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INSTITUTO FEDERAL DE EDUC., CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIACAMPUS LAURO DE FREITAS

CURSO: TÉCNICO EM SISTEMAS DE ENERGIA RENOVÁVELDISCIPLINA: PROJETO E INSTALAÇÃO DE SISTEMA SOLAR TÉRMICO

APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA E INTRODUÇÃO

Princípios da Transferência de Calor

Prof. Dr. Fagner Barbosa Ferraz

PROJETO E INSTALAÇÃO DE SISTEMA SOLAR TÉRMICO

INTRODUÇÃO

SISTEMA SOLAR TÉRMICO

A energia solar é a energia eletromagnética cuja fonte é o sol. Ela

pode ser transformada em energia térmica ou elétrica e aplicada

em diversos usos.

As duas principais formas de aproveitamento da energia solar são

a geração de energia elétrica e o aquecimento solar de água.

INTRODUÇÃO

SISTEMA SOLAR TÉRMICOEnergia solar térmica

Nestes sistemas, a energia é captada através de painéis solares

térmicos (coletores) e transferida para aquecer um fluido.

A energia solar térmica é normalmente usada para produzir água

quente para banho, aquecimento de ambientes ou processos

industriais. Reduzem em até 80% o consumo de energia relativo

ao aquecimento da água.

Vídeo

INTRODUÇÃO

SISTEMA SOLAR TÉRMICO

POSSIBILIDADES DE APROVEITAMENTO

En

erg

ia S

ola

r

•Aquecimento de ambientes

• Aquecimento de água

•Condicionamento de ar

•Refrigeração

•Evaporação

•Destilação

•Geradores de vapores de líquidos especiais

•Transformação em energia elétrica e mecânica

•Geradores de vapor d’água

•Fornos solares

A baixa temperatura (até

100oC)

A média temperatura

(até 1000oC)

A alta temperatura (além de 1000oC) mediante fornos solares parabólicos

INTRODUÇÃO

SISTEMA SOLAR TÉRMICO

Neste tipo de sistema o aproveitamento e as perdas

ocorrem através dos diversos tipos de transferência de

calor e de massa.

TEMPERATURA

É a medida da agitação das moléculas de

um corpo. É uma descrição quantitativa

para verificar se um corpo é quente ou frio.

Corpo quente:

maior agitação

Corpo frio:

menor agitação

Escalas termométricasEscala Celsius

É a escala usada no Brasil e na maior parte dos países. Esta escala

tem como pontos de referência a temperatura de congelamento da água

sob pressão normal (0 °C) e a temperatura de ebulição da água sob

pressão normal (100 °C).

Escala Fahrenheit

Utilizada, principalmente, nos países de língua inglesa. Tem como

referência a temperatura de uma mistura de gelo e cloreto de amônia (0

°F) e a temperatura do corpo humano (100 °F).

Escala Kelvin

Também conhecida como escala absoluta, tem como referência a

temperatura do menor estado de agitação de qualquer molécula (0 K) e é

calculada a partir da escala Celsius.

TERMOLOGIA:Escalas termométricas

Celsius(ºC)

100ºC

Fahrenheit(oF)

212ºFKelvin(K)

373,15 K

- 273,15ºC - 459,67ºF0 K

Ponto de

fusão do gelo

Rankine(R)

671,67 R

0R

0ºC 32ºF273,15 K 491,67 R

Zero

Absoluto

Ponto de

ebulição da

água

Relação entre as escalas

0oC 32oF273,15 K

Celsius(oC)

100oC

Fahrenheit(oF)

212oF

Kelvin(K)

373,15 K

Temperatura

qualquer

TC TFTK

491,67 R

Rankine(R)

671,67 R

TR

TC

5

TK 273.15−

5

TF 32−

9

TR 491.67−

9

TC 0−

100 0−

TK 273.15−

373.15 273.15−

TF 32−

212 32−

TR 491.67−

671.67 491.67−

Dividindo-se o

denominador

por 20:

1. (F.M.Pouso Alegre-MG) O termômetro Celsius marca 0 na

temperatura do gelo fundente e 100 na temperatura de ebulição

da água, sob pressão atmosférica. O termômetro Fahrenheit

marca 32 e 212, respectivamente, nessas temperaturas. Quando

o termômetro Celsius marcar 40°C, o Fahrenheit marcará:

a) 8 °F b) 72 °F c) 104 °F d) 132 °F e) 140 °F

2. (U.F. Uberlândia – MG) A temperatura normal do corpo humano é,

em média, de 36ºC. Se uma pessoa está com 39ºC, qual a sua

variação de temperatura na escala Kelvin?

a) 36 K b) 312 K c) 234 K d) 39 K e) 3 K

EXERCÍCIOS

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

ConduçãoConvecção

Radiação

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

1. Convecção:

No processo de convecção

quando resfriamos uma parte do

fluido, ele torna-se mais denso e

desce.

