Faculdade de Engenharia - Instituto de Engenharia Química- Dpto. Operações Unitárias
ID.
Faculdade de Engenharia
Universidade da República
Instituto de Engenharia Química
Faculdade de Engenharia
FERROCO S.A.
TEMPOS DE CONSERVAÇÃO EM CAIXAS TÉRMICAS
FACULDADE DE ENGENHARIA
INSTITUTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
DEPARTAMENTO DE OPERAÇÕES UNITÁRIAS
MSc. Eng. Jorge Martínez Garreiro
MSc. Eng. Berta Zecchi
Outubro de 2008
Ferroco S.A. Tempo de conservação em caixas térmicas
1/9
Faculdade de Engenharia - Instituto de Engenharia Química- Dpto. Operações Unitárias
COMPARAÇÃO DA CAPACIDADE DE CONSERVAÇÃO ENTRE
CAIXAS TÉRMICAS
1.0 Introdução
Conforme o combinado com a empresa Ferroco S.A., foram determinadas as
capacidades de conservação entre duas caixas térmicas fornecidas pela companhia, uma
da firma Ferroco S.A., marca Covey de 22 litros, e outra de outro fabricante
identificada como C2.
A caixa térmica da Covey possui isolamento de poliuretano expandido, ao passo que a
C2 tem isolamento de poliestireno expandido (isopor).
Para comparar ambas as caixas, determina-se a resistência à transferência térmica de cada
uma.
2.0 Modelo
Aplica-se o modelo desenvolvido para perdas de calor em tanques. Como caso específico,
toma-se um tanque sem pés. Neste caso particular, o sistema é de um tanque que ganha calor
do ambiente.
Como equação geral se estabelece:
Q=(UsAS +Ut At +UbAb)(Tout —Tin )
[1]
Sendo Q o calor ganho do ambiente, T a temperatura,
U o coeficiente global de transferência de calor, A a
área de transferência e os subíndices (s) a parede
lateral, (t) a tampa, (b) a base, (out) o exterior e (in) o
interior.
Ferroco S.A. Tempo de conservação em caixas térmicas
1/9
Faculdade de Engenharia - Instituto de Engenharia Química- Dpto. Operações Unitárias
Em princípio, toda a massa de água + gelo estará em contato com a base e com a parede lateral. Por outro
lado, no ensaio procura-se encher o recipiente quase completamente e de tal forma que a soma da área da
base e da parede lateral seja a mesma para ambas as caixas. Nestas condições é possível desprezar a
contribuição da tampa à perda de energia. Também se define um coeficiente global equivalente de
transferência de calor, aplicável à soma da área lateral mais a área da base. Desta forma, a equação [1]
poderia ser reescrita assim:
Q = (As +Ab).Ueq.(Tout —Tin )
Por sua vez, no interior da caixa há uma massa de gelo + água que estabelece um equilíbrio
termodinâmico; nestas condições, o calor ganho do ambiente será utilizado para fundir o gelo dentro da
caixa. Portanto, aqui o sistema se encontra estacionário e o equilíbrio térmico é:
Q = dMgelo ΔH fusão
dt
sendo dMgelo a variação da massa de gelo no tempo e ΔH fusão o calor de fusão do gelo.
dt
Portanto, a partir da variação da massa de gelo no tempo se determina o calor ganho do ambiente, com as
medidas das áreas de transferência e as temperaturas externa (ambiente) e interna (mistura água-gelo) se
calcula o coeficiente global equivalente de transferência de calor. O inverso do coeficiente global
equivalente de transferência de calor é uma medida da resistência à transferência de calor que é
característica dos materiais da parede.
3.0 Método experimental
Os ensaios foram realizados em condições de temperatura ambiente e interior constantes das caixas
de modo que o sistema se encontra em estado estacionário. Para obter estas condições de
temperatura constante, os ensaios foram realizados colocando as caixas dentro de uma incubadora
com a temperatura controlada a 25°C.
Para obter condições constantes dentro das caixas, colocou-se em cada uma delas uma massa
suficiente de gelo + água; a temperatura foi registrada continuamente e se manteve constante
variando entre 0 e 1°C.
As caixas foram carregadas com a mistura gelo + água a fim de obter nas duas a mesma área de
transferência, que inclui a área lateral e o fundo. Para calcular o calor ganho do ambiente, determina-se a
variação do peso do gelo fundido no tempo e, para isso, registra-se o peso do gelo a intervalos de tempo
preestabelecidos, verificando e anotando em cada pesagem a temperatura interior da caixa e a temperatura
ambiente.
Por outro lado, foram tomadas as medidas de cada caixa e calculadas as áreas interna e externa de ambas.
4.0 Resultados
Foram realizadas 5 corridas analíticas; os dados das corridas são informados por meio de gráficos e
para cada corrida se representa a variação da massa de gelo fundida no tempo (Mo-M(t)). Os pontos
nos gráficos correspondem aos dados experimentais e a linha contínua é a reta de melhor ajuste. A
inclinação da reta de ajuste corresponde à variação da massa de gelo no tempo de cada corrida.
