluidos: fundamentos e aplicações.1ª Edição. McGrawHill, 2007 Roteiro de prática, PERFIL DE VELOCIDADE NO ESCOAMENTO EM DUTOS CIRCULARES: TUBO DE PITOT, UFSCar, DEQ, 2019 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA GRADUAÇÃOEM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO Experimento 2: DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM CORPOS SUBMERSOS ALUNOS: Brenda Ribeiro | RA 629596 Debora Maffei | RA 629332 Luziane Freitas | RA 630241 Raphael Oliveiras | RA 629723 Thiago Takeda | RA 596850 PROFESSORA: Janaina Fernandes Gomes SÃO CARLOS 2019 DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM CORPOS SUBMERSOS Objetivos Determinar o coeficiente de transmissão de calor por convecção de corpos metálicos de diferentes tamanhos, submersos em fluídos como água e ar em diferentes temperaturas. A partir dos valores obtidos experimentalmente comparar com os disponíveis na literatura através de gráficos e análises. Materiais e Métodos Os materiais utilizados nesse experimento foram os seguintes: ● Termômetro ● Paquímetro ● Cronômetro ● Duas barras cilíndricas de alumínio e cobre ● Uma placa de alumínio ● Termopares ● Multímetro digital ● Balde com água fria ● Tanque com água quente Primeiramente, foi verificado se os termopares estavam conectados corretamente ao indicador de temperatura e anotado qual canal correspondia a cada um, depois disso, foram medidas as dimensões de cada corpo de prova e quando observado que a temperatura da água do tanque estava estacionária deu-se início ao procedimento acompanhando os seguintes passos: 1. Mediu-se a temperatura inicial do corpo de prova e depois foi submergido no banho de água quente, com o suporte apropriado. O cronômetro foi disparado simultaneamente a submersão, e os dados observados de variação de temperatura no multímetro juntamente com a cronometragem do tempo foram capturados em câmera de vídeo para análise. 2. Após atingir o equilíbrio, o corpo de prova foi retirado do tanque e colocado em água fria. O cronômetro foi disparado simultaneamente a submersão na água , e os dados observados de variação de temperatura no multímetro juntamente com a cronometragem do tempo foram capturados em câmera de vídeo para posterior análise. 3. Após atingir novamente o equilíbrio, o mesmo corpo de prova foi submetido ao passo 1. 4. Após atingimento do equilíbrio, o corpo de prova foi retirado do banho de água quente e colocado exposto ao ar para resfriamento. O cronômetro foi disparado simultaneamente a retirada do banho, e os dados observados de variação de temperatura no multímetro juntamente com a cronometragem do tempo foram capturados em câmera de vídeo para posterior análise. 5. Quando constatado que a variação de temperatura desse corpo de prova estava caindo mais lentamente, repetiu-se os passos 1 e 2 com os outros corpos de prova, utilizando o multímetro em outro canal e retornando sempre que possível no canal do primeiro corpo de prova para anotar os pontos. 6. Aguardamos o corpo de prova que estava esfriando em ar atingir a temperatura ambiente. Resultados e Discussão Através da medição dos corpos de prova com o paquímetro, foram obtidos os seguintes dados sobre cada um. Tabela 1: Dados dos corpos de prova Corpos Geometria Material Dimensões [cm] Área [cm²] Volume [cm³] ρ [g/cm³] Cp [cal/g.