EXPERIMENTO TUNEL DE VENTO

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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ 
CAMPUS LONDRINA 
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
LABORATÓRIO TECNOLÓGICO DE ENGENHARIA QUÍMICA I 
 
 
 
 
 
 
JOÃO ORTIZ 
MATHEUS BONIFACIO 
VITOR BARBIERI 
YARA APARECIDA 
 
 
 
 
 
 
CONVECÇÃO FORÇADA EM ESCOAMENTO CRUZADO: DETERMINAR 
EXPERIMENTALMENTE O COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR 
CONVECÇÃO (H) EM UM ESCOAMENTO CRUZADO DE AR SOBRE UMA 
SUPERFÍCIE SÓLIDA AQUECIDA. 
 
 
 
 
 
 
 
LONDRINA 
MARÇO, 2021 
 
JOÃO ORTIZ 
MATHEUS BONIFACIO 
VITOR BARBIERI 
YARA APARECIDA 
 
 
 
 
 
 
CONVECÇÃO FORÇADA EM ESCOAMENTO CRUZADO: DETERMINAR 
EXPERIMENTALMENTE O COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR 
CONVECÇÃO (H) EM UM ESCOAMENTO CRUZADO DE AR SOBRE UMA 
SUPERFÍCIE SÓLIDA AQUECIDA. 
 
 
Relatório elaborado na disciplina de Laboratório 
Tecnológico de Engenharia Química do curso de 
Engenharia Química, ofertada pelo Departamento 
Acadêmico de Engenharia Química, do Campus 
Londrina da Universidade Tecnológica Federal do 
Paraná. 
 
Professoras: Larissa Maria Fernandes 
 Sidmara Bedin 
 
 
 
LONDRINA 
MARÇO, 2021 
 
 
RESUMO 
 A convecção é definida como a transferência de energia entre uma superfície 
sólida e um fluido em movimento. Quando se utiliza um túnel de vento, executa-se 
uma convecção forçada, que utiliza uma fonte externa para movimentar o fluido, no 
caso deste experimento foi utilizado um ventilador. Sendo assim, o presente 
experimento teve como principal objetivo obter os coeficientes convectivos para 
diferentes velocidades e compará-los com valores teóricos. A partir desses cálculos 
foi possível observar uma grande diferença entre os valores experimentais e teóricos 
que pode ser justificada por erros de calibração ou considerações que não deveriam 
ser feitas. Conclui-se então, que o experimento não foi totalmente eficiente para o 
cálculo dos coeficientes convectivos. 
Palavras chave: Convecção; fluido; coeficientes convectivos. 
 
 
 
SUMÁRIO 
1 Introdução 1 
2 Resultados e Discussões 3 
3 Conclusões 8 
REFERÊNCIAS 9 
 
 
 
1 INTRODUÇÃO 
 Incropera (1990), define convecção como a transferência de energia entre uma 
superfície sólida e um fluido em movimento, este entendimento é análogo para a 
transferência de massa por convecção. A transferência de energia (calor) se dá 
através de dois mecanismos, sendo aquele proporcionado pelo movimento global das 
partículas do fluído chamado advecção e o outro causado pela agitação aleatória das 
moléculas do fluido que recebe o nome de condução, este segundo caso é conhecido 
como difusão quando se trata de transferência de massa. 
 O regime de escoamento do fluído, calculado a partir do número de Reynolds, é 
de grande interesse para os estudos de transferência de calor por convecção visto 
que, o fato do escoamento ser turbulento ou laminar e também se é possível 
considerar que ele é completamente desenvolvido ou não, tem grande impacto na 
formação das camadas limites de velocidade e térmica e consequentemente no 
fenômeno de transferência de calor. 
 Um dos conceitos mais importantes para o entendimento da transferência de 
calor por convecção é o de camadas limites. A camada limite de velocidade ocorre 
devido ao atrito entre a superfície e o fluido em movimento, a força de atrito é 
transmitida entre as camadas do fluido gerando assim um gradiente de velocidade no 
escoamento nas proximidades da superfície. Existe um valor δ de espessura em que 
a atuação destas forças é desprezível e pode-se considerar que a partir desse ponto 
a velocidade do fluido não é mais afetada pelo atrito com a superfície. (INCROPERA, 
1990) 
 A camada limite térmica pode ser entendida de forma análoga, sendo que a 
diferença de temperatura entre o fluído e a superfície é que geram um gradiente. As 
duas camadas dependem de características como viscosidade do fluido, velocidade 
do escoamento, condutividade térmica do fluido, geometria do escoamento e também 
características da superfície em questão. O estudo das camadas e destas 
características levam ao entendimento dos fenômenos de transferência de calor. 
 A partir destes estudos foram elaborados números adimensionais que possuem 
significados físicos e são capazes de descrever algumas propriedades, tanto do 
 
