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8. Transferencia de Calor

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE VICOSA 
OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS 
 
Milla Gabriela dos Santos 
2011/01 
 
8. Transferência de Calor 
 
 O calor se propaga espontaneamente sempre de um corpo de maior temperatura para outro 
de menor temperatura. Sempre que existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre 
meios ocorrerá transferência de calor. Por exemplo, se dois corpos a diferentes temperaturas são 
colocados em contato direto, como mostra na figura abaixo, ocorrerá uma transferência de calor do 
corpo de temperatura mais elevada para o corpo de menor temperatura até que haja equivalência 
de temperatura entre eles. Dizemos que o sistema tende a atingir o equilíbrio térmico. 
 
 
 
Um corpo não possui calor. Calor é a energia sendo transferida de um sistema a outro 
exclusivamente em virtude da diferença de temperaturas entre eles. Portanto, calor é um fenômeno 
transitório que cessa quando não existe mais uma diferença de temperatura. 
Os diferentes processos de transferência de calor são referidos como mecanismos de 
transferência de calor. Existem três mecanismos: condução, convecção e radiação. 
 
1. Transferência de calor por condução (Molecular): 
É a transferência de calor pela ação das moléculas. A transferência de energia ocorre em um 
meio estacionário, que pode ser um sólido ou um fluido, em virtude de um gradiente de 
temperatura. 
Por exemplo, quando colocamos uma extremidade de uma barra metálica sobre uma chama 
e seguramos na outra extremidade, notamos que esta se torna cada vez mais quente, apesar de 
não estar em contato direto com o fogo. Dizemos que o calor atingiu a extremidade mais fria da 
barra por condução através do material que a constitui. As moléculas da extremidade quente da 
barra aumentam a amplitude de sua vibração à medida que a temperatura aumenta. Verificam-se 
então colisões dessas moléculas com as suas vizinhas menos próximas da extremidade mais 
quente, e que se movem mais lentamente: assim, parte da energia das moléculas da extremidade 
mais quente é absorvida pelas vizinhas, e o processo se repete progressivamente. Desse modo, a 
energia térmica se propaga de uma molécula para a seguinte, sem que se desloquem as moléculas 
de sua posição inicial. 
É fato conhecido serem os metais bons condutores de calor e eletricidade. À capacidade de 
serem bons condutores de eletricidade devemos a existência dos elétrons livres, isto é, dos 
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OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS 
 
Milla Gabriela dos Santos 
2011/01 
 
elétrons que se separam de suas moléculas. Os elétrons livres também tomam parte na condução 
do calor: a razão pela qual os metais são bons condutores de calor é exatamente o fato de tanto os 
elétrons livres como as moléculas tomarem parte na transmissão de energia térmica das partes 
quentes para as partes frias. 
 
2. Transferência de calor por convecção (Turbulento): 
É a transferência de calor por um processo de misturação. O processo de transmissão de 
calor se dá pelo arraste de matéria. Este processo é característico dos líquidos e gases (fluidos). A 
movimentação das diversas partes do fluido ocorre pela diferença de densidade que surge em 
virtude do seu aparecimento ou resfriamento. 
Um exemplo da transferência de calor por convecção é quando um fluido escoa sobre uma 
placa aquecida. 
 
3. Transferência de calor por radiação 
É a transferência de calor pela emissão e absorção de energia, sem contato físico. A 
radiação depende das ondas eletromagnéticas como meio de transferir energia térmica de uma 
fonte quente para um sorvedouro a baixa temperatura. 
Todos estes mecanismos de transferência de calor podem ocorrem simultaneamente ou 
separadamente. 
 
4. Equipamentos de transferência de calor 
Os trocadores de calor usados nas indústrias não podem ser caracterizados por um único 
modelo. A variedade deste equipamento é infinita. Entretanto, a característica comum à maior parte 
dos trocadores de calor é a transferência de calor de uma fase quente para uma fase fria com as 
duas fases separadas por uma fronteira sólida. 
 
a. Trocadores de calor tubulares: 
O tipo mais simples de trocador de calor é o trocador tubular. É constituído por dois tubos 
concêntricos, com um dos fluidos escoando pelo tubo central enquanto o outro flui, em corrente 
paralela, ou em contracorrente, no espaço anular. 
Qualquer dos dois fluidos pode escoar no espaço anular, ou no interior do tubo central, em 
velocidades relativamente elevadas, o que contribui para melhorar o processo de transferência de 
calor. 
 
