EMEI08 - Material do Ensaio da 7a pratica

EMEI08 - Material do Ensaio da 7a pratica

Determinar a condutividade térmica, k, (constante de proporcionalidade) de um corpo de prova metálico

Manual de Instruções

HT11C

EDIÇÃO 4

Julho de 2011

Figura 1 Vista lateral do HT11C

Figura 2 Vista superior do HT11C

Figura 3 Vista frontal do HT10XC

Figura 4 Vista traseira do HT10XC

Exercícios de aprendizagem em laboratório

Exercício D: Determinação da condutividade térmica (Constante de Proporcionalidade)

Nomenclatura

Nome

Símbolo

Unidade SI

Diâmetro externo

D (ex. Dhot)

m

Área de transferência de calor

A (ex. Ahot)

m2

Espessura da parede (distância)

Ax (ex. Axini)

m

Tensão do elemento de aquecimento

V

V

Corrente do elemento de aquecimento

I

A

Potência do elemento de aquecimento

Q

W

Taxa de transferência de calor por unidade de tempo (fluxo de calor)

Q

W

Temperatura medida

Ti (ex. T1)

°C

Temperatura na interface quente

Tfacequente

°C

Temperatura na interface fria

Tfacefria

°C

Diferença de temperatura

Ti (ex. Tquente)

°C

Gradiente de temperatura

Grad (e.g. Gradquente)

W/m°C

Condutividade térmica

k (ex. kquente)

W/m°C

Coeficiente de transferência total de calor

U

Wm2°C

Resistência ao fluxo de calor

R

m2°C/W

Vazão de água de refrigeração (se o SFT2 estiver instalado)

Fw

l/min

Tempo

t

s

Subscritos

quente

seção de aquecimento

frio

seção de refrigeração

int

seção intermediária

red

seção com área reduzida de seção transversal

ins

isolador

facequente

junção entre a seção de aquecimento e a seção intermediária ou o isolador

facefria

junção entre a seção de refrigeração e a seção intermediária ou o isolador

a, b, i, j etc.

posições dos sensores de temperatura

Nota: a potência elétrica Q fornecida à seção aquecida pelo elemento de aquecimento é considerada como sendo a mesma que a taxa de transferência de calor por unidade de tempo Q ao longo da barra, isto é, não existe nenhuma perda de calor para as áreas circunvizinhas. Na prática, alguma perda de calor ocorrerá. Em baixa potência do aquecedor (temperatura baixa na parte superior da barra), a perda de calor será desprezível. À medida que a potência do aquecedor aumenta (maior temperatura na parte superior da barra), a perda térmica irá aumentar, resultando em maiores valores de condutividade calculada. Portanto, será necessário estimar a perda de calor e aplicar uma correção para obter valores precisos de condutividade ao operar em temperaturas mais altas.

Exercício D: Determinação da condutividade térmica (Constante de proporcionalidade)

Objetivo

Determinar a condutividade térmica k (constante de proporcionalidade) de um corpo de prova metálico (bom condutor)

Método

Medição da diferença de temperatura através de um corpo de prova metálico resultante de um fluxo de calor estacionário conhecido através do corpo de prova e utilizando a Equação da Taxa de Fourier para calcular a sua condutividade térmica.

Equipamentos necessários

Unidade de serviço de transferência de calor HT10XC

Acessório de condução linear de calor compatível com computador HT11C

(Ou Acessório de condução linear de calor HT11)

Equipamentos opcionais

PC executando WindowsTM 98, 2000 ou XP

(SFT2 Sensor de vazão em caso de utilização do HT11)

Preparação dos equipamentos

Antes de executar o exercício, certifique-se de que os equipamentos foram preparados como segue:

  • Posicione o acessório de condução linear de calor HT11C (1) com a Unidade de serviço de transferência de calor HT10XC (20) sobre uma bancada adequada.

  • Prenda a seção intermediária em aço inoxidável (sem nenhuma instrumentação) entre a seção aquecida e a seção refrigerada do HT11C com a aplicação leve de pasta térmica nas faces de contato (veja Aplicação de pasta térmica).

  • Tome cuidado para posicionar os ressaltos rasos nas seções antes da fixação.

ALUMÍNIO

  • Conecte os oito termopares no HT11C (3) nos soquetes apropriados na parte frontal da unidade de serviço (30). Verifique se as etiquetas nos fios dos termopares (T1-T8) correspondem às etiquetas nos soquetes.