Ao mesmo tempo, seu lugar vai

sendo ocupado pelas camadas

menos densas, ou seja, mais

quentes, que estão abaixo dela.

Assim na convecção existe

transferência de calor e de

massa.

Convecção

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

1. Convecção:

Convecção

ar frio

1.1. A lei de resfriamento de NewtonConsiderando a transferência de calor que ocorre no contato de

um fluido em movimento e uma superfície de área A, quando os

dois se encontram a temperaturas diferentes, a equação que

descreve a taxa de transferência de calor convectiva é conhecida

como a lei do resfriamento de Newton e é dada por:

−=

fluidoT

erfícieTAhsup

onde:

•Φ – fluxo de calor convectivo, W;

•h – coeficiente de transferência de calor por convecção, W/m2.K;

•onde:

•A – área, m2.

Convecção

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Convecção

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Valores típico de coeficientes do transferência de calor

Processo h, W/(m2K)

Convecção natural

Gases 2 – 25

Líquidos 50 – 1.000

Convecção forçada

Gases 10 – 300

Líquidos 100 – 2.000

Condução

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Exercício: Um tubo metálico, com área de 2 m2, é resfriado pelo ar sob

convecção natural (h = 10 W/(m2K). A temperatura da superfície do

material possui inicialmente 120 graus Celsius e o ar se encontra

com 30 graus Celsius. Calcule o fluxo de calor convectivo.

−=

fluidoT

erfícieTAhsup

2. Condução:

Na condução o processo de

transferência de energia se

dá através da vibração das

moléculas.

Essa vibração ocorre sem

deslocamento das mesmas.

Uma molécula transmite

vibração para outra, na

medida que são submetidas

à variação de temperatura.

Assim na condução só existe

transferência de calor.

O ferro é bom condutor: o calor se

propaga rapidamente da extremidade B a

extremidade A.

Condução

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

2.1. Lei da Condução:

A quantidade de calor que atravessa

uma superfície pelo intervalo de

tempo depende da área da parede

A, da espessura e, da diferença de

temperatura (T2 – T1) e da natureza

do material que constitui a parede.

Para um dado material, a taxa de

transferência de calor é tanto maior

quanto maior a área A, quanto maior

a diferença de temperatura ∆T, e

quanto menor a espessura e.

O fluxo é diretamente

proporcional à área e à diferença

de temperatura, e inversamente

proporcional à espessura.

( )e

TTA12

−

Condução

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Lei de Fourier da Condução:

onde:

•Φ – fluxo de calor condutivo, W;

•k – constante de proporcionalidade e depende da natureza do

material, sendo denominada coeficiente de condutividade

térmica. Seu valor é elevado para os bons condutores como os

metais, e baixo para os isolantes térmicos. Unidade: W/m.K;

•A – área em m2;

•e – espessura da parede, em m.

( )e

TTAk 12

−=

Condução

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Condução

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Condução

Condutividade térmica de alguns

materiais

Material k, W/(m.K)

Cobre 401

Alumínio 240

Ferro 80,2

Aço (AISI 1010) 63,9

Aço inox (AISI 304) 14,9

Vidro 1,4

Tijolo, comum 0,72

Solo 0,52

Pele 0,50

Tijolo refratário (Si) 0,25

Ar 0,0263

Condução

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Exercício: Uma sala de estúdio é mantida à temperatura de 20 ºC e

encontra-se separada de uma sala vizinha, à temperatura ambiente de 30

ºC, por uma janela retangular de vidro, de 8,0 mm de espessura, 1,0 m de

altura por 1,5 m de largura. Sabendo que a condutividade térmica do vidro

é 0,80 W/m.K, qual é o fluxo de calor?

( )e

TTAk 12

−=

3. Radiação:

A radiação térmica é a energia

emitida por toda matéria que se

encontra a uma temperatura não-

nula.