°C] Lc [cm] k [cal/s] 1 Placa Alumínio 15,2x10,1x 1,2 153,52 184,22 2,7 0,214 1,20 0,5 2 Cilindro Cobre ⌀5x15,2 278,03 298,45 8,96 0,092 1,07 0,99 3 Cilindro Alumínio ⌀5x15,1 276,46 296,48 2,7 0,214 1,07 0,5 ρ: densidade do material Cp: Calor específico do material Lc: Comprimento característico (volume do corpo dividido pela área da superfície do corpo) k: condutividade térmica do material Após análise dos vídeos do procedimento experimental, o qual mostram o multímetro e o cronômetro, sendo possível extrair os dados da temperatura em função do tempo construímos as seguintes tabelas. Tabela 2: Dados de aquecimento e resfriamento em AR e ÁGUA do SÓLIDO 1 Aquecimento Resfriamento em AR Resfriamento em ÁGUA Tempo (s) Temperatur a (oC) Tempo (s) Temperatura (oC) Tempo (s) Temperatura (oC) 0 30 0 72 0 70 7 32 27 70 8 68 9 34 48 68 12 66 12 36 78 66 14 64 14 38 122 64 17 62 17 40 169 62 20 60 19 42 226 60 23 58 21 44 288 58 26 56 24 46 370 56 30 54 26 48 445 54 33 52 30 50 533 52 37 50 32 52 661 50 41 48 36 54 774 48 46 46 40 56 966 46 51 44 44 58 1104 44 57 42 50 60 1260 42 63 40 57 62 1380 40 71 38 64 64 1860 36 79 36 75 66 2100 34 91 34 91 68 2608 33 107 32 115 70 3049 32 129 30 - - 3502 31 172 28 - - 5137 30 227 26 A partir da Tabela 2, traçou-se os gráficos de temperatura x tempo dos processos de aquecimento e resfriamento do sólido 1. Os gráficos gerados estão apresentados a seguir. Gráfico 1: Aquecimento do sólido 1 Gráfico 2: Resfriamento do sólido 1 em ar Gráfico 3: Resfriamento do sólido 1 em água Tabela 3: Dados de aquecimento e resfriamento somente na ÁGUA dos sólidos 2 e 3 SÓLIDO 2 SÓLIDO 3 Aquecimento Resfriamento Aquecimento Resfriamento Tempo (s) Temperatura (oC) Tempo (s) Temperatura (oC) Tempo (s) Temperatura (oC) Tempo (s) Temperatura (oC) 0 28 0 72 0 29 0 74 9 30 4 70 5 31 3 72 12 32 6 68 6 33 5 70 15 34 9 66 7 35 8 68 18 36 11 64 8 37 9 66 21 38 15 62 9 39 12 64 23 40 18 60 9,5 41 14 62 26 42 22 58 10 43 16 60 28 44 28 56 11 45 18 58 32 46 33 54 12 47 22 56 34 48 40 52 13 49 27 54 37 50 47 50 14 51 33 52 40 52 54 48 15 53 37 50 44 54 62 46 17 55 43 48 48 56 73 44 19 57 51 46 52 58 85 42 22 59 59 44 57 60 97 40 24 61 70 42 62 62 116 38 27 63 83 40 69 64 137 36 32 65 98 38 77 66 168 34 37 67 120 36 87 68 222 32 44 69 151 34 102 70 358 30 56 71 239 32 126 72 - - 83 73 - - - - - - 128 74 - - A partir da Tabela 3, traçou-se os gráficos de temperatura x tempo dos processos de aquecimento e resfriamento dos sólido 2 e 3. Os gráficos gerados estão apresentados a seguir. Gráfico 4: Aquecimento do sólido 2 Gráfico 5: Resfriamento do sólido 2 em água Gráfico 6: Aquecimento do sólido 3 Gráfico 7: Resfriamento do sólido 3 em água A partir dos dados coletados da variação da temperatura em relação ao tempo, aplicou-se a equação de transferência de calor em regime transiente: 𝞪𝞪 = −𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑇𝑇−𝑇𝑇∞ 𝑇𝑇−𝑇𝑇∞ 𝑡𝑡 (coeficiente angular) h = 𝛼𝛼𝛼𝛼𝐶𝐶𝑝𝑝𝑉𝑉 𝐴𝐴 A fim de obter uma reta a qual fosse possível analisar o coeficiente angular, e assim, obter o coeficiente de transferência de calor (h), foram construídos os gráficos para cada processo de troca de calor, os quais estão presente na Tabela 4, a seguir. Tabela 4: Gráficos linearizados A partir dos gráficos linearizados obteve-se os valores do coeficiente de transferência de calor (h) para os 3 sólidos nas condições de aquecimento e resfriamento apresentadas. A Tabela 5, a seguir, apresenta os valores obtidos de h. Tabela 5: Valores experimentais do coeficiente de transferência de calor h [cal/cm².