Nota: as medições dos termopares T4 e T5 não serão utilizadas nesse exercício

  • Ajuste o potenciômetro VOLTAGE CONTROL (23) na posição mínima (sentido anti-horário) e o botão seletor em MANUAL. A seguir, conecte o fio de força do HT11C (4) no soquete marcado como OUTPUT 2 na parte traseira da unidade de serviço (33).

  • Conecte a válvula de controle de vazão de água fria (11) no soquete marcado como AUXILARY OUTPUT (34) na parte traseira do console da HT10XC.

  • Conecte o sensor de taxa de vazão de água fria (9) no soquete marcado como Fw (36) na parte frontal do console da HT10XC.

  • Ajuste o botão AUXILIARY CONTROL (26) na unidade de serviço na posição mínima (sentido anti-horário). A seguir, conecte o fio de força da válvula de controle de vazão de água fria (11) no soquete AUXILIARY POWER na parte traseira da unidade de serviço (Não pertinente em caso de utilização do HT11).

  • Verifique se uma alimentação de água fria está conectada à entrada da válvula reguladora de pressão no HT11C (13).

  • Verifique se o tubo de saída flexível de água de refrigeração está direcionado para um ralo de drenagem adequado.

  • Verifique se a unidade de serviço está conectada na alimentação elétrica.

  • Ligue a chave MAINS na unidade de serviço (21).

  • Em caso de utilização de um computador para registro de dados e/ou operação remoto(a), conecte o soquete USB da HT10XC (29) no computador utilizando o cabo USB fornecido e ajuste o botão seletor no console (22) para REMOTE. (Se um computador não vai ser utilizado, deixe o botão seletor em MANUAL).

Teoria/Fundamentos

As seções aquecida, intermediária e refrigerada são fixadas entre si de modo que as faces de extremidade ofereçam um bom contato térmico e crie uma barra composta com uma condutividade térmica desconhecida, "ensanduichada” entre duas seções de latão.

facequente

facefria

quente

int

int

frio

Da Lei de Fourier:

Q=

kintAint

Tint

onde tint =(Tfacequente – Tfacefria) and xint

xint

é o comprimento do corpo de prova intermediário (= 0,03 m) portanto

kint=

Qxint

Aint =(Tfacequente – Tfacefria)

Os termopares T3 e T6 se localizam a 7,5 mm das faces de extremidade comparado a uma distância de 15 mm entre os termopares adjacentes (metade da distância), portanto:

No caso da seção aquecida, a temperatura da face de extremidade (face quente) será menor que T3 e pode ser calculada como segue:

Tfacequente = T3-

(T2-T3)

2

No caso da seção refrigerada, a temperatura da face de extremidade (face fria) será maior que T6 e pode ser calculada como segue:

Tfacefria = T6+

(T6-T7)

2

Procedimento

(Consulte a seção Operação se precisar de detalhes sobre a instrumentação e como operá-la.)

Ligue a chave MAINS (21). (Se os visores no painel não acendem, verifique o RCD (35) na parte traseira da unidade de serviço (35). A chave deverá estar voltada para cima.)

Em caso de utilização de um computador, verifique se o software indica IFD OK no canto inferior direito da janela.

Ligue a água de refrigeração e ajuste a válvula de controle de vazão (e NÃO o regulador de pressão) para fornecer aproximadamente 1,5 litro/min. Em caso de utilização do software, a taxa de vazão deverá ser controlada utilizando-se a caixa de controle na janela do diagrama mímico do software. A taxa de vazão poderá ser monitorada na tela do software. (Se o software não é utilizado, use o botão seletor para exibir a taxa de vazão no visor do painel do console e controle o ajuste da válvula utilizando o botão AUXILIARY CONTROL. Em caso de utilização do HT11, a taxa de vazão de água fria será controlada utilizando-se a válvula de controle manual próxima à coluna da seção de teste).

Ajuste a tensão do aquecedor em 9 V:

  • Em caso de utilização do computador, informe a tensão na caixa de exibição do aquecedor ou utilize as setas da caixa de controle.

  • Em caso de utilização do console, ajuste o potenciômetro de controle da tensão para obter uma leitura de 9 V no visor do painel superior com o botão seletor colocado na posição V.

Deixe o HT11C estabilizar. Em caso de utilização de um computador, monitore as temperaturas na tela do diagrama mímico do software. (Em caso de operação manual do equipamento utilizando o console, use o botão seletor inferior no console para ajustar o visor do console para cada sensor de temperatura por vez).

