Aula 02-FUNDAMENTOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Prévia do material em texto

1 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS 
FACULDADE DE TECNOLOGIA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
DISCIPLINA: FTQ022-FENÔMENOS DE TRANSPORTE (II) 
 
PROFESSOR: JOHNSON PONTES DE MOURA 
 
 
 
FUNDAMENTOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 
 
 
 
 
 
2 
TRANSFERÊNCIA DE CALOR 
 
 
 
OBJETIVOS: 
 
 
- QUANTIFICAR O CALOR QUE CRUZA UMA 
SUPERFICIE DE UM SISTEMA TÉRMICO. 
 
 
 
- DETERMINAR A DISTRIBUIÇÃO DE TEMPERATURA 
EM UM SISTEMA TÉRMICO. 
 
 
3 
EXEMPLO 
 
• O CALOR PASSA DO 
FLUIDO QUENTE 
(VERMELHO) PARA O 
FLUIDO FRIO 
(AMARELO) NO 
TROCADOR DE 
CALOR. 
 
4 
1 - O QUE É CALOR? 
• - É A ENERGIA EM 
TRANSITO DEVIDO A 
UMA DIFERENCA DE 
TEMPERATURA 
(CAL/S, WATT, ETC..) 
• - É A ENERGIA 
TROCADA ENTRE 
DOIS SISTEMAS A 
DIFERENTES 
TEMPERATURAS 
 
5 
2 - O QUE É 
TEMPERATURA? 
• - É UMA MEDIDA DA ENERGIA DE INTERNA 
(CHAMADA TAMBEM DE ENERGIA TÉRMICA) 
CONTIDA EM UM SISTEMA (KELVIN, CELCIUS, 
ETC). É PROPORCIONAL A ENERGIA DE 
VIBRACAO DAS MOLECULAS. 
 
• UNIDADES: KELVIN, Oc, R, oF. 
6 
3 - COMO O CALOR É 
TRANSFERIDO? 
 
• POR TRÊS MECANISMOS DIFERENTES: 
 
– CONDUCAO 
– CONVECCAO 
– RADIACAO 
7 
4 - O QUE FINALMENTE NOS INTERESSA NO ESTUDO DA 
TRANSMISSAO DE CALOR? 
• DETERMINAR A TAXA COM A QUAL O 
CALOR É TRANSFERIDO DE UM PONTO A 
OUTRO (QUANTO DE CALOR É 
TRANSFERIDO POR UNIDADE DE TEMPO). 
 
• OBS: A EXPRESSÃO PARA O CÁLCULO DA 
TAXA DE CALOR TRANSFERIDO DEPENDE 
DO MECANISMOS ATRAVÉS DO QUAL A 
TRANSFERENCIA ACONTECE. 
 
8 
5 - QUAL A RELAÇÃO ENTRE A TERMODINÂMICA 
E A TRANSMISSÃO DE CALOR? 
• - A TERMODINÂMICA INFORMA A 
DIRECAO POSSIVEL DA TRANSFERENCIA 
E, ATRAVES DE BALANCOS DE ENERGIA, 
QUANTO PODE SER OU É TRANSFERIDO. 
 
• - A TERMODINÂMICA NADA DIZ A 
RESPEITO DE QUANTO TEMPO LEVARÁ 
PARA OCORRER A TRANSFERENCIA DE 
UMA DADA QUANTIDADE DE CALOR. 
9 
6) É POSSÍVEL SABER EM QUANTO TEMPO UMA 
DADA QUANTIDADE DE CALOR SERÁ 
TRANSFERIDO? 
• SIM. A PARTIR DA EXPRESSÃO PARA 
CÁLCULO DA TAXA DE CALOR. 
 
• - O CALOR É TRANSFERIDO DEVIDO A 
UMA DIFERENCA DE TEMPERATURA, 
ATRAVES DE UMA ÁREA, ENTRE DOIS 
PONTOS DO ESPACO, POR ALGUM DOS 
MECANISMOS. 
10 
7) E DE QUE DEPENDE A EXPRESSÃO PARA 
CALCULO DA TAXA DE CALOR? 
• DEPENDE: 
– DA ÁREA DE TRANSFERENCIA, 
– DA DIFERENCA DE TEMPERATURA, 
– DO MEIO E 
– DO MECANISMO DE TRANSFERENCIA. 
11 
6) E QUAIS SÃO ESTAS EXPRESSÕES PARA 
CALCULO DA TAXA DE TRANSMISSÃO DE 
CALOR? 
• CONDUCAO: -LEI DE FOURIER 
 
• CONVECCAO: LEI DO RESFRIAMENTO DE 
NEWTON 
 
• RADIACAO: LEI DE STEFAN-BOLTZMAN 
12 
CONDUÇÃO: 
 
T1 T2 
MECANISMO DE TRANSFERENCIA DE CALOR 
ATRAVES DE SÓLIDOS OU DE FLUIDOS 
ESTAGNADOS 
13 
CONDUCAO: 
 
-LEI DE FOURIER: 
 
 
Q – QUANTIDADE DE CALOR TRANSFERIDO POR UNIDADE DE 
TEMPO 
 
K – CONDUTIVIDADE TÉRMICA DO MEIO (SOLIDO, OU FLUIDO 
PARADO) 
 
A – ÁREA DE TRANSVERSAL AO FLUXO DE CALOR 
 
T – TEMPERATURA 
x – DIRECAO DO FLUXO DE CALOR 
dx
dT
KAQ 
14 
CONVECÇÃO 
 
MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR 
ENTRE UMA SUPERFICIE E UM FLUIDO EM CONTATO 
COM ESTA. 
 
