Transferência de Calor

Professora : Dra. Priscilla dos Santos Gaschi Leite

• Introdução à transferência de calor; • Introdução à condução; • Condução unidimensional em regime estacionário;• Condução bidimensional em regime estacionário;• Condução transiente; • Introdução à convecção; • Escoamento externo; • Escoamento interno; • Convecção forçada• Convecção natural;• Irradiação; • Trocadores de calor.

Ementa

Modos de transferência de calor

CONDUÇÃO CONVECÇÃO RADIAÇÃO

Condução: é a transferência de calor que ocorre através de ummeio estacionário, que pode ser um sólido ou um fluido (gás oulíquido), quando existir um gradiente de temperatura nesse meio.

Convecção: é a transferência de calor que ocorre entre umasuperfície e um fluido em movimento quando eles se encontramem temperaturas diferentes.

Radiação: É a energia emitida na forma de ondaseletromagnéticas por toda a matéria que se encontra a umatemperatura não-nula. Na ausência de um meio que seinterponha entre duas superfícies a diferentes temperaturasexiste transferência de calor líquida por radiação.

A condução e a convecção necessitam da presença devariações (gradientes) de temperaturas em um meiomaterial.

Embora a radiação térmica se origine da matéria, seutransporte não necessita de um meio material.

QUANTIDADE CONCEITO SÍMBOLO UNIDADETaxa de

Transferência de Calor

Energia térmica transferida por unidade de tempo q [W]

Fluxo de Calor

Energia térmica transferidapor unidade tempo e área(taxa de transferência de

calor por unidade de área)

q" [W/m²]

1 Watt = 1 J/s

Nesta disciplina, vamos quantificar os processos de transferênciade calor em termos de taxas de transferência de calor (q) e fluxo decalor (q”).

Fluxo térmico através de uma parede plana

Aplicação a uma situação unidimensional, condução em regimeestacionário através de uma parede plana de condutividade térmicaconstante:

dxdTkqx

q" fluxo de calor por condução [W/m²]k condutividade térmica (W/m.K)dT/dx gradiente de temperatura

Exercício 1: A parede de um forno industrial é construídaem tijolo refratário com 0,15m de espessura, cujacondutividade térmica é de 1,7 w/(m.k). Medidasefetuadas ao longo da operação em regime estacionáriorevelam temperaturas de 1400K e 1150K nas paredesinterna e externa, respectivamente. Qual é a taxa decalor perdida através de uma parede que mede 0,5m por1,2m?

Condução em gás, líquido e sólido

Convecção

A transferência de calor por convecção abrange dois

mecanismos. Além da transferência de calor devido ao

movimento aleatório molecular (difusão), a energia também é

transferida através do movimento global, ou macroscópico, do

fluido.

A transferência de calor por convecção ocorre entre um fluido

em movimento e uma superfície quando os dois se encontram a

diferentes temperaturas (desenvolvimento simultâneo das

camadas-limite fluidodinâmica e térmica).

Mecânica dos fluidos será importante na análise posterior da convecção

A transferência de calor por convecção pode ser

classificada de acordo com a natureza do escoamento:

Convecção forcada: escoamento causado por meios

externos (ventiladores, bombas..)

Convecção natural: escoamento é induzido por forcas de

empuxo (Variações de temperatura – variações de densidade)

• Lei do Resfriamento de Newton

q" é o fluxo de calor por convecção [W/m²]h é o coeficiente de transferência de calor por convecção [W/m².K]Ts é a temperatura da superfície [K]T∞ é a temperatura do fluido [K]

TThq s

O coeficiente de transferência de calor porconvecção, h, não é uma propriedade do fluido.Trata-se de um parâmetro determinadoexperimentalmente que depende de todasvariáveis que influenciam a convecção, tais como:

geometria da superfície, natureza do movimento do fluido propriedades do fluido velocidade do fluido.

Coeficiente de transferência de calor, h, no caso de convecção natural e forcada.

Radiação

Radiação térmica é a energia emitida pela matéria que seencontra a uma temperatura não-nula.

A energia do campo de radiação é transportada por ondaseletromagnéticas.

Em estudos de transferência de calor, estamos interessados naradiação térmica, que é a forma de radiação emitida peloscorpos por causa da temperatura. Ela difere de outras formas deradiação eletromagnética, como raios x, micro-ondas e ondasde radio e televisão

A transferência de calor em uma interface gás/superfíciepode envolve a emissão de radiação a partir da superfície eabsorção de radiação incidente da vizinhança (irradiação, G),além da convecção .

Radiação

E é o poder emissivo [W/m²]

ε é emissividade da superfície (0 ≤ ε ≤ 1)

En é o poder emissivo de um corpo negro (radiador ideal)

σ é a constante de Stefan-Boltzmann (=5,67.10–8 W/m²/K4)

Ts é a temperatura absoluta da superfície [K]

4sTEn

4sTE

Considerando os processos de transferência decalor por radiação na superfície, a radiação que éemitida pela superfície tem sua origem na energiatérmica da matéria..

GGabs

Gabs é a absorção da radiação incidente na superfície [W/m²]

α é a absortividade (0 ≤ α ≤ 1)

G é a irradiação [W/m²]

A radiação também pode incidir sobre umasuperfície a partir de sua vizinhança..

Vamos definir a taxa de radiação que incide sobre uma áreaunitária da superfície como irradiação, G.

Caso particular que ocorre com frequência é atroca por radiação entre uma superfície a Ts e umasuperfície isotérmica maior.

4vizTG

4vizabs TG

Se α = ε (superfície cinza)

Para este caso a irradiação pode ser aproximadapela emissão de um corpo negro a Tviz, assim..

4vizabs TG

essa expressão fornece a diferença entre a energiatérmica que é liberada devido a emissão de radiação eaquela que é ganha devida a absorção de radiação.

Fluxo líquido de transferência de calor por radiação:

44vizsrad TTq

44vizsrad TTq

Para um processo de transferência de calor conjugadoconvecção-radiação, tem-se que:

4 4conv rad s s vizq q q h A T T A T T

Mecanismos simultâneos de transferência de calor

Mencionamos que há trêsmecanismos de T. C., mas nem todospodem existir simultaneamente emum meio.

SólidoFluidoVácuo

Exercício 2- Uma tubulação de vapor d’ água semisolamento térmico atravessa uma sala na qual o ar eas paredes se encontram a 25°C. O diâmetro externodo tubo é de 70mm, a temperatura de sua superfície éde 200°C e esta superfície tem emissividade igual a0,8. Sendo o coeficiente de convecção natural dasuperfície para o ar de 15W/(m2.K), qual é a taxa decalor perdida pela superfície por unidade decomprimento do tubo?

Exercício 3- Considere a transferência de calorpermanente entre duas grandes placas paralelas comtemperaturas constantes T1= 300K e T2= 200K, queestão separadas por L=1cm. Assumindo as superfíciescomo corpos negros determinar a taxa de transferênciade calor entre as placas por unidade de área,assumindo o espaço entre as placas:a) Preenchido com ar atmosférico k=0,0219W/mK.b) Evacuadoc) Cheio com isolamento de poliuretano k=0,026W/mKd) Preenchido com um superisolante k=0,00002W/mK.