relatorio tranferencia de calor(secador de cabelo)

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Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais 
 
Graduação em Engenharia Mecânica 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA E TRANSFERÊNCIA DE CALOR 
Prática 1 – Exercício 1.39 (secador de cabelo) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Contagem 
2019 
 
1. Introdução 
 
Apesar de caracterizar-se por ser uma palavra de utilização vasta no cotidiano, 
calor muitas vezes é entendido de forma errada por muitos. Sua definição correta 
seria algo como a energia transferida de um corpo para outro devido a uma 
diferença de temperatura entre eles. 
A transferência de calor é tida justamente como essa energia que transita, a 
transferência é o trânsito de energia. Incropera definiu a transferência de calor 
em seu livro fundamentos da transferência de calor e massa como sendo a 
energia térmica em trânsito devido a uma diferença de temperaturas no espaço. 
A transferência de calor se dá por meio de três maneiras bem conhecidas quando 
se trata deste assunto: condução, convecção e radiação. 
A condução de acordo com Incropera pode ser vista como uma transferência de 
energia de partículas mais energéticas para as menos energéticas de uma 
substância, e isto se dá por meio de uma interação entre as partículas presentes. 
 
A equação que rege a transferência de calor por condução é a equação de 
Fourier: 
 
𝑞 = [𝑘 × 𝐴 × (△ 𝑇)] ÷ 𝐿 (1) 
 
Onde: k = condutividade térmica 
 △T= Variação da temperatura 
 L= Espessura 
 q’’ = Fluxo de calor 
 A = Área 
 
A convecção se define através de dois mecanismos, o primeiro é aquele de 
difusão, onde existe um movimento aleatório das moléculas, e o segundo 
mecanismo é o movimento global das moléculas, isto é: as moléculas do fluido 
se movimentam de forma agregada sobre o sólido, promovendo assim também 
uma troca de calor entre os corpos. 
 
A lei de resfriamento de Newton define a Convecção: 
 
𝑞 = ℎ × 𝐴 × (△ 𝑇) (2) 
 
Onde: h = Coeficiente convectivo 
 
 
A radiação se difere muito das duas primeiras formas de transferência de calor, 
enquanto condução e convecção dependem de meios físicos para acontecerem, a 
radiação não possui tal limitação, isto se deve ao fato da transferência por 
radiação ocorrer por meio de ondas eletromagnéticas, e a radiação é emitida por 
variados tipos de corpos, inclusive gases. 
 
Para o cálculo do fluxo de calor por radiação utiliza-se a seguinte equação: 
 
𝑞 = ℇ × Ϭ × 𝐴 × ( 𝑇𝑠4 − 𝑇𝑣𝑖𝑧4) (3) 
 
Onde: ℇ = Emissividade 
 Ϭ = Constante de Bolstzmann (5,67 x 10^-8) 
 Ts = Temperatura da superfície 
 Tviz = Temperatura da vizinhança 
 
Dentro do campo da transferência de calor, uma importante vertente esta 
diretamente ligada ao resfriamento e aquecimento de ambientes, neste contexto 
pode ser introduzido o aquecedor, este equipamento amplamente utilizado em 
países de clima frio, trata-se de uma máquina capaz de captar o ar ambiente e 
através da transferência de calor aquece-lo e libera-lo com uma temperatura 
elevada, promovendo assim o aquecimento do ambiente. 
 
 
 
 
 
 
Para se calcular a vazão mássica de ar em aquecedores pode-se usar a equação 
abaixo: 
 
𝑚 × 𝐶𝑝 × (𝑇𝑒 − 𝑇𝑠) = 𝑃 (4) 
 
A Vazão volumétrica se dá por: 
 
𝑉 = 𝑚 ÷ 𝑝 (5) 
 
Onde: 
m = Vazão mássica 
Cp = Calor específico 
Te = Temperatura de entrada 
Ts = Temperatura na saída 
P = Potência 
V = Vazão volumétrica 
P = Densidade 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2. Objetivos 
 
A seguinte prática tem como objetivo reproduzir em laboratório o experimento 
idealizado no exercício (1.39), do livro Fundamentos da transferência de calor e 
de massa. 
Este exercício utiliza-se de um secador de cabelo de modo a idealizar um 
aquecedor de ar, o objetivo do exercício é determinar a vazão mássica de ar que 
deve ser fornecida pelo ventilador para que se possa aquecer o ar a determinada 
temperatura. Pede-se também a velocidade do ar na saída além de uma prova 
matemática de que a perda de calor para o ambiente é desprezível, como é 
afirmado no problema. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3. Desenvolvimento 
 