Ferroco S.A. Tempo de conservação em caixas térmicas
1/9
Faculdade de Engenharia - Instituto de Engenharia Química- Dpto. Operações Unitárias
4.1 Corrida 1
As condições de temperatura externa e interna média desta corrida foram: T out = 24.0°C, Tin = 1.1°C, Tin
vermelha = 1.0°C
GRÁFICOS 1, 2, 3, 4 y 5:
Español
Português
tiempo
tempo
4.2 Corrida 2
As condições de temperatura externa e interna média desta corrida foram: T out = 24.0°C, Tin azul = 1.0°C,
Tin vermelha = 1.0°C
GRÁFICO 2
4.3 Corrida 3
As condições de temperatura externa e interna média desta corrida foram: T out = 23.8°C, Tin = 1.0°C, Tin
vermelha = 0.5°C
GRÁFICO 3
4.4 Corrida 4
As condições de temperatura externa e interna média desta corrida foram: Tout = 23.7°C, Tin azul = 0.7°C,
Tin vermelha = 0.6°C
GRÁFICO 4
4.5 Corrida 5
As condições de temperatura externa e interna média desta corrida foram: T out = 24.2°C, Tin azul = 0.8°C,
Tin vermelha = 0.6°C
GRÁFICO 5
5.0 Discussão de resultados
A partir das medidas tomadas das caixas foram determinadas as áreas laterais, da base e tampa tanto
externas como internas informadas na tabela I.
Tabela I – Áreas das caixas
Áreas (m2)
internas
externas
0.3486
0.4412
Conservadora Covey
Lateral + base
Ferroco S.A. Tempo de conservação em caixas térmicas
1/9
Faculdade de Engenharia - Instituto de Engenharia Química- Dpto. Operações Unitárias
tampa
0.1128
0.2143
lateral + base
0.3321
0.44425
tampa
0.24865
0.3276
Caixa térmica C2
O resumo das corridas e dos valores do coeficiente global equivalente de transferência de calor calculados
para cada caixa térmica nas diversas corridas é informado na tabela 2 para a caixa térmica vermelha
Covey, e na tabela 3 para a caixa térmica C2.
Tabela 2 – Resumo de resultados da caixa térmica vermelha - Covey
Caixa térmica vermelha - Covey
1ª corrida
-dM/dt (kg/min)
2ª corrida
3ª corrida
4ª corrida
5ª corrida
0.00355
0.00348
0.00398
0.00327
0.00291
Tin (°C)
1.0
1.0
0.5
0.6
0.6
Tout (°C)
24
24
23.8
23.7
24.2
Δ Hfusão (kgal/kg)
79.78
79.78
79.78
79.78
79.78
Q (kcal/h)
16.99
16.66
19.05
15.65
13.93
1.68
1.64
1.85
1.54
1.34
U equiv (kcal/h°Cm2)
Tabela 3 – Resumo de resultados da caixa térmica azul – C2
Caixa térmica azul – C2
1ª corrida
-dM/dt (kg/min)
2ª corrida
3ª corrida
4ª corrida
5ª corrida
0.00592
0.00518
0.00518
0.00522
0.00541
Tin (°C)
1.1
1.0
1.0
0.7
0.8
Tout (°C)
24
24
23.8
23.7
24
Ferroco S.A. Tempo de conservação em caixas térmicas
1/9
Faculdade de Engenharia - Instituto de Engenharia Química- Dpto. Operações Unitárias
Δ Hfusão (kgal/kg)
79.78
79.78
79.78
79.78
79.78
Q (kcal/h)
28.34
24.80
24.80
24.99
25.90
2.78
2.43
2.44
2.45
2.52
U equiv (kcal/h°Cm2)
Determina-se o valor médio do coeficiente global equivalente de transferência de calor das diversas
corridas para cada caixa térmica na tabela 4
Tabela 4 – Coeficientes globais médios equivalentes de transferência de calor
Caixa térmica
Vermelha
Covey
Azul C2
U equiv (kcal/h°Cm2)
1.61
2.52
desvio padrão
0.19
0.15
Os resultados das corridas mostram que a caixa térmica vermelha Covey ganha menos calor do ambiente
que a caixa azul C2. Isto pode ser visto nos diferentes valores do coeficiente global de transferência de
calor, que resulta ser menor para a caixa vermelha que para a azul. Esta diferença nos coeficientes globais
equivalentes se deve ao fato de que os materiais isolantes nas caixas são diferentes.
6.0 Conclusões
A fim de comparar ambas as caixas térmicas, é conveniente contrastar o inverso do coeficiente global de
perdas ao ar, que representa uma resistência à transferência de calor.
Resistência vermelha = U azul = 1,57
Resistência azul
U verm.
Ao comparar ambas as resistências, vemos que a caixa térmica Covey com isolamento de poliuretano
expandido tem 57% mais de resistência à transferência de calor que a caixa térmica C2 com isolamento
de isopor.
Os resultados do ensaio referem-se exclusivamente à amostra ensaiada.
MSc. Eng. Jorge Martínez Garreiro
Ferroco S.A. Tempo de conservação em caixas térmicas
MSc. Eng. Berta Zecchi
1/9