°C] Aquecimento Resfriamento Ar Resfriamento Água Sólido 1 0,02329 0,0007 0,01325 Sólido 2 0,02706 - 0,0121 Sólido 3 0,03068 - 0,01218 Pela hipótese que a temperatura é uniforme nos sólidos e o fluido utilizado (água e ar), as propriedades físicas também são uniformes. Os valores de h estão bem próximos, demonstrando que o calor deixado pelo corpo é próximo ao da variação de energia interna do corpo. Número de Biot Sabendo-se que a análise é válida analisando o número de Biot. Quemostra que a resistência térmica é desprezível no interior do corpo sólido. É um número adimensional, mede a transferência de calor através de condução e convecção, e sua validação é um valor inferior a 0,1. O cálculo é realizado através da seguinte equação: 𝐵𝐵𝐵𝐵 = ℎ𝐿𝐿 𝐾𝐾 Onde: h: coeficiente de convecção (cal/cm².°C) L: Volume/Área(cm); K: Coeficiente condutivo de calor do corpo (cal/s). A partir da equação apresentada anteriormente, foi possível obter o Número de Biot para cada coeficiente de transferência de calor encontrado na Tabela 5. Em seguida, na Tabela 6, são apresentados os Bi encontrados. Tabela 6: Números de Biot encontrados Biot Aquecimento Resfriamento Ar Resfriamento Água Sólido 1 0,056 0,002 0,032 Sólido 2 0,029 - 0,002 Sólido 3 0,066 - 0,026 Os valores encontrados foram inferiores à 0,1. Logo, a hipótese de resistência térmica desprezível no interior do corpo sólido foi atendida em todos os ensaios. Durante o experimento foram simplificadas algumas relações para facilitar os cálculos. Considerou-se que, para os sólidos, o coeficiente de convecção é constante, assim como suas propriedades físicas e a temperatura em seu interior. Conclusão Com as análises, podemos concluir que a transferência de calor é mais intensa quanto maior o coeficiente angular das retas, pois maior será o coeficiente de transferência de calor. Os corpos são de materiais diferentes e com geometrias diferentes, logo, terão coeficientes diferentes. Como o cobre, que possui maior capacidade que o alumínio, por exemplo. Os dados podem ter sido coletados de forma errônea, as condições de isolamento do laboratório não ter sido suficiente, o material conter impurezas e massa irregular, entre outros fatores que possam ter impedido resultados mais precisos. Apêndice SÓLIDO 1: Aquecimento Resfriamento Tempo (s) Temperatura (oC) -Ln(T- Tinf/Ti- Tinf) Tempo (s) Temperatura AR (oC) -Ln(T- Tinf/Ti- Tinf) Tempo (s) Temperatura ÁGUA (oC) -Ln(T-Tinf/Ti- Tinf) 0 30 0,00000 0 72 0,0000 0 70 0,0000 7 32 0,05129 27 70 0,0488 8 68 0,0465 9 34 0,10536 48 68 0,1001 12 66 0,0953 12 36 0,16252 78 66 0,1542 14 64 0,1466 14 38 0,22314 122 64 0,2113 17 62 0,2007 17 40 0,28768 169 62 0,2719 20 60 0,2578 19 42 0,35667 226 60 0,3365 23 58 0,3185 21 44 0,43078 288 58 0,4055 26 56 0,3830 24 46 0,51083 370 56 0,4796 30 54 0,4520 26 48 0,59784 445 54 0,5596 33 52 0,5261 30 50 0,69315 533 52 0,6466 37 50 0,6061 32 52 0,79851 661 50 0,7419 41 48 0,6931 36 54 0,91629 774 48 0,8473 46 46 0,7885 40 56 1,04982 966 46 0,9651 51 44 0,8938 44 58 1,20397 1104 44 1,0986 57 42 1,0116 50 60 1,38629 1260 42 1,2528 63 40 1,1451 57 62 1,60944 1380 40 1,4351 71 38 1,2993 64 64 1,89712 1860 36 1,9459 79 36 1,4816 75 66 2,30259 2100 34 2,3514 91 34 1,7047 91 68 2,99573 2608 33 2,6391 107 32 1,9924 115 70 3049 32 3,0445 129 30 2,3979 3502 31 3,7377 172 28 3,0910 5137 30 227 26 Coeficiente Angular 0,03359 Coeficiente Angular 0,00101 Coeficiente Angular 0,01911 h [cal/cm².