Dimensionamento do coeficiente de película do ar em relação ao gelo

Abstract

Partindo de um experimento térmico simples realizado ao redor da superfície de gelo em ar parado, o presente trabalho se dedica a determinar o coeficiente de filme de convecção do ar na proximidade do gelo. O objetivo é entender a dinâmica da transferência de calor entre a superfície do gelo e o ar ao redor. Para estudar o processo de derretimento do gelo, ele foi colocado em um ambiente a temperaturas constantes de 30°C, utilizando-se uma placa de gelo com dimensões de 4 cm x 4 cm x 2 cm, que é fácil de manusear e também relevante para sistemas térmicos como processos de refrigeração e ar condicionado. Para o experimento, a Lei do Resfriamento de Newton foi aplicada, associando a velocidade de transferência de calor à diferença de temperatura entre a superfície do corpo estudado e o fluido (neste caso, o ar). Este método possibilitou o cálculo do coeficiente de filme de convecção, caracterizando a eficiência do processo de troca de calor entre gelo e ar. O tempo total para o bloco de gelo derreter durante o experimento foi de 38 minutos, permitindo suficiente coleta de dados para estimar a transferência de calor por minuto. A equação do coeficiente de filme de convecção que obtivemos foi h=21 W/m⋅K, um valor comparado com a literatura, confirmando que o experimento seguiu a tendência encontrada. O comportamento térmico durante o derretimento do gelo foi analisado e revelou que a taxa de transferência de calor reduz com o tempo, à medida que a taxa de transferência de calor reduz com a diferença de temperatura entre a superfície do gelo e o ar. Isso ocorre porque, à medida que o gelo começa a liberar propriedades térmicas do sistema, formam-se mudanças também criando uma camada de água na superfície que bloqueia a troca de calor. Este artigo é relevante para o entendimento dos fenômenos de convecção natural e sua influência na transferência de calor em sistemas com superfícies geladas. Os resultados permitiram confirmar modelos teóricos para prever o comportamento térmico de sistemas semelhantes e cálculos experimentais para obter o coeficiente de filme de convecção. O trabalho estabelece uma base para aprimorar sistemas térmicos, como trocadores de calor e sistemas de ar condicionado, onde maximizar a transferência de calor é crucial. Estudos futuros com condições de convecção forçada podem ser analisados, onde o aumento na velocidade do fluido modifica consideravelmente o coeficiente de filme. Sugere-se, ainda, estudar os efeitos de superfícies não lisas ou rugosas, que podem alterar o fluxo de ar e, portanto, a taxa de transferência de calor. Estudos adicionais utilizando materiais diferentes, métodos de resfriamento ou simulações computacionais podem melhorar ainda mais a percepção em sistemas envolvendo a troca de calor com gelo.

Starting from a simple thermal experiment performed around the ice surface in still air, the present work is dedicated to determine the convection film coefficient of the air in the vicinity of the ice. The goal is to understand the dynamics of heat transfer between the ice surface and the surrounding air. To study the ice melting process, it was placed in a controlled environment at constant temperatures of 30°C, using an ice sheet with dimensions of 4 cm x 4 cm x 2 cm, which is easy to handle and also relevant for thermal systems such as refrigeration and air conditioning processes. For the experiment, Newton's Law of Cooling was applied, associating the speed of heat transfer to the temperature difference between the surface of the studied body and the fluid (in this case, the air). This method made it possible to calculate the convection film coefficient, characterizing the efficiency of the heat exchange process between ice and air. The total time for the ice block to melt during the experiment was 38 minutes, allowing sufficient data collection to estimate heat transfer per minute. The convection film coefficient equation obtained was h=21 W/m⋅K, a value compared to the literature, confirming that the experiment followed the trend found. The thermal behavior during ice melt was analyzed and revealed that the heat transfer rate reduces over time, as the heat transfer rate reduces with the temperature difference between the ice surface and the air. This is because as the ice begins to release thermal properties from the system, changes also form creating a layer of water on the surface that blocks heat exchange. This article is relevant to the understanding of natural convection phenomena and their influence on heat transfer in systems with icy surfaces. The results allowed to confirm theoretical models to predict the thermal behavior of similar systems and experimental calculations to obtain the convection film coefficient. The work lays a foundation for enhancing thermal systems, such as heat exchangers and air conditioning systems, where maximizing heat transfer is crucial. Future studies with forced convection conditions can be analyzed, where the increase in fluid velocity considerably modifies the film coefficient. It is also suggested to study the effects of non-smooth or rough surfaces, which can alter the air flow and, therefore, the heat transfer rate. Further studies using different materials, cooling methods, or computer simulations can further improve perception in systems involving heat exchange with ice.