 
 
escoamento como do fluido em si. Visto que a solução analítica das equações das 
camadas limites são limitadas a situações muito simplificadas, surgiram também 
equacionamentos gerados de forma empírica capazes de estimar o coeficiente 
convectivo de transferência de calor para inúmeras situações, tanto de escoamento 
externo como escoamento interno. Cada uma das equações tem suas condições e 
restrições de uso devido a diferentes geometrias, fluidos, escoamento entre outros, 
sendo necessário uma análise para se escolher as equações adequadas para cada 
situação. 
 Dentre as equações empíricas para escoamento externo, pode-se citar três que 
foram criados para situações de escoamento cruzado sobre um cilindro sendo 
respectivamente as correlações de Hilbert, Zhukauskas e Churchill & Bernstein 
(INCROPERA, 1990). 
 
 𝑁𝑢𝑑 = 𝐶. 𝑅𝑒𝑑
𝑚. 𝑃𝑟1/3 (1) 
 
 
𝑁𝑢𝑑 = 𝐶. 𝑅𝑒𝑑
𝑚. 𝑃𝑟𝑛.
𝑃𝑟
𝑃𝑟𝑠
0,25
 
(2) 
 
 
𝑁𝑢𝑑 = 0,3 +
0,62𝑅𝑒𝑑
1/2
. 𝑃𝑟1/3
[1 +
0,4
Pr
]2/3]1/4
. [1 + (
𝑅𝑒𝑑
282000
)5/8]4/5 
(3) 
 
 Sendo 𝑁𝑢𝑑 o número de Nusselt para os casos de cilindro, 𝑅𝑒𝑑 o número de 
Reynolds para cilindros, 𝑃𝑟 o número de Prandtl, C, m e n constantes tabeladas para 
cada situação (INCROPERA, 1990). 
 Sendo assim, o objetivo do estudo é calcular os coeficientes convectivos da 
situação em questão, utilizando os dados experimentais e então comparar com os 
resultados obtidos através das correlações apresentadas anteriormente. 
 
Quais são as diferentes formas de transferência de calor? 
 As três formas de se transferir calor são: convecção, radiação e condução. 
 
 
 
O que é convecção livre e convecção forçada? 
 A convecção forçada ocorre quando o movimento do fluido no processo é gerado 
a partir de uma fonte externa, de forma mecânica. Já na convecção livre a convecção 
ocorre de forma natural sem o uso de fontes externas. 
O que é camada limite? 
 A camada limite é a camada que sente os efeitos difusivos e a dissipação da 
energia mecânica, possuindo assim, uma variação de velocidade muito abrupta. Esse 
conceito é utilizado para descrever a região de contato entre um líquido 
incompressível e uma superfície sólida. 
Quais dispositivos mecânicos podem ser utilizados para realizar convecção 
forçada do ar? 
 Podem ser utilizados dispositivos como: Bombas, ventiladores, dispositivos de 
sucção, entre outros. 
Identifique os potenciais riscos que o equipamento oferece, e quais medidas 
devem ser adotadas em tais situações. 
 Como este é um equipamento elétrico há riscos de curto circuito e também de 
superaquecimento fazendo com que o equipamento possa pegar fogo. Nesse caso é 
necessário utilizar o extintor de CO2, utilizado para equipamentos elétricos. Além 
disso, é necessário tomar cuidado ao tocar no equipamento, pois ele possui uma 
hélice, que é cortante e um gerador de calor, que pode causar queimaduras. Nesses 
casos é necessário tomar medidas de pronto socorro em feridas leves, porém, em 
casos mais graves necessita-se ir a um pronto atendimento. 
 
