Transferência de calor e massaProf. Mauro César Rabuski Garcia

Transferência de Calor (ou calor)

• É energia térmica em trânsito devido a uma diferença de temperaturas no espaço.

Modos de Transferência de Calor

• Condução: quando existe um gradiente de temperaturas num sólido ou fluido estacionário.

Modos de Transferência de Calor

• Convecção: transferência de calor que ocorre entre uma superfície e um fluido em movimento.

Modos de Transferência de Calor

• Radiação: As temperaturas com temperatura não nula emitem energia na forma de ondas eletromagnéticas, ocorre também no vácuo.

Origens Físicas e Equações de Taxa

Condução

• A condução pode ser vista como a transferência de energia das partículas mais energéticas para as menos energéticas de uma substância devido às interações entre partículas.

Condução – Equação de taxa

• É possível quantificar processos de transferência de calor em termos de equações de taxa apropriadas.

• Usadas para calcular a quantidade de energia sendo transferida por unidade de tempo.

• Lei de Fourier

Diferença entre fluxo e taxa

• Fluxo de calor (W/m2)

k – condutividade térmica do material (W/m.K)

L – espessura do material (m)

• Taxa de transferência de calor (W)

Exemplo 1.1

• A parede de um forno industrial é construída em tijolo refratário com 0,15m de espessura, cuja condutividade térmica é de 1,7 W/(m.K). Medidas efetuadas ao longo da operação em regime estacionário revelam temperaturas de 1400K e 1150K nas paredes interna e externa, respectivamente. Qual é a taxa de calor perdida através de uma parede que mede 0,5m por 1,2m?

Exemplo 1.1

Convecção

• Ocorre devido a superposição do transporte de energia pelo movimento aleatório das moléculas como o transporte devido ao movimento global do fluido

• Convecção – transporte cumulativo

• Advecção – transporte devido ao movimento global do fluido

Convecção

Convecção

• Forçada – escoamento causado por meios externos, tais como um ventilador, uma bomba, ou ventos atmosféricos

• Livre ou natural – escoamento induzido por forças de empuxo, que são originadas a partir de diferenças de densidades (massas específicas) causadas por variações de temperatura do fluido.

Convecção

Lei do Resfriamento de Newton

• q” – fluxo de calor por convecção (W/m2)

• h – coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m2K)

• Ts – temperatura da superfície (K)

• T∞

- temperatura do fluido

Valores típicos de h

Radiação• Radiação térmica é a energia emitida pela matéria que se

encontra a uma temperatura não-nula

• Emissão ocorre a partir de sólidos, gases e líquidos

Lei de Stefan-Boltzmann

• Eb – poder emissivo corpo negro (W/m2)

• σ - constante de Stefan-Boltzmann 5,67x10-8

W/m2K4

•ε - emissividade

Irradiação G

• Taxa na qual a radiação incide sobre uma área unitária da superfície

• α – absortividade

Radiação

Radiação + Convecção

Exemplo 1.2

• Uma tubulação de vapor d’água sem isolamento térmico atravessa uma sala na qual o ar e as paredes se encontram a 25°C. O diâmetro externo do tubo é de 70mm, a temperatura de sua superfície é de 200°C e esta superfície tem emissividade igual a 0,8. Quais são o poder emissivo da superfície e sua irradiação? Sendo o coeficiente associado a transferência de calor por convecção natural da superfície para o ar de 15W/(m2.K), qual é a taxa de calor perdida pela superfície por unidade de comprimento do tubo?

Exemplo 1.2

Exigência da conservação da energia

∆������� = −�

1ª Lei da Termodinâmica para um sistema

∆���� = �� � − ���� + ��

����� ≡�����

��= ��� � − ����� + ���

� = �� �� ���� − �� �

1ª Lei da Termodinâmica para um volume de controle

Equação simplificada da energia térmica para sistemas com escoamento em regime estacionário

Balanço de energia em uma superfície

��� � − ����� = 0

Consideração válida tanto para regime permanente quanto transiente

��� �" -��� �

" -����" = 0

Relevância da transferência de calor

• A transferência de calor é um aspecto dominante em praticamente todos os dispositivos de conservação e produção de energia

• Realizar leitura do item 1.5 da pág. 19 da 6ª edição do livro texto

Exercício 1.70

• Um fluxo solar de 700 W/m! incide sobre um coletor solar plano usado para aquecer água. A área do coletor é de 3 m! e 90% da radiação solar atravessam a cobertura de vidro e é absorvida pela placa absorvedora. Os 10% restantes são refletidos para fora do coletor. A água escoa através de tubos presos no lado inferior da placa absorvedora e é aquecida da temperatura de entrada T#$% até uma temperatura de saída T&'(. A cobertura de vidro, operando a uma temperatura de 30°C, tem uma emissividade de 0,94 e troca calor por radiação com o céu a -10°C. O coeficiente convectivo entre a cobertura de vidro e o ar ambiente, a 25°C, é de 10 W/(m!. K).

Exercício 1.70

• a) Faça um balanço global de energia no coletor para obter uma expressão para a taxa na qual o calor útil é coletado por unidade de área do coletor, ��

" . Determine o valor de ��" .

• b) Calcule o aumento de temperatura da água, ���� − �� �, se a vazão for de 0,01 kg/s, admita que o calor específico da água seja 4179 J/(kg.K).

• c) A eficiência do coletor η é definida como a razão entre o calor útil coletado e a taxa na qual a energia solar incide no coletor. Qual é o valor de η?

Exercício 1.53

• Equipamentos eletrônicos de potência são instalados sobre um dissipador de calor que possui uma área superficial exposta de 0,045 �!

e uma emissividade de 0,80. Quando os equipamentos eletrônicos dissipam uma potência total de 20 W e a temperatura do ar e da vizinhança são de 27°C, a temperatura média do dissipador de calor é de 42°C. Qual será a temperatura média do dissipador de calor se os equipamentos eletrônicos dissiparem uma potência total de 30W e as condições do ambiente se mantiverem as mesmas?

Exercício 1.53