UNIVERSIDADE COMUNITÁRIA DA REGIÃO DE CHAPECÓ - UNOCHAPECÓ

RESUMO – EXPERIMENTO TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR

CONVECÇÃO NATURAL

CRISTIANO DRUZIAN

LEANDRO PAULO VIAL

CHAPECÓ

2015

UNIVERSIDADE COMUNITÁRIA DA REGIÃO DE CHAPECÓ - UNOCHAPECÓ

RESUMO – EXPERIMENTO TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR

CONVECÇÃO NATURAL

Por

Cristiano Druzian

Leandro Paulo Vial

Curso de Engenharia Mecânica

7º Período

Componente Curricular de Laboratório em

Ciências Térmicas

Professora Micheli Zanetti

Chapecó - SC, 15 de Março de 2015

Sumário

1.Transferência de calor .................................................................................. 3

1.1. Meios de Transferência de Calor ............................................................. 3

1.1.1. Transferência de Calor por Condução ........................................... 3

1.1.2. Tranferência de Calor por Convecção ........................................... 3

1.1.3. Transferência de Calor por Radiação ............................................ 4

2. Transferência de Calor por Convecção Natural ........................................ 4

2.1. Fundamentos da Convecção ................................................................... 4

2.1.1. Lei Básica para Convecção ............................................................ 4

2..1.2. Determinação do Coeficiente de Película (h) ............................... 5

Referências Bibliográficas .............................................................................. 9

Resumo Sobre

Transferência de Calor por Convecção Natural

Uniforme

1.Transferência de calor

A transferência de calor ou calor é uma energia que está em movimento

devido a uma diferença de temperatura. Sempre que tivermos diferenças de

temperaturas entre um corpo e um meio ocorrerá transferência de calor, até que

os dois entrem em equilíbrio térmico.

A transferência de calor pode ocorrer de diversas formas ou meios, os

quais serão apresentados a seguir.

1.1. Meios de Transferência de Calor

1.1.1. Transferência de Calor por Condução

Está transferência ocorre em um meio estacionário, que pode ser um

sólido ou um fluido, em virtude de uma diferença de temperatura entre os dois.

1.1.2. Tranferência de Calor por Convecção

Este meio de transferência ocorre entre uma superficíe e um fluido em

movimento devido à uma diferença de temperatura entre eles.

1.1.3. Transferência de Calor por Radiação

Este meio de transferência de calor ocorre através de ondas

eletromagnéticas emitidas por superfícies que apresentam uma diferença de

temperatura.

Entre esses meios de transferências de calor, existe as formas ao quais

podem ocorre, sendo elas natural ou forçada. Neste trabalho abordaremos

apenas a convecção de forma natural, expondo as equações e deduções para a

mesma.

2. Transferência de Calor por Convecção Natural

A convecção natural pode ser definida como o processo natural, onde a

energia é transferida das porções quentes para as porções frias de um fluido.

2.1. Fundamentos da Convecção

2.1.1. Lei Básica para Convecção

O calor transferido por convecção, na unidade de tempo, entre uma

superfície e um fluido pode ser calculado através da relação proposta por Isaac

Newton.

𝑄 = ℎ ∗ 𝐴 ∗ 𝛥𝑇

Onde:

Q = Fluxo de calor transferido por convecção;

A = Área de transferência de calor;

ΔT = Diferença de temperatura entre a superfície e o fluido;

h = Coeficiente de transferência de calor por convecção ou coeficiente de

película;

2..1.2. Determinação do Coeficiente de Película (h)

O coeficiente de película é uma função complexa de uma série de variáveis

relacionadas com as seguintes características:

Dimensão Característica, como altura de uma placa ou diâmetro de um

cilindro etc.(D);

Propriedades físicas do fluido:

µ = viscosidade;

ρ = Densidade do fluido;

K = condutividade térmica do fluido;

Cp = Calor especifico;

Cv = Coeficiente de expansão volumétrica;

𝛼 = Difusividade térmica;

Estado do movimento do fluido

V = Velocidade do fluido;

g = Aceleração da gravidade;

ΔT = Diferença de temperatura entre a superfície e o fluido;

Logo notamos que à obtençaõ de “h” é muito complexa, pois o memso

depende de variáveis. Para facilitar a obtenção do coeficiente de película, vários

métodos foram desenvolvidos através de equações empíricas para cada caso

em particular. Para a convecção forçada um dos métodos mais aplicado para se

obter o coeficiente convectivo natural (h) é através das correlações empíricas

através do cálculo do número adimensional de Nusselt, sendo:

Número de Nusselt correlacionado com o número de Grashof:

𝑁𝑈𝑚 = 𝛷(𝐺𝑟 , 𝑃𝑟)

Onde,

𝐺𝑟 = 𝐷3∗ 𝐶𝑣∗ 𝑔 ∗ ∆𝑇

µ2

𝑁𝑢 = ℎ∗𝐷

𝐾 𝑃𝑟 =

𝐶𝑝 ∗ µ

𝐾 𝑅𝑒 =

𝐷∗𝑉∗ 𝜌

µ

Sendo:

Nu = Número de Nusselt;

Num = Número de Nusselt médio;

Re = Número de Reynolds;

Ra = Número Rayleigh;

Pr = Número de Prandt;

Gr = Número de Grashof;

Podemos também correlacionar o número de Nusselt com o número de

Churchill & Chu, para obtermos o coeficiente de transferência convectivo, para

todas as condições, onde:

𝑁𝑢𝑚 = {0,825 + 0,387∗ 𝑅𝑎𝐿

1/6

[1+(0,492

𝑃𝑟)9/16

]4/9}

2

Para apenas a convecção natural o número de Nusselt correlacionado

com o número de Churchill & Chu se torna:

𝑅𝑎𝐷 ≤ 1012

𝑁𝑈𝑚 =

{

0,60 0,387 ∗ 𝑅𝑎𝐷1/6

[1 + (0,559

𝑃𝑟)9/16

]8/27

}

Onde:

𝑅𝑎𝐷 = 𝐺𝑟𝐷 ∗ 𝑃𝑟 = 𝑔 ∗ 𝐶𝑉 ∗ (𝑇𝑆 − 𝑇∾) ∗ 𝐷

3

𝑣 ∗ 𝛼

De acordo com DELAI et. Al (2010) o estudo sobre convecção natural é

concentrado em intensificar a recirculação dos fluídos, atrelado ao número de

Rayleigh, verificados por isolinhas (velocidade e temperatura) e pelo número de

Nusselt médio nas superfícies onde se encontram isotermicamente ativas, assim

caracterizando o escoamento e a transferência de calor através das redes de

poros.

No experimento realizado o objetivo principal é determinar o coeficiente

convectivo natural médio da transferência de calor entre barras de diferentes

materiais e o ambiente, comparando o teórico com o experimental, onde os

mesmos são dados por:

ℎ𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 = 𝑁𝑢𝑚 ∗ 𝐾

𝐷

ℎ𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 = 𝑚² ∗ 𝐾 ∗ 𝐷

4

Partindo deste princípio realizaremos um relatório, observando o

coeficiente convectivo natural de transferência de calor em três barra de

diferentes materiais.

Referências Bibliográficas

Çengel, Y. A, Ghajar. A. J. “Transferência de Calor e

Massa Uma Abordagem Pratica”, Mc Graw Hill, 4° Edição,

2012.

INCROPERA, F. P, DEWITT, D. P. “Fundamentos de

transferência de calor e de massa”, Rio de Janeiro: LTC, 4.

ed. 1998.