°C] 0,02329 h [cal/cm².°C] 0,00070 h [cal/cm².°C] 0,01325 Nbi 0,056 Nbi 0,002 Nbi 0,032 SÓLIDO 2: Aquecimento Resfriamento Tempo (s) Temperatura (oC) -Ln(T-Tinf/Ti-Tinf) Tempo (s) Temperatura (oC) -Ln(T-Tinf/Ti-Tinf) 0 28 0,00000 0 72 0,00000 9 30 0,04652 4 70 0,04879 12 32 0,09531 6 68 0,10008 15 34 0,14660 9 66 0,15415 18 36 0,20067 11 64 0,21131 21 38 0,25783 15 62 0,27193 23 40 0,31845 18 60 0,33647 26 42 0,38299 22 58 0,40547 28 44 0,45199 28 56 0,47957 32 46 0,52609 33 54 0,55962 34 48 0,60614 40 52 0,64663 37 50 0,69315 47 50 0,74194 40 52 0,78846 54 48 0,84730 44 54 0,89382 62 46 0,96508 48 56 1,01160 73 44 1,09861 52 58 1,14513 85 42 1,25276 57 60 1,29928 97 40 1,43508 62 62 1,48160 116 38 1,65823 69 64 1,70475 137 36 1,94591 77 66 1,99243 168 34 2,35138 87 68 2,39790 222 32 3,04452 102 70 3,09104 358 30 126 72 Coeficiente Angular 0,03059 Coeficiente Angular 0,01367 h [cal/cm².°C] 0,02706 h [cal/cm².°C] 0,01210 Nbi 0,029 Nbi 0,013 SÓLIDO 3: Aquecimento Resfriamento Tempo (s) Temperatura (oC) -Ln(T-Tinf/Ti-Tinf) Tempo (s) Temperatura (oC) -Ln(T-Tinf/Ti-Tinf) 0 29 0,00000 0 74 0,00000 5 31 0,04546 3 72 0,04879 6 33 0,09309 5 70 0,10008 7 35 0,14310 8 68 0,15415 8 37 0,19574 9 66 0,21131 9 39 0,25131 12 64 0,27193 9,5 41 0,31015 14 62 0,33647 10 43 0,37268 16 60 0,40547 11 45 0,43937 18 58 0,47957 12 47 0,51083 22 56 0,55962 13 49 0,58779 27 54 0,64663 14 51 0,67117 33 52 0,74194 15 53 0,76214 37 50 0,84730 17 55 0,86222 43 48 0,96508 19 57 0,97345 51 46 1,09861 22 59 1,09861 59 44 1,25276 24 61 1,24171 70 42 1,43508 27 63 1,40877 83 40 1,65823 32 65 1,60944 98 38 1,94591 37 67 1,86075 120 36 2,35138 44 69 2,19722 151 34 3,04452 56 71 2,70805 239 32 83 73 3,80666 128 74 Coeficiente Angular 0,04951 Coeficiente Angular 0,01965 h [cal/cm².°C] 0,03068 h [cal/cm².°C] 0,01218 Nbi 0,066 Nbi 0,026 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO Experimento 3: DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE DIFUSÃO MÁSSICA - EXPERIÊNCIA DE STEFAN ALUNOS: Brenda Ribeiro | RA 629596 Debora Maffei | RA 629332 Luziane Freitas | RA 630241 Monaísa Andrade | RA 629804 Raphael Oliveiras | RA 629723 Thiago Takeda | RA 596850 PROFESSORA: Janaina Fernandes Gomes SÃO CARLOS 2019 DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE DIFUSÃO MÁSSICA - EXPERIÊNCIA DE STEFAN Objetivos Com o experimento, foi possível determinar experimentalmente o DAB, coeficiente de difusão do éter etílico (C4H10O) e do etanol (C2H6O) com a utilização de Célula de Stefan em regime quase-permanente. Aferindo durante cinco dias a taxa de evaporação no ar dos produtos, que possuem volatilidade adequada e não apresentam perigo aos alunos que realizaram a coleta. Materiais e Métodos ● Célula constituída de um tubo de vidro, fechado embaixo, com diâmetro interno e comprimento de 4 mm e 400 mm respectivamente, fixada a um suporte contendo uma escala graduada para a leitura de L (distância entre a extremidade superior da coluna e a interface gás-líquido); ● Termômetro; ● Barômetro; ● Etanol (C2H6O) ; ● Éter Etílico (C4H10O). Na célula de Stefan já havia o Etanol e o Éter Etílico, onde o vapor é o objeto de difusão na coluna de ar estagnado. Iniciou-se a contagem do tempo e da