2 RESULTADOS E DISCUSSÕES 
 Com base nos dados fornecidos foi possível avaliar os coeficientes convectivos, 
o erro do multímetro foi considerado como ± 0,5 °C, os dados encontram-se 
disponíveis na tabela 1: 
 
 
 
Tabela 1 – Coeficientes Convectivos experimentais 
Medida H (W/ (m2.K)) 
1 52,897 
2 76,328 
3 105,586 
 
 De modo a comparar com os dados experimentais foram utilizadas as 
correlações de Hilbert, Zhukauskas e Churchill & Bernstein, as propriedades foram 
avaliadas na Tf, a seguir encontram-se descritos os coeficientesconvectivos 
calculados a partir das correlações: 
Tabela 2 – Coeficientes convectivos teóricos. 
Medida Hilbert (W/ (m2.K)) Zhukauskas (W/ 
(m2.K)) 
Churchill & 
Bernstein (W/ 
(m2.K)) 
1 10,95011 11,05325 12,17737 
2 19,75775 24,52327 24,22775 
3 24,15968 32,53931 31,0985 
 
A partir dos dados apresentados os coeficientes teóricos apresentaram uma 
grande divergência dos calculados experimentalmente porém entre as correlações 
 
 
 
não foi apresentada uma grande divergência. As possíveis causas de divergência 
entre os resultados podem ser resultado de uma má calibração dos equipamentos, 
uma desconsideração das resistências de radiação e condução medidas pelo cilindro, 
a desconsideração da área das extremidades e o calor dissipado por tais. A seguir é 
apresentado a potência calculada a partir dos coeficientes convectivos teóricos: 
Tabela 3 – Potências teóricas. 
Medida Potência Hilpert 
(W) 
Potência 
Zhukauskas (W) 
Potência Churchill 
& Bernstein (W) 
1 38,71068454 39,07529854 43,04929417 
2 48,4049933 60,08013911 59,35614627 
3 42,78816722 57,62896954 55,07722283 
 
Pode-se observar que as potências calculadas são diferentes da potência de 
187 W fornecida, este pode ser um dos fatores determinantes para a divergência entre 
os coeficientes convectivos, a potência fornecida não é de fato a potência dissipada. 
 O processo de secagem é uma das técnicas mais antigas documentadas na 
literatura para reduzir a atividade de água do alimento, responsável pela sua alta 
perecibilidade. Dentre elas, pode-se citar os processos de secagem por convecção 
natural (feita geralmente em estufas) e convecção forçada (em diferentes tipos de 
secadores), aplicados a uma grande variedade de frutas e vegetais (KARATHANOS, 
1999; NICOLETI, 2001). 
 Os parâmetros de controle podem variar de acordo com o processo, mas em 
geral a temperatura, tempo de secagem e a dimensão do alimento (área de contato) 
são influentes em qualquer processo de secagem, pois exercem efeitos sobre a taxa 
de secagem, teor de umidade final e encolhimento do produto, características estas 
 
