Produção e Transporte de Calor Centro Universitário Jorge Amado Curso: Engenharia de Petróleo...

Produção e Transporte de Calor

Centro Universitário Jorge AmadoCurso: Engenharia de PetróleoProf: 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

d Tq kA

d x=-

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

s m 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

tq

R

D=

Condução

Onde,

Representa a resistência térmica que a parede oferece ao fluxo de calor por condução

c

c

LR

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 A Ts=

Radiação

Sendo que

É a constante de Stefan Boltzmann

4 2 45, 6 7 0 4 0 1 0 /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 A T 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 = -

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 amarelada6000K o corpo emite luz com tonalidade do

branco intenso10000K 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 A F 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= DLei 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 transmissão de 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 quenteTi = temperatura da superfície interna da paredeR1 = 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 s s

k i s s

i s s

kAq q T T

LK 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 T ss T

T ss T

R

= = -

-=

Combinação dos mecanismos de transmissão de calor

Sendo queT0 = temperatura do refrigeranteR3 = 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

t o t a lTq

R R R

D=

+ +