posição, t e L, respectivamente, após o sistema alcançar o regime permanente. As medições foram realizadas durante cinco dias consecutivos em seis horários diferentes, iniciando a primeira às oito até a última às dezoito horas, respeitando o intervalo de duas horas. A cada medição, fazia-se registro das indicações dos instrumentos de temperatura e pressão no horário da coleta. Ao final do experimento e das coletas, os dados registrados foram transferidos para uma tabela de Excel, gerando assim um gráfico, que através de seu coeficiente angular da reta gerada, foi possível encontrar o DAB, coeficiente de difusão. Resultados e Discussão Curva L² x t Durante os cinco dias consecutivos de medição da altura da coluna de Éter e Etanol, temperatura e pressão, foi possível coletar os dados apresentados na tabela 1. Tabela 1: Dados experimentais coletados Tempo decorrido [min] Altura da Coluna [cm] EtanolAltura da Coluna [cm] Éter Pressão [mmHg] Temperatura in [ºC] Temperatura out [ºC] 0 1,3 5,6 701,5 27,6 26,0 8100 1,5 6,5 701,5 26,9 26,1 57600 2,2 9,5 704,0 23,4 23,3 64500 2,3 9,8 705,0 24,8 24,2 71400 2,3 10,2 704,5 25,7 24,7 79500 2,4 10,6 703,5 27,6 25,9 86100 2,5 11,0 703,2 27,2 26,0 93300 2,6 11,5 703,5 26,5 25,7 143940 3,1 13,4 705,5 23,3 23,2 153660 3,1 13,7 701,5 25,3 24,5 160140 3,1 13,8 705,5 27,2 25,6 168000 3,1 14,2 704,0 27,5 26,0 174120 3,1 14,5 704,0 27,7 26,3 182040 3,2 14,9 704,5 26,8 26,2 231300 3,7 16,5 705,2 24,0 23,7 238080 3,7 16,5 706,0 25,5 24,5 244740 3,7 16,7 706,5 26,9 25,4 252240 3,7 17,0 705,0 28,2 26,3 259260 3,7 17,3 705,0 28,6 27,0 266280 3,8 17,6 704,0 27,8 26,9 317340 4,2 18,0 705,5 24,2 23,9 324480 4,2 18,2 706,0 25,8 24,7 330960 4,2 19,3 705,5 26,9 25,4 338580 4,2 19,6 705,0 28,2 26,5 346140 4,3 19,8 703,0 28,2 26,8 353100 4,3 20,1 703,0 27,6 26,7 Com base nesses dados, obtemos uma temperatura média igual a 25,98 ºC ou 299,13 K e pressão média igual a 704,28 mmHg ou 0,94 bar. Esses dados serão utilizados na obtenção do coeficiente de difusividade do etanol e do éter, DAB. Também através dos dados coletados, foi possível traçar as retas que representam o comportamento do sistema. a) Gráfico do Quadrado das Alturas X Tempo - Etanol Figura 1: Gráfico L² x tempo do Etanol A partir da linha de tendência, tem-se a equação que representa o gráfico da figura 1: 𝑦𝑦 = 5 · 10−5𝑥𝑥 + 2,035 Cujo coeficiente angular assume o valor de 5 · 10−5. b) Gráfico do Quadrado das Alturas X Tempo - Éter Figura 2: Gráfico L² x tempo do Éter A partir da linha de tendência, tem-se a sua equação: 𝑦𝑦 = 0,001 𝑥𝑥 + 33,259 Assim, tem-se que coeficiente angular assume o valor de 0,001. Cálculo do Dab Para o cálculo do Coeficiente de Difusão (DAB) foi necessário obter as demais variáveis. A Pressão (bar) e Temperatura (K) foram calculadas tomando-se as médias durante o experimento, os outros dados foram retirados da literatura. Tabela 2: Dados experimentais coletados Etanol Éter Pressão Média (bar) 0,94 0,94 Temperatura Média (K) 299,13 299,13 Massa Molecular (g/mol) 46,10 74,12 Densidade (g/cm³) a 293 ºK 0,789 0,71 Pressão de Vapor (bar) 0,0633 0,6196 R (cm³.bar/K.mol) 83,1447 83,1447 Coeficiente da Reta 0,00005 0,001 Através desses valores obtidos, e dos valores tabelados dos líquidos, foi calculado o DAB através da seguinte fórmula apresentada na figura 3: Figura 3: Fórmula para cálculo do DAB Onde o coeficiente da reta é dado