 
 
relacionadas com a preservação e qualidade do alimento, (NICOLETI, 2001; 
PAWLAK, 2001). 
 Na secagem por convecção forçada, uma variável importante a controlar é a 
velocidade do ar de secagem, relacionada com a taxa de secagem (Park, 2001). 
Verificou-se, que altas taxas de secagem são alcançadas quando se eleva a 
temperatura e velocidade do ar. No caso de secagem de alimentos, usa-se geralmente 
convecção forçada visando evitar o superaquecimento localizado. 
 Para um bom funcionamento de produtos eletrônicos não pode ocorrer um 
superaquecimento local em seus circuitos, quando isso acontece, tem-se uma menor 
eficiência na passagem de corrente elétrica. Um método muito utilizado é a instalação 
de um ventilador, chamado cooler, para realizar convecção forçada de ar, onde ocorre 
uma passagem muito rápida de ar em temperatura menor que a do circuito, realizando 
assim uma transferência de calor melhorando a eficiência do sistema. Outra 
alternativa para resfriamento de circuitos, ao contrário dos coolers comuns que 
utilizam ar para resfriar as peças, o Walter Cooler usa um sistema de bombeamento 
de água para dissipar o calor. Água destilada passa por um tubo e chega em um bloco 
de metal, onde ocorre troca de calor. Uma bomba garante que o fluido fique em 
movimento e um radiador é responsável por resfriar o líquido. Esse sistema garante a 
convecção forçada utilizando água que possui um maior coeficiente convectivo que o 
ar, esse método é ainda melhor pois possui maior eficiência em relação ao processo 
do ar. 
 Podem ter ocorrido erros na leitura da corrente de 1 ampere, pois a posição para 
aferição não foi a adequada, imprecisão dos valores recolhidos do anemômetro é um 
fator a se considerar, assim como a perda de carga do vento entre o ventilador e o 
cilindro. Diante disso, é fundamental que todas as leituras fossem feitas de forma 
automática em um único painel e que não precisasse de equipamentos auxiliares de 
pôr e tirar do módulo. 
 Para a sugestão é importante calcular a área superficial do cilindro que é dada 
pela equação 4 e 5: 
 
 
 
Área Superficial = Área Transversal + Área Radial (4) 
Área Superficial = π . D . L + 2 . π . r2 (5) 
 Substituindo valores na equação 5, obtém-se: 
Área Superficial = 3,14 . 0,07 . 0,21 + 2. 3,14 . (0,035)2 
 Assim, a Área Superficial é igual a 5,38. 102 m, já a área radial apresenta 14,28% 
da área superficial, então, uma melhor sugestão para a potência dissipada seria 14,28. 
 
 
 
3 CONCLUSÕES 
 A partir dos resultados apresentados foi possível observar que o experimento 
não foi eficiente em calcular os coeficientes convectivos, foram observados vários 
erros experimentais e desconsiderações que não poderiam ser realizadas, isso 
resultou em um erro muito grande. Uma sugestão de melhoria para o experimento 
seria melhorar as considerações e aferir com maior precisão os equipamentos desta 
forma poderia resultar em um valor mais aproximado do teórico.
 
 
REFERÊNCIAS 
INCROPERA, F.P.; DEWITT, D.P. Fundamentos de Transferência de Calor e de 
Massa, 3a edição, LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S. A., R. J. 1990. 
KARATHANOS, V. T. Determination of water content of dried fruits by drying kinetics. 
Journal of Food Engineering, v. 39, n. 4, p. 337 344, 1999. 
PARK, K. J.; YADO, M. K. M.; BROD, F. P. R. Estudo de secagem de pêra bartlett 
(Pyrus sp.) em fatias. Ciência e Tecnologia de Alimentos, v. 21, n. 3, p. 288-292, 
2001. 
NICOLETI, J. F; TELIS-ROMERO, R.; TELIS, V. R. N. Air-drying of fresh and 
osmotically pre-treated pinapple slices: fixed air temperature versus fixed slices 
temperature drying kinetcs. Drying Technology, v. 19, n. 9, p. 2175-2191, 2001.