 
 
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OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS 
 
Milla Gabriela dos Santos 
2011/01 
 
 
Figura 1. Trocador de calor tubular 
 
b. Trocadores de calor a placas 
O trocador de calor a placas convencional consiste numa série de placas corrugadas, 
gaxetadas ou soldadas entre si, dependendo dos fluidos e da necessidade de abertura do 
equipamento. As placas são depois comprimidas por uma estrutura rígida para criar um arranjo de 
canais de fluxos paralelos.Um fluído circula pelos canais ímpares e o outro pelos pares trocando 
calor. 
Os trocadores de calor a placas são projetados para otimizar a transferência de calor. Suas 
placas corrugadas geram grande turbulência nos fluidos, o que otimiza a troca térmica de um meio 
com o outro. A configuração de placas proporciona uma grande superfície de troca. Mesmo assim, 
esses equipamentos são bastante compactos. Em muitos casos, instalações utilizando trocadores 
de calor a placas podem ocupar até 20% do espaço físico que seria ocupado por trocadores de 
calor casco e tubos. 
 
Figura 2. Trocadores de calor a placas 
 
c. Trocadores de casco e tubo 
Quando a área da troca térmica é grande, o tipo de trocador recomendado é o casco e tubo. 
Neste tipo de calefator ou de resfriador é possível conseguir elevadas áreas de troca térmica, de 
maneira econômica e prática, montando-se os tubos em feixe. 
Neste trocador, o fluido que circula nos tubos entra pelo cabeçote, ou carretel, onde é 
distribuído pelo tubos, num regime de escoamento paralelo, e sai pelo outro cabeçote. Qualquer 
dos dois fluidos, o frio ou o quente, pode escoar no casco do trocador por fora dos tubos. 
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OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS 
 
Milla Gabriela dos Santos 
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O escoamento paralelo em todos os tubos e a baixa velocidade contribuem para coeficientes 
de transmissão de calor baixos e para pequena queda de pressão. Para que se tenham maiores 
taxas de troca térmica é necessário adotar a operação em passes múltiplos. 
Uma escolha satisfatória do tipo e do projeto de um trocador de casco e tubo dependerá de 
um compromisso entre diversos fatores como o custo, a facilidade de limpeza, as temperaturas, a 
corrosão, a pressão de operação, a queda de pressão e os riscos de segurança. 
A natureza do fluido que circula no casco também é importante e influencia a escolha do tipo 
de trocador. Uma vez que o lado do casco do trocador é difícil de limpar, deve circular no casco o 
fluido menos corrosivo e mais limpo. O fluido corrosivo deve circular nos tubos, para haver 
economia no custo de um casco de metal caro. A viscosidade dos fluidos é um outro fator 
importante na escolha do fluido que deve estar no lado do casco. Os fluidos a alta pressão 
deveriam escoar pelos tubos para evitar a construção de cascos suportando pressões elevadas, 
que são muito caros. 
 
Figura 3. Trocador de calor casco e tubo 
 
5. Aplicação da transferência de calor em alimentos: 
- Aumento da vida de prateleira; 
- Diminuição ou eliminação de carga microbiana; 
- Inativação de enzimas; 
- Melhoria das características organolépticas; 
- Modificação do produto (retiradade água) 
 
6. Conceitos importantes: 
 
a. Calor: é a nomenclatura atribuída à energia sendo transferida de um sistema a outro 
exclusivamente em virtude da diferença de temperaturas entre eles. Um corpo não possui calor. 
 
b. Temperatura: é a dimensão que descreve o potencial térmico, agitação térmica, de um sistema. 
ela é requerida a um nível de referencia arbitrário. 
 
