PTC_aula1e2

Prévia do material em texto

Produção e Transporte de Calor 
 
 
 
 
 
 
Centro Universitário Jorge Amado 
Curso: Engenharia de Petróleo 
Prof: Danilo Sá Teles 
Produção e Transporte de 
Calor 
Introdução 
Cronograma 
 1ª Avaliação: 23 de setembro 
 - 2ª Chamada: 07 de outubro 
 2ª Avaliação: 02 de dezembro 
 - 2ª Chamada: 09 de dezembro 
 Resultados: 08 de dezembro 
 
 Prova final: 16 de dezembro 
 Resultados finais: 21 de dezembro 
Conteúdo Programático 
• Introdução à transmissão de Calor 
• Trocadores de Calor 
• Fornos Industriais 
• Torres de Resfriamento 
• Caldeiras 
• Refrigeração 
Conteúdo Programático 
• Introdução à transmissão de Calor 
– Conceitos básicos 
– Modos do fluxo de calor 
– Leis fundamentais de transmissão de calor 
– Combinação de mecanismos de transferência de 
Calor. 
– Analogia entre fluxo de calor e elétrico 
E o que é Calor? 
E o que é Calor? 
 Forma de energia; é transmitida 
sempre que houver um gradiente 
de temperatura no interior de um 
sistema ou, entre dois corpos 
próximos. 
Calor e Termodinâmica 
Com a termodinâmica trata-se da relação entre 
calor e outras formas de energia. 
 
Como todos os processos de transmissão de 
calor envolvem a transferência e conversão de 
energia, eles devem obedecer à primeira lei e 
a segunda leis da termodinâmica 
U Q WD = -
As Leis da Termodinâmica 
1ª Lei da Termodinâmica: 
 
 Princípio da conservação da energia 
 
 
A transferência de calor 
 Definida como a transferência de energia 
através da fronteira de um sistema e 
provocada exclusivamente pela diferença de 
temperatura. 
 
O calor e a Engenharia 
Na industria petrolífera, é de grande 
importância o estudo das aplicações 
relacionadas com as trocas de energia. A 
destilação, que é o processo de separação 
básico usado em todas as refinarias, por 
exemplo. 
O calor e a Engenharia 
Numa usina geradora de energia é justamente a 
transferência de calor da fonte quente para 
um fluido capaz de convertê-lo em trabalho. 
Transmissão de calor: Objetivos 
principais 
 1- Determinar a distribuição de temperatura 
no interior do sistema e a velocidade de 
transferência de calor em determinadas 
condições operacionais 
 2- Determinar as condições operacionais 
necessárias (dimensões, forma, vazões, etc.) 
para se conseguir uma determinada 
velocidade de transferência de calor ou uma 
certa distribuição de temperaturas, ou ambas. 
Modos do Fluxo de Calor 
→ Condução 
 
→ Convecção 
 
→ radiação 
Condução 
A condução é um processo pelo qual o calor flui 
de uma região de alta temperatura para outra 
de temperatura mais baixa dentro de um 
meio (sólido, líquido e gasoso). 
 
 
Condução 
 A condução é um mecanismo pelo qual o calor 
pode fluir nos sólidos opacos. Nos fluidos, 
usualmente ela é combinada com a 
convecção. 
Radiação 
A radiação é um processo pelo qual o calor flui, 
entre corpos com diferentes temperaturas, 
quando os mesmos estão separados no 
espaço. A energia transmitida desta maneira é 
chamada de Calor radiante. 
Radiação 
Todos os corpos emitem continuamente calor 
radiante. A intensidade das emissões depende 
da temperatura e da natureza da superfície. 
Ela é transmitida por ondas eletromagnéticas. 
 
Nos problemas de engenharia, envolvendo 
baixas temperaturas, o calor radiante 
frequentemente pode ser desprezado. 
Radiação 
Convecção 
A convecção é um processo de transporte de 
energia pela ação combinada da condução de 
calor, armazenamento de energia e 
movimento de mistura. A convecção é mais 
importante como mecanismo de transferência 
de energia entre uma superfície sólida e um 
líquido ou um gás. 
Convecção 
Transmissão de calor no interior da 
Terra 
Transmissão de calor no interior da 
Terra 
Transferência de calor por 
condução 
Lei da condução de Fourier: O fluxo de calor por 
condução depende: 
→ k, condutividade térmica do material; 
→ A, a área da seção através da qual o calor flui, 
medida perpendicularmente à direção do 
fluxo. 
→ dT/dx, o gradiente de temperatura na seção, 
i.e, a razão de variação da temperatura T com 
a distância na direção do fluxo de calor x. 
 
 
Condução 
A equação elementar para a condução, através 
de uma área finita Ax, é 
 
 
 
 
 
(1) é conhecida como Lei de Fourier para a 
condução. 
(1)c x
dT
q kA
dx
= -
Condução 
 Para consistência das unidades da eq (1), o 
fluxo de calor qc é expresso em 
 Watt (onde, 1W = 1 J/s) 
 A condutibilidade ou condutividade térmica k 
corresponde a propriedade do material e 
indica a quantidade de calor que fluirá 
através de uma área unitária, se o gradiente 
de temperatura é unitário. 
Condução 
As unidades de k são 
 