Quando as temperaturas estiverem estabilizadas, registre: Quando as temperaturas estiverem estabilizadas, selecione o ícone no software para registrar: T1, T2, T3, T6, T7, T8, V, I, Fw.

(Em caso de operação do equipamento utilizando o console, esses valores deverão ser registrados manualmente. Fw não estará disponível em caso de utilização do HT11, exceto se o sensor de vazão opcional SFT2 estiver instalado).

Ajuste a tensão do aquecedor em 12 V.

Deixe o HT11C estabilizar e, a seguir, repita as medições acima.

Resultados e cálculos

Para esse exercício, os dados brutos são tabulados sob os títulos abaixo:

Tensão do aquecedor

V

V

Corrente do aquecedor

I

A

Temperatura alta da seção aquecida

T1

(°C)

Temperatura intermediária da seção aquecida

T2

(°C)

Temperatura baixa da seção aquecida

T3

(°C)

Temperatura alta da seção refrigerada

T6

(°C)

Temperatura intermediária da seção refrigerada

T7

(°C)

Temperatura baixa da seção refrigerada

T8

(°C)

Taxa de vazão da água de refrigeração

Fw

(l/min) Se o sensor SFT2 estiver instalado

Será preciso estimar também e registrar os erros experimentais dessas medições

Para esse exercício, as seguintes constantes se aplicam:

Comprimento do corpo de prova de alumínio

∆xint= 0,030

(m)

Diâmetro da barra

Dint = 0,025

(m)

Nota:

A distância entre cada termopar é de 0,015 m

A distância entre os termopares T3 ou T6 e a face de extremidade é de 0,0075 m

A condutividade das seções de latão é aproximadamente 121 W/m°C

Para cada conjunto de medições, os resultados derivados são tabulados sob os títulos a seguir:

Fluxo de calor (potência do aquecedor)

Q = V I

(Watts)

Área da seção transversal

(m2)

Temperatura da face quente do corpo de prova

Tfacequente = T3-

(T2-T3)

2

°C

Temperatura da face fria do corpo de prova

Tfacefria = T6+

(T6-T7)

2

°C

Diferença de temperatura através do corpo de prova

∆Tint= Tfacequente- Tfacefria

°C

Condutividade térmica do corpo de prova

kint =

Q∆xint

Aint (Tfacequente- Tfacefria)

(W/m°C)

Estime a influência cumulativa dos erros experimentais em seus valores calculados para Q, ∆int, Tfacequente, ∆Tint e kint e nos valores medidos para Dint e xint.

Compare os valores obtidos da Condutividade Térmica kint nos diferentes ajustes de fluxo de calor através do corpo de prova.

Elabore um gráfico de temperatura versus posição ao longo da barra e desenhe a melhor linha reta através dos pontos para as seções aquecida e refrigerada. Extrapole cada linha até a junção com a seção intermediária. A seguir, una esses dois pontos para obter o gradiente através da seção intermediária. Seu gráfico deverá ser similar ao diagrama abaixo:

quente

CRESCENTE

frio

ALUMÍNIO

Observe que o gradiente de temperatura diminui na seção de alumínio por causa da maior condutividade térmica do material (menor resistência ao fluxo de calor). Meça o gradiente de temperatura através da seção de alumínio a partir do gráfico e, a seguir, calcule a condutividade térmica utilizando o gradiente médio. Compare o valor obtido com aquele previamente calculado.

Seus resultados deverão fornecer valores aproximados de 180 W/m°C para a condutividade térmica do alumínio, supondo a inexistência de perdas de calor no equipamento. Como uma pequena quantidade de perda de calor é inevitável à medida que a temperatura da barra aumenta, o valor calculado da condutividade irá aumentar em temperaturas operacionais mais altas.

Nota: A condutividade térmica de um material alternativo pode ser determinada por meio da repetição do exercício utilizando uma amostra preparada do material necessário (consulte o trabalho de projeto no Exercício H).

Conclusões

Você demonstrou como a equação da taxa de Fourier pode ser utilizada para determinar a condutividade térmica de um material sólido se a diferença de temperatura e a taxa de fluxo de calor do material são conhecidas.

Comente o efeito da precisão de medição e da perda de calor do equipamento em seus resultados calculados e quaisquer diferenças entre os resultados de cada seção.

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