pela forma na figura 4: Figura 4: Fórmula para cálculo do DAB Dessa maneira, substituindo os valores na equação acima para o cálculo do DAB do Etanol, tem-se: 2 · 𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷 · 0,94 · 46,1 · 𝑙𝑙𝑙𝑙 ( 1 1 − 0,06330,94 ) 0,789 · 83,1447 · 299,13 = 0,00005 DAB Etanol = 0,1623 cm²/s Para encontrar o valor de DAB para Éter, tem-se: 2 · 𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷 · 0,94 · 74,12 · 𝑙𝑙𝑙𝑙 ( 1 1 − 0,61960,94 ) 0,71 · 83,1447 · 299,13 = 0,001 DAB Éter = 0,1177 cm²/s O valor obtido para Coeficiente de Difusão (DAB) do Etanol foi de 0,1623 cm²/s que é um valor não muito distante, mas também não muito próximo do encontrado na literatura (0,13 cm²/s), WELTY et al (1984). Já para o Éter esse valor foi de 0,1177 cm²/s, também não muito distante ao encontrado na literatura (0,0896), WELTY et al (1984). Pode -se explicar as diferenças pelos erros inerentes a um experimento realizado por seis diferentes experimentadores, com julgamentos, aproximações e padrões de medida distintos. Há também erros residuais e estatísticos. Estes são devidos aos erros inerentes ao instrumento de medição e ao grande número de repetições de medidas de uma mesma grandeza. Além desses fatores, pode-se citar a graduação pouco precisa, as diferenças de pressão e temperatura ocorridas durante o experimento e não observados, já que as anotações só eram realizadas durante o dia, e os valores utilizados para o cálculo foram de acordo com a simples média aritmética dos valores. Temos também que o perfil do Dab teórico pode ser calculado pela seguinte equação dada em Reid, Prausnitz e Poling (1988): Onde, DAB = difusividade mássica da espécie A em B; MA = massa molar de A; MB = massa molar de B; MAB é dado por 2x[1/MA+1/MB]-1 T = temperatura média do sistema; P = pressão média do sistema ; [Σν]A: volume de difusão atômica da molécula de A; [Σν]B: volume de difusão atômica da molécula de B. O volume de difusão atômica de cada componente é encontrado na literatura com os seguintes valores: Tabela 3: Volume de Difusão Atômica. Volume de Difusão Atômica C 15,9 H 2,31 O 6,11 Ar 19,7 Fonte: REID, PRAUSNITZ & POLING, 1988 Encontrou-se também na literatura, as massas molares do Ar, Etanol e Éter Etilíco: Tabela 4: Massa Molar (g/mol) Massa Molar (g/mol) Ar 29,0 Etanol 46,0 Éter Etilíco 74,1 Fonte: REID, PRAUSNITZ & POLING, 1988 A partir destes dados, é possível calcular os DAB teórico para cada um dos componentes Coeficiente de Difusão Teórico do Etanol: Sabendo que a fórmula molecular do Etanol é dada por C2H6O, calculou-se os volumes de difusão atômica da seguinte forma: Etanol:[𝛴𝛴𝜈𝜈] 𝐷𝐷 = 2 × 15,9 + 6 × 2,31 + 1 × 6,11 = 51,77 𝑐𝑐𝑐𝑐³/𝑐𝑐𝑚𝑚𝑙𝑙 Ar: [𝛴𝛴𝜈𝜈] 𝐵𝐵 =19,7 cm³/mol Logo temos que o DAB é dado por: Coeficiente de Difusão Teórico do Éter Etílico: Do mesmo modo, sabendo que a fórmula molecular do Éter Etílico é dada por C4H10O, calculou-se os volumes de difusão atômica da seguinte forma: Éter Etilíco:[𝛴𝛴𝜈𝜈] 𝐷𝐷 = 4 × 15,9 + 10 × 2,31 + 1 × 6,11 = 92,81 cm³/mol Ar: [𝛴𝛴𝜈𝜈] 𝐷𝐷 =19,7 cm³/mol Logo temos que o DAB é dado por: Relação de correlação empírica Uma vez obtido os valores do coeficiente teórico e do coeficiente de difusão mássica experimental é possível construir uma relação de correlação empírica através do cálculo do erro. Ao calcularmos o erro experimental é possível analisar os valores obtidos com