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OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS 
 
Milla Gabriela dos Santos 
2011/01 
 
c. Caloria: é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 grama de água, a 1 
atm, de 14,5oC a 15,5oC. Existem outras unidades para expressar a quantidade de calor como: 
BTU, kcal e J. 
 
d. Calor específico: é uma grandeza que caracteriza a facilidade ou dificuldade de um determinado 
material variar sua temperatura quando troca energia na forma de calor. É importante ressaltar que 
esta característica depende apenas do material de que é feito o corpo. Na tabela 1 são 
apresentados os calores específicos de alguns materiais: 
 
Tabela 1. Calor específico de alguns materiais: 
Substancia Calor específico (kcal/kg.oC) 
Alumínio 0,212 
Chumbo 0,030 
Cobre 0,092 
Ferro 0,117 
Gelo 0,500 
Latão 0,092 
Níquel 0,103 
Água 1,000 
Mercúrio 0,033 
Ar 0,240 
Vapor d’água 0,421 
 
Digamos que o calor específico de uma determinada substancia seja expresso em kcal/kg.oC, 
isto significa que o calor específico informa a quantidade de energia, em kcal, que deve ser 
fornecida a cada 1 kg dessa substancia para que a sua temperatura se eleve em 1oC. Por exemplo, 
fornecendo-se 1 kcal a 1 kg de água, sua temperatura se elevará de 1oC. Já no caso do alumínio, 
basta fornecer 0,212 kcal a 1 kg do mesmo, para que sua temperatura aumente de 1oC. Ou seja, 
quanto menor o calor específico de uma substancia menor será a quantidade de calor necessária 
para mudar sua temperatura. 
 
e. Calor sensível: É o calor fornecido a um corpo, onde ocorre uma mudança na temperatura sem 
que ocorra mudança de fase. 
 
f. Calor latente: É o calor fornecido a um corpo onde provoca uma mudança de fase sem que 
ocorra mudança na temperatura do corpo (Q = m.L). 
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Milla Gabriela dos Santos 
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Tabela 2. Calores latentes da água 
Mudança de fase Calor latente 
Fusão Lf = 80 kcal/kg 
Solidificação Ls = -80 kcal/kg 
Vaporização Lv = 540 kcal/kg 
Condensação Lc = -540 kcal / kg 
 
g. Coeficiente de transmissão de calor: 
Quando temos mais de uma etapa de transferência de calor envolvida, é instrumento 
facilitador dos cálculos empregar-se um coeficiente de transferência dito global ou integral. 
 
7. Cálculos Transferência de calor: 
 
a. Quantidade de calor (q): 
A quantidade de calor que se deve fornecer a um corpo para elevá-lo a uma determinada 
temperatura, depende: 
- Massa (m); 
- Calor específico (c); 
- Diferença de temperatura (∆T). 
 
� = �. �. ∆� (1) 
 
 
b. Coeficiente global (U): 
Uma vez que a diferença total da temperatura (∆T) e a transferência total de calor (q) são 
grandezas que se podem usualmente medir num trocador de calor de área (A) conhecida. Pela 
equação (2) podemos medir o coeficiente global (U). 
 
� = 
�∆� (2) 
 
c. Lei de Fourier (transferência de calor por condução) 
Considerando que: a transferência de calor se dá por um tubo; é unidirecional pelo raio; 
regime permanente; sem geração de calor na parede. Sob tais condições se emprega a lei de 
Fourier, equação (3): 
 
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�� = −�
��
��
 (3) 
Onde: 
qk = taxa de transferência de calor por condução; 
k = coeficiente de transferência por condução (condutividade térmica); 
r = raio do tubo. 
 
Observe que a transferência de calor ocorre da região de maior temperatura para a de menor 
temperatura, deste forma, dT é negativo. 
 
Exemplo 1. Um equipamento condicionador de ar deve manter uma sala, de 15 m de 
comprimento, 6 m de largura e 3 m de altura a 22oC. As paredes da sala, de 25 cm de espessura, 
são feitas de tijolos com condutividade térmica de 0,14 Kcal/h.m. oC e a área das janelas podem 
ser consideradas desprezíveis. A face externa das paredes pode estar até a 40oC em um dia de 
verão. Desprezando a troca de calor pelo piso e pelo teto, que estão bem isolados, pede-se o 
calor a ser extraído da sala pelo condicionador. 
 
 
d. Transferência de calor por convecção 
O coeficiente de transferência de calor por convecção é definido de modo que a expressão 
abaixo seja verdadeira: 
 
��������� = ℎ
∆� (4) 
 
Onde: 
qconveccao = taxa de transferência de calor por convecção; 
h = coeficiente de transferência de calor por convecção 
 
Exemplo 2. Ar a Tar = 25oC escoa sobre uma placa lisa mantida a Tw = 150oC. O coeficiente de 
convecção é de 80 W/m2 oC. Determinar a taxa de calor considerando que a placa possui área de 
A=1,5 m2.

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