A radiação é transportada por

meio de ondas eletromagnéticas.

Radiação

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

3. Radiação:Enquanto a transferência de calor por condução ou convecção

necessita de um meio material, a radiação não necessita dele.

Se propaga com mais eficiência no vácuo.

Radiação

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Velocidade:

Radiação

Exercício: As antenas das emissoras de rádio emitem ondaseletromagnéticas que se propagam na atmosfera com a velocidadeda luz (3,0 . 108 m/s) e com frequências que variam de uma estaçãopara a outra. A rádio CBN emite uma onda de frequência 90,5 MHz ecomprimento de onda aproximadamente igual a:

a) 2,8 m

b) 3,3 m

c) 4,2 m

d) 4,9 m

e) 5,2 m

Na Física, um corpo negro é um objeto hipotético que

absorve toda a radiação eletromagnética que nele incide:

nenhuma luz o atravessa e nem é refletida. Não tendo cor de

reflexão, não poderia ser visto, daí o nome corpo negro.

Um corpo negro ideal irradia energia na mesma taxa que a

absorve.

À medida que a temperatura aumenta algumas centenas de

graus Celsius, corpos negros começam a emitir radiação em

comprimentos de onda visíveis ao olho humano (pode ter cor

de emissão).

Radiação

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Um bom modelo de corpo negro são as estrelas, como o

Sol, no qual a radiação produzida em seu interior é

expelida para o universo e consequentemente aquece o

nosso planeta. A cor branca do Sol corresponde a uma

temperatura superficial da ordem de 5.750 K

Radiação

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Influência das cores na absorção da radiação:

Radiação

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

3. Radiação:

A taxa pela qual a energia radiante é emitida por

uma superfície (corpo negro) é chamada por

poder emissivo (E), que é expresso pela lei de

Stefan-Boltzmann:

Radiação

4sup

TE =onde:

•E – poder emissivo por unidade de área,W/m2;

•T – temperatura absoluta do corpo, K;

4281067,5

Km

W

−= (constante de proporcionalidade

de Stefan-Boltzmann)

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

O fluxo de calor emitido por um corpo real é

menor do que aquele emitido por um corpo

negro e é dado por:

Radiação

4sup

TE = onde:

•ɛ – emissividade do corpo e pode ter valores

entre 0 e 1. Essa propriedade fornece uma

medida da capacidade de emissão de energia

de uma superfície com relação ao corpo

negro. Depende do material da superfície e

de seu acabamento.

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Exercício: Considera um corpo negro que está a irradiar uma quantidade

de energia por unidade de tempo e por unidade de área de 200 W. Qual a

temperatura, em K, a que o corpo se encontra? ?

4sup

TE =

Radiação

Sensível: É o calor que quando fornecido a uma substância

ou cedido por ela, provoca apenas variação na sua

temperatura.

Q = m.cp.T

Latente: É o calor que quando fornecido a uma substância ou

cedido por ela, provoca uma mudança no seu estado físico

(mudança de fase) sem que varie a sua temperatura.

Q = m.LQ=quantidade de calor latente trocada

m=massa da substânciaL=calor latente específico

{}{}

Calor sensível e calor latente

Q=quantidade de calor sensível trocada

m=massa da substânciaΔT=T

f−T

i=var iação de temperatura

cp=calor específico da substância

{}{}{}

Equilíbrio Térmico

O equilíbrio térmico é quando dois corpos ou

substâncias, de temperaturas diferentes, são colocados

em contato e atingem a mesma temperatura.

Equilíbrio Térmico

• Sempre que houver diferença de temperaturaentredois corpos, haverá troca de calor;

•A quantidade de calor cedida por um corpo seráigual à quantidade de calor absorvida pelo outro;

•Ocalor cedido/recebido causará uma mudançanatemperaturados corpos;

Equilíbrio Térmico

•Quandoas temperaturas forem iguais, cessará atroca de calor;

•A soma algébricado calor trocado é igual a zero

Equilíbrio Térmico

EXERCÍCIO: Quando misturamos 1,0 kg de água (calorespecífico sensível = 1,0 cal/g°C) a 70°C com 2,0 kg deágua a 10°C, obtemos 3,0 kg de água a:

a) 10°Cb) 20°Cc) 30°Cd) 40°Ce) 50°C

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Até a próxima aula!!!