Transferencia De Calor E Massa Cengel.pdf: Fundamentos Clássicos e Práticas Modernas da Transferênci

Como já referido, o coeficiente de transferência de calor não é uma característica constante do fluido. Pelo contrário, depende, de uma forma complexa, não só das propriedades físicas do fluido (viscosidade, μ, massa volúmica, ρ, calor específico, cP, condutividade térmica, k) e da sua velocidade, u, mas também das dimensões da superfície por onde este se escoa, isto é, para o caso do escoamento no interior de uma conduta, h=f(μ, ρ, cP, k, u, D, L). A previsão teórica do valor de h, aplicando balanços de quantidade de movimento e térmico, só é possível ser efectuada para casos muitos simples. Por isso, h é determinado geralmente por via experimental. Contudo, a sua aplicabilidade é limitada ao sistema e condições estudadas.

Esse trabalho descreve um experimento simples e de fácil execução, destinado ao estudo da transferência de calor e massa por meio de uma aula prática. Tal estudo é realizado a partir da fusão de uma placa de gelo, ao ar ambiente, e com base na avaliação quantitativa do calor transferido por radiação, convecção e condensação de vapor d'água sobre a superfície dessa placa. Os valores teóricos, previstos a partir de equações relativas a esses processos de transferência de calor e massa, são comparados com dados experimentais relativos à taxa mássica de fusão dessa placa. A facilidade na execução dos ensaios e a simplicidade do equipamento empregado torna esse experimento uma atividade prática de fácil implementação em disciplinas que tratam da transferência de calor e massa. Além disso, a concordância entre valores teórico e experimental da taxa de transferência de calor e massa, e a metodologia empregada na análise e quantificação dessa taxa, viabilizam o experimento proposto como uma ferramenta pedagógica eficiente para o estudo desse tema.

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Nesse contexto, foi elaborado um experimento destinado ao estudo da transferência de calor e massa, no qual uma placa de gelo posicionada verticalmente sofre processo de fusão por exposição ao ar ambiente. A simplicidade do aparato empregado para a realização dos ensaios e a facilidade na obtenção dos dados experimentais relativos a taxa de transferência de calor e massa tornam o experimento descrito uma alternativa interessante para docentes que buscam incluir aulas práticas em disciplinas de Fenômenos de Transporte.

O estudo da transferência de calor é um dos temas mais importantes num curso de Engenharia, e a necessidade de avaliar, quantificar e controlar esse processo abrange a grande maioria dos sistemas e equipamentos. Admite-se que o calor é transferido de três modos (ou mecanismos) distintos, cuja caracterização é feita a partir de modelos baseados nas leis de Fourier, de resfriamento de Newton e de Stefan-Boltzmann; que tratam da condução, convecção e radiação, respectivamente. Cabe aqui ressaltar que, em sistemas físicos reais, os três mecanismos de transferência de calor estão presentes; e, consequentemente, o calor transferido é resultado da soma das contribuições correspondentes a cada um deles [6[6] A. Bejan, Transferência de Calor (Ed. Edgard Blucher, São Paulo, 1996), p. 570.]. Em algumas situações práticas, a predominância de um dos mecanismos permite desprezar a contribuição dos outros dois modos de transferência de calor; contudo, a adoção dessa hipótese deve ser feita de forma criteriosa, sob pena de se obter valores, a partir das correlações teóricas, que se afastam em demasia da situação real. O equacionamento a seguir é baseado em referências clássicas do conteúdo de fenômenos de transporte (transferência de calor, massa e momento) [6[6] A. Bejan, Transferência de Calor (Ed. Edgard Blucher, São Paulo, 1996), p. 570.[7] F. Kreith, Princípios da Transmissão de Calor (Ed. Edgard Blucher, São Paulo, 1973).[8] F.P. Incropera e D.P. de Witt, Transferência de Calor e Massa (Ed. LTC, Rio de Janeiro, 2008).[9] J.P. Holman, Transferência de Calor (Ed. Mc Graw-Hill, São Paulo, 1983).[10] R.B. Bird, W.E. Steward e E.N. Lightfoot, Fenômenos de Transporte (Ed. LTC, Rio de Janeiro, 2004).[11] J.R. Welty, C.E. Wicks and R.E. Wilson, Fundamentals of Momentum, heat and Mass Transfer (Ed. John Wiley & Sons Inc., New York, 1984).-12[12] Y.A. Çengel, Transferência de Calor e Massa: Uma Abordagem Prática (Ed. McGraw-Hill, São Paulo, 2009).].