 
. . .
J W
sm k m k
=
Condução 
Considerando um caso simples de fluxo de calor, 
através de uma parede plana na qual o 
gradiente de temperatura e o fluxo de calor 
não variam com o tempo e a área da seção 
transversal é uniforme, prove que: 
 
 
c
c
t
q
R
D
=
Condução 
Onde, 
 
Representa a resistência térmica que a parede 
oferece ao fluxo de calor por condução 
c
c
L
R
A
=
Condução 
Condução 
Radiação 
 Depende da temperatura absoluta e da 
natureza da superfície. 
 Um irradiador perfeito, chamado de corpo 
negro, emite energia radiante de sua 
superfície à razão qr dada por 
 
 
4 (2)rq ATs=
Radiação 
Sendo que 
 
 
 
É a constante de Stefan Boltzmann 
 
 
 
4 2 45,67040 10 /x W m ks -=
Radiação 
 Analisando-se a equação II, concluimos que 
qualquer corpo negro com temperatura acima 
do zero absoluto, emite calor radiante a uma 
razão proporcional à quarta potência da 
temperatura absoluta. 
Radiação e Absorção 
A taxa de radiação resultante de um corpo a 
uma temperatura Te imerso em um ambiente 
que está a uma temperatura tá é dada por 
 
 
4 4 (3)e e e a a aq AT A Ts s= -
Radiação e absorção 
No caso de superfícies de um corpo que não é 
negro e que absorvem menos que 100% da 
energia radiante incidente 
 
 
 
 representa a emissividade do corpo. 
 
 
4 4( ) (4)r e aq A T Ts e= -
Espectro de radiação 
A partir das equações apresentadas observamos 
que a quantidade de radiação emitida por um 
corpo aumenta muito rapidamente à medida 
que sua temperatura aumenta. Além disso, 
verifica-se que, o tipo de radiação também se 
altera 
Espectro de radiação 
Até 1000 k → Radiação invisível 
~2000K Radiação visível, com tonalidade do 
emissor tornando-se avermelhada. 
3000K corpo adquire tonalidade amarelada 
6000K o corpo emite luz com tonalidade do 
branco intenso 
10000K a cor do corpo emissor torna-se 
azulada. 
 
Radiação 
 Em alguns casos, somente parte da radiação 
térmica que deixa a superfície Ae atinge a 
superfície Aa 
 Com o restante da radiação sendo perdido 
para a vizinhança. 
Radiação 
Este efeito geométrico explicita-se mediante o 
fator de forma da radiação térmica F . 
Então, a equação (3) pode ser reescrita como; 
 
 
4 4( )r ea e aq AF T Ts= -
Radiação 
Escrevendo o fluxo de calor utilizando uma 
condutância térmica Kr 
 
 
 
Onde 
 
h é o coeficiente de transferência de calor radiante. 
( )r r e aq K T T= -
c rK h A=
Convecção 
A transmissão de calor por convecção entre uma 
superfície e um fluido pode ser calculada pela 
relação 
 
(5)c cq h A t= D
Lei de resfriamento de Newton 
Convecção 
Onde: 
qc → fluxo de calor transferido por convecção 
 
h → coeficiente médio de transferência de calor 
Convecção 
O valor numérico de h em um sistema depende 
da geometria da superfície, das propriedades 
do fluxo e da diferença de temperatura. 
Convecção 
 Na convecção, a condução do calor e, em 
alguns casos, a radiação têm um papel 
importante. 
 
 Na prática, os processos de transferência de 
calor, envolvem combinações de condução, 
de radiação térmica e de convecção. 
Combinação dos mecanismos de 
transmissãode calor 
O calor usualmente é transferido em etapas, 
através de inúmeras seções diferentes, 
conectadas em série, ocorrendo a 
transmissão, frequentemente, por meio de 
dois mecanismos e paralelo, para uma dada 
seção no sistema. 
Combinação dos mecanismos de 
transmissão de calor 
 Em um foguete, por exemplo, os produtos da 
combustão contém gases, tais como CO, CO2 e H2O 
que emitem e absorvem radiação. Primeiramente o 
calor é transmitido do gás quente para a superfície 
interna da parede do motor, pelos mecanismos de 
convecção e radiação em paralelo. O fluxo total de 
calor q, através da parede é 
 
( ) ( )
c r
c g i r g i
q q q
h A T T h A T T
= +
= - + -
Combinação dos mecanismos de 
transmissão de calor 
Tg = temperatura do gás quente 
Ti = temperatura da superfície interna da parede 
R1 = Resistência térmica efetiva 
Combinação dos mecanismos de 
transmissão de calor 
Nas paredes o calor, considerando um regime 
estacionário, é conduzido segundo a 
expressão 
 
 
 
 
Tss = temperatura da superfície da parede do lado do 
refrigerante 
R = resistência térmica da segunda seção 
 
 
( )
( )
k i ss
k i ss
i ss
kA
q q T T
L
K T T
T T
R
= = -
= -
-
=
Combinação dos mecanismos de 
transmissão de calor 
Após passar através da parede, o calor flui por 
convecção para o fluido refrigerante. 
Admitindo que a radiação, nesse caso, seja 
desprezível, o fluxo de calor nesta última 
etapa é: 
 
 
3
( )
c c r
q q h A Tss T
Tss T
R
= = -
-
=
Combinação dos mecanismos de 
transmissão de calor 
Sendo que 
T0 = temperatura do refrigerante 
R3 = resistência térmica na terceira seção do 
sistema. 
Combinação dos mecanismos de 
transmissão de calor 
Na prática, frequentemente só se conhece as 
temperaturas do gás quente e do refrigerante. 
As temperaturas intermediárias podem ser 
eliminadas pela adição algébrica das equações 
anteriores 
1 2 3
totalTq
R R R
D
=
+ +