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