Análises de problemas de transferência de calor

1. INTRODUÇÃO

Em análises de problemas de transferência de calor são necessários o uso de várias propriedades da matéria. Essas propriedades são geralmente conhecidas por propriedades termofísicas e incluem duas categorias distintas: as propriedades de transporte e as propriedades termodinâmicas. As propriedades de transporte incluem os coeficientes das taxas de difusão, como k, a condutividade térmica, e ʋ, a viscosidade cinemática. As propriedades termodinâmicas, por outro lado, dizem respeito ao estado de equilíbrio do sistema. A densidade (ρ) e o calor específico (cp) são duas propriedades muito usadas na análise termodinâmica. O produto ρcp (J/(m3*K)), comumente chamado de capacidade calorífica volumétrica, mede a capacidade de um material de armazenar energia térmica. Uma vez que substâncias que possuem densidade elevada são tipicamente caracterizadas por calores específicos com valores pequenos, muitos sólidos e líquidos, que são considerados bons meios para o armazenamento de energia, possuem capacidades caloríficas comparáveis (ρcp > 1MJ/(m3*K)). Entretanto, devido às suas densidades muito baixas, os gases são pouco adequados para o armazenamento de energia térmica (ρcp ≈ 1kJ/(m3*K)).

Em análises da transferência de calor, a razão entre a condutividade térmica e a capacidade calorífica volumétrica é uma importante propriedade chamada difusividade térmica α (Equação 1), que possui como unidades de m2/s:

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Equação 1 – Difusividade Térmica

Ela mede a capacidade do material de conduzir energia térmica em relação à sua capacidade de armazená-la. Materiais com elevados α responderão rapidamente a mudanças nas condições térmicas a eles impostas, enquanto materiais com reduzidos α responderão mais lentamente, levando mais tempo para atingir uma nova condição de equilíbrio. Trata-se de uma grandeza física de fundamental importância para o dimensionamento de equipamentos e para o cálculo correto de operações unitárias como resfriamento, congelamento, pasteurização, concentração em evaporadores, secagem, dentre outras que envolvam trocas de calor. A difusividade térmica de um material depende da umidade, da composição e da porosidade da amostra analisada. Como a temperatura e a umidade de um determinado produto frequentemente variam durante o processamento, a difusividade térmica também sofre variações.

A precisão dos cálculos de engenharia depende da exatidão com que são conhecidos os valores das propriedades termofísicas. A seleção de dados confiáveis para as propriedades é uma parte importante em qualquer análise criteriosa em engenharia. O uso ocasional de dados que não foram bem caracterizados ou avaliados, como pode ser encontrado em algumas literaturas, deve ser evitado.

A aula prática de “Difusividade térmica de um material alimentar semi-sólido” ter como objetivo mediar a determinação da variação da difusividade térmica de um fluído alimentício, em função do teor de sólidos totais e da temperatura.

1. OBJETIVOS

• Determinar a difusividade térmica de um fluido alimentício;
• E avaliar o efeito da temperatura e do teor de sólidos totais sobre a variação da difusividade térmica do material estudado.

1. MATERIAIS E METODOLOGIA

1.  Materiais e Equipamentos

• Água destilada;
• Aquecedor de água;
• Agitador;
• Termopares;
• Aparato de Dickerson, que consiste em um cilindro oco de metal em que se fixa um termopar na superfície externa e outro termopar exatamente no centro da parte interna do cilindro (Figura 1);
• Balde;
• Fluído alimentício (molho de tomate);
• Cronômetro.

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Figura 1 – Esquema de montagem do experimento

Fonte:

Acesso em 30/10/2015

1. Procedimento experimental

Inicialmente completou-se o balde com a água. Após isso, realizou-se a montagem do aparato de Dickerson, sendo que antes o cilindro foi preenchido com o fluido (molho de tomate) e, então, o termopar foi fixado no centro da parte interna do cilindro. O aparato foi colocado dentro do balde com a água e para que ele ficasse suspenso e não tocasse o fundo utilizou-se um pedaço de isopor para fazê-lo flutuar. Esperou-se um tempo para que atingisse o equilíbrio entre a água e o aparato.  Anotou-se os valores de temperaturas externa (Ts) e interna (Tc) inicias e então ligou-se o agitador e o aquecedor, registrando os valores dessas temperaturas a cada 3 minutos.

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