sendo hm o coeficiente de transferência convectiva de massa. A similaridade entre as equações (1) e (8) resulta do fato de que há uma analogia entre os processos de transferência de calor e massa. O cálculo do coeficiente hm envolve o número de Sherwood (Nsh) e o número de Schmidt (Nsc), segundo as equações (9), (10) e (11):

O experimento proposto fundamenta-se na estimativa da taxa de transferência de calor convectivo, entre uma superfície sólida e o fluido circundante, a partir da massa de sólido que é derretida como consequência do calor absorvido na superfície e da massa de água transferida do ar circundante.

A transferência de calor entre o ar circundante e a superfície sólida resulta no derretimento do gelo. O produto da massa m de água assim produzida pelo calor latente de fusão do gelo,Lf, corresponde ao calor absorvido na superfície; sendo possível estimar a taxa de calor transferido dada pela equação (13):

O desvio entre os valores teórico e experimental da taxa de transferência de calor é de 7,12 %. Tal discrepância é significativamente pequena, considerando o grau de incerteza associado aos parâmetros utilizados para caracterizar o sistema físico real e o fato de que são empregadas equações empíricas no cálculo do coeficiente de película e do coeficiente convectivo de transferência de massa. Diante disso, admite-se que a metodologia utilizada, descrita pelo balanço térmico da equação (14), representa adequadamente o comportamento do sistema objeto de análise.

O emprego de atividades experimentais como estratégia de ensino tem sido apontado como uma das formas mais eficientes para mitigar as dificuldades presentes no processo de ensino-aprendizagem. Além disso, as possibilidades de uso dessa estratégia de ensino abrangem desde atividades voltadas para a mera verificação de leis e teorias, até a análise de situações que privilegiam a reflexão sobre a natureza dos fenômenos físicos e conceitos abordados em aula [16[16] D. Hodson, Enseñanza de Las Ciências 12, 299 (1994)., 17[17] R.F. White, Int J Sci Educ 18, 761 (1996).]. O experimento aqui descrito, cuja análise dos resultados requer uma reflexão mais ampla sobre o processo de transferência de calor - tendo em vista que exige a quantificação das parcelas correspondentes a três mecanismos distintos - não se limita à verificação experimental de uma lei expressa através de uma equação padronizada. A simplicidade dos ensaios, cuja execução é realizada sem quaisquer equipamentos sofisticados ou de custo elevado, e dispensa o emprego de instrumentos de medição, à exceção de uma proveta, não constitui entrave para sua utilização como ferramenta pedagógica no estudo da transferência de calor. Na realidade, o fato da atividade prática consistir essencialmente em medidas de massa, bem como a concordância dos resultados experimentais como o modelo proposto, possibilita uma investigação qualitativa e quantitativa mais profunda sobre os mecanismos envolvidos no comportamento térmico de um sistema real.

A simplicidade dos ensaios realizados e do equipamento empregado são aspectos relevantes do experimento ora descrito, que viabilizam sua implementação em disciplinas que tratam da transferência de calor e massa. Tais características podem ser particularmente interessantes no caso de instituições de ensino que enfrentam dificuldades financeiras e burocráticas na aquisição de equipamentos destinados a aulas experimentais em seus cursos de graduação.

Além disso, a análise desenvolvida na elaboração do balanço térmico formulado para esse sistema possibilita ao aluno constatar a ocorrência de três mecanismos simultâneos de transferência de calor e massa, sendo todos eles relevantes no processo global de absorção de calor por uma placa de gelo. Finalmente, cabe destacar que o experimento ora descrito, embora simples e de fácil execução, envolve o estudo quantitativo de vários processos físicos vinculados a transferência de calor e massa, levando o aluno a se familiarizar com os valores numéricos desses parâmetros e com o emprego das equações associados a esses processos, a partir de um trabalho prático e realizado em grupo.

Os autores concluem que esse trabalho, pelo fato de apresentar um experimento didático simples, de fácil execução, cujos resultados experimentais são satisfatórios e cuja implementação em disciplinas de graduação não requer maiores esforços, pode contribuir para o ensino da transferência de calor e massa em cursos de graduação e ser utilizado como fonte de consulta para a elaboração de experimentos similares. 2ff7e9595c