o consultado na literatura, construindo desta forma a correlação entre o DAB teórico e o DAB experimental. Para o calculo do erro do Éter, temos: Para o cálculo do erro do Etanol, temos: Em ressalta, temos que o alto valor para os desvios encontrados podem ser associados a contratempos durante as medições tomadas. Dentre estas podemos citar que o modo pelo qual os líquidos estavam dispostos, dentro de um pequeno espaço cuja altura dificultava uma leitura precisa do menisco. Outra fonte de erro que pode ser associada durante a execução desse experimento é a dificuldade em determinar com precisão a pressão, devido a difícil visualização do equipamento como também o erro associado a coleta de dados que foi realizada por membros diferentes da equipe que acabaram por coletar de forma que houvesse influência sobre os dados obtidos. Em suma, os valores calculados e consultados na literatura estão apresentados na tabela 5. Tabela 5: Comparação dos coeficientes de difusão teórico e experimental Líquido DAB teórico DAB experimental Erro DAB Éter 0,0970 cm²/s 0,1177 cm²/s 21,34% Etanol 0,1328 cm²/s 0,1623 cm²/s 22,21% Conclusão O experimento da obtenção do Dab possui como objetivo principal a comparação dos coeficientes experimentais obtidos e dos coeficientes teóricos disponíveis na literatura. Após a realização de todos os cálculos experimentais e consulta aos DAB obtidos teoricamente foi possível a construção da tabela 5. Ao realizar a comparaçãodos coeficientes teóricos e coeficientes experimentais foi possível perceber um desvio médio de 20% do valor esperado. Tal desvio pode ser explicado devido aos erros de medições associados, diferente pessoas fazendo coleta de dados bem como a consideração de um regime quase-permanente. Todas essas pequenas variações acabam por se acumular resultando em um alto erro como mencionado na tabela 5. Outra conclusão que pode ser extraída das análises obtidas é a distinção entre os conceitos de volatilidade e difusividade. Antes da realização do experimento era esperado que o componente mais volátil, o éter, possuísse o maior valor de DAB ,contudo, isso foi invalidado pelos cálculos e discussões aqui apresentadas. O éter, apesar de ser mais volátil que o etanol, apresentou um DAB menor. O etanol apesar de ser menos volátil que o éter, apresentou um DAB maior. Essa distinção também pode ser explicada conceitualmente, onde, a determinação do coeficiente de difusão ou difusividade de massa é um valor que representa a facilidade com que cada soluto em particular se move em um solvente determinado (no caso deste experimento do líquido no ar). Por outro lado, a volatilidade é a capacidade de vaporizar a uma determinada temperatura e pressão. Referências bibliográficas 1. Roteiro de prática, DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE DIFUSÃO MÁSSICO, UFSCar, DEQ, 2018. 2. REID, R. C., PRAUSNITZ, J. M. & POLING, B. E. (1988) The Properties of Gases and Liquids, 4th Edition, McGraw-Hill, New York. 3. WELT, J. R., WICKS, C. E. & WILSON, R. E. (1984) Fundamentals of Momentum, Heat and Mass Transfer, 3th Edition,John Wiley & Sons, New York. Relatório 1 Relatório 2 Relatório 3 Etanol:[𝛴𝜈],-𝐴.=2×15,9 +6×2,31+1×6,11 = 51,77 𝑐𝑚³/𝑚𝑜𝑙 Ar: [𝛴𝜈],-𝐵.=19,7 cm³/mol Éter Etilíco:[𝛴𝜈],-𝐴.=4×15,9 +10×2,31+1×6,11 = 92,81 cm³/mol Ar: [𝛴𝜈],-𝐵.=19,7 cm³/mol
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