O TRANSPORTE CONCVECTIVO DEVE-SE A 
CONDUÇÃO A TRAVÉS DO MEIO E AO TRANSPORTE 
RELATIVO AO MOVIMENTO DE PORCOES 
MACROSCÓPICAS DO FLUIDO. 
 
A CONVECÇÃO PODE SER FORCADA OU NATURAL. 
TS 
FLUIDO 
V, T 
15 
LEI DO RESFRIAMENTO DE NEWTON: 
 
 
 
Q – FLUXO DE CALOR ENTRE A SUPERFICIE E O 
FLUIDO 
A – AREA DE TROCA TÉRMICA 
TS – TEMPERATURA DA SUPERFICIE 
T - TEMPERATURA DO FLUIDO LONGE DA 
SUPERFICIE (FORA DA CAMADA LIMITE TÉRMICA) 
h – COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR 
POR CONVECCAO ENTRE A SUPERFICIE E O FLUIDO. 
É UMA FUNCAO DO ESCOAMENTO (PROPRIEDADES E 
VELOCIDADE DO FLUIDO). 
)TT(hAQ S 
CONVECCAO 
 
16 
RADIAÇÃO: 
 
MECANISMO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR ENTRE 
DUAS SUPERFICIES POR RADIACAO TÉRMICA 
(RADIACAO ELETROMAGNÉTICA). 
T2,A2 
 
 
T1, A1 
17 
LEI DE STEFAN-BOLTZMAN: 
 
 
 
 
Q – CALOR TRANSFERIDO ENTRE AS 
SUPERFICIES 
A – AREA DE TROCA TÉRMICA DA SUPERFICIE 1 
1-EMISSIVIDADE DA SUPERFICIE 1 
 - CONSTANTE DE BOLTZMAN = 5,67x10-8 W/m2K4 
 
RADIAÇÃO: 
 
)TT(AQ 42
4
111 
18 
-EM MUITOS CASOS É UTIL EXPRESSAR A EQ DE 
STEFAN-BOLTZMAN NA FORMA : 
 
 
 
 
-ONDE 
 
RADIAÇÃO: 
 
)TT(AhQ 211R 
)TT)(TT(h 21
2
2
2
11R 
19 
-EM UM FORNO FABRICADO EM ALVENARIA, UM 
GAS COMBUSTIVEL É QUEIMADO EMITINDO 
RADIACAO TÉRMICA A QUAL É ABSORVIDA PELAS 
PAREDES DO FORNO, SENDO PARTE DO CALOR 
EMITIDO PERDIDO PARA O AR AMBIENTE O QUAL 
ENCONTRA-SE A 28 oC. A TEMPERATURA DA CHAMA 
É DE 1200 oC. AS TEMPERATURAS DAS PAREDE 
INTERNA E EXTERNA DO FORNO SÃO MANTIDAS A 
800 e 56 o C, RESPECTIVAMENTE. 
EXERCÍCIOS PARA SEREM ENTREGUES 
1200O C 
28o C 
20 
-a) IDENTIFICAR, NESTE CASO, OS MECANISMOS 
DE TRANSFERENCIA DE CALOR EXISTES. 
 
b) EM RELACAO A QUANTIDADE DE CALOR 
TRANSFERIDA PARA A SUPERFICIE INTERNA DA 
PAREDE, ATRAVES DESTA ATÉ A SUPERFICIE 
EXTERNA E, DESTA PARA O AR AMBIENTE, O QUE 
VOCE AFIRMARIA? SÃO IGUAIS OU DIFERENTES? 
POR QUE? 
EXERCÍCIOS PARA SEREM ENTREGUES 
1200O C 
28o C 
21 
EXERCÍCIOS PARA SEREM ENTREGUES 
 
-1 – Exemplo 1.1, resolvido, Incropera. A parede de 
uma fornalha industrial é construída com um 
material de condutividade térmica igual a 1,7 
W/mK, com espessura de 0,15 m. Medidas durante 
a operação em estado estacionário mostram que as 
temperaturas interna e externa da parede são 1400 
e 1150 K, respectivamente. Calcular o fluxo de calor 
por unidade de área da parede. O gradiente de 
temperatura é constante ao longo da parede.