O experimento consiste basicamente em utilizar o secador de cabelo para soprar 
o ar para dentro de um tubo isolado na direção radial, o secador deve ser 
utilizado em sua potência máxima e deve-se medir a temperatura na entrada e 
saída do sistema com o auxilio de termopares, assim como a temperatura 
ambiente. Com o auxílio de um tubo de Pitot no final do tubo deve-se também 
aferir a velocidade do fluido. 
Para a realização da prática foram feitas as seguintes considerações: 
 
1. Todas as medições foram realizadas em regime permanente, foi aguardado 
um tempo suficientemente grande para atingir tal condição; 
2. Não existe perda de calor na direção radial do tubo para o ambiente; 
3. Densidade do ar equivale a 1,10 kg/m^3; 
4. Calor específico do ar equivale a 1007 J/(kg.K); 
5. Emissividade igual a 0,8; 
6. Coeficiente convectivo igual a 4 W/(K.m^2) 
 
 
3.1 Equipamentos 
 
 
Figura 1: Secador de cabelo 
 
 
 
 
Figura 2: Termopares (Modelo semelhante ao utilizado) 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3: Tubo de Pitot 
 
 
 
 
Figura 4: Montagem 
 
 
 
 
3.2 Dados 
 
 
Tabela 1: Temperaturas 
 Temperatura (Celsius) 
 
Ambiente 24,4 
Entrada 25 
Saída 117,7 
Superfície 26,8 
 
 
 
Com o auxílio de um paquímetro mediu-se o diâmetro e o comprimento do tubo. Os 
dados obtidos estão abaixo. 
 
D = 108,5 mm 
L = 253,5 mm 
 
Utilizando o tubo de Pitot também foi possível obter a velocidade do fluido: 
 
V = 9 m/s 
 
O secador possui uma potência de 1700 W. 
 
 
 
3.3 Cálculos 
 
 
Inicialmente foram calculadas as vazões mássica e volumétrica do ar, utilizou-se 
para isso as equações (4) e (5). 
Tem-se que: 
 
𝑚 × 1007 × (117,7 − 25 ) = 1700 
 
Desta forma tem-se que a vazão mássica é igual a: 
 
m = 0,01821 kg/s = 65,56 kg/h 
 
Com a vazão mássica e a densidade do ar têm-se a vazão volumétrica através da 
equação 5. 
 
𝑉 = 65,56 ÷ 1,10 
Desta forma tem-se: 
 
V = 59,60 m^3/h 
A segunda parte dos cálculos consiste em provar que de fato a perda da superfície do 
revestimento para o ambiente é desprezível. Para isso utiliza-se as equações (2) e (3), 
pois a transferência de calor neste sentido se da por meio da convecção e radiação. 
Assim tem-se que: 
 
𝑞 = ℎ × 𝐴 × (△ 𝑇) + ℇ × Ϭ × 𝐴 × ( 𝑇𝑠4 − 𝑇𝑣𝑖𝑧4) 
 
Assim: A= 3,14 x 0,1085 x 0,2535 = 0,0864 m^2 
 
q = 4 x 0,0864 x (26,8 – 24,4) + 0,8 x (5,67x10^-8) x 0,0864 x (299,8^4 – 297,4^4) 
 
q = 2,082 W 
 
Com os resultados obtidos pode-se ver que quando se compara a potência do secador de 
1700 W, com aquela obtida no calculo do calor perdido pelo ambiente que é 2,082 W, é 
de fato possível se desprezar a perda de calor para o ambiente. 
 
 
Resultados 
 
Vazão mássica 65,56 kg/h 
Vazão volumétrica 59,60 m^3/h 
perda de calor para o ambiente 2,082 W 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4. Conclusão 
 
 
Após a realização da prática e cálculos referentes a mesma, pôde-se ter uma melhor 
compreensão acerca de aquecedores de ar, viu-se a maneira como se pode calcular a 
vazão mássica e vazão volumétrica de ar necessárias para determinada diferença de 
temperatura. 
Foi possível também se utilizar das equações de transferência de calor por convecção e 
radiação, de modo a provar que de fato a perda de calor para o ambiente é 
completamente desprezível quando comparada com a potência do secador de cabelos.