Embed Size (px)
Citation preview
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Introdução aos Processos de Troca de Calor
Termodinâmica x Transmissão de Calor :
●Termodinâmica voltada para os processos térmicos e principalmente para o balanço energético e a possibilidade de conversão entre calor e Trabalho.●Transmissão de Calor: estuda a energia em trânsito devido a diferença de temperaturas
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Calor e sua História
● Grécia antiga: Heraclitus o filósofo do “fluxo e fogo” e os três elementos.
● 1761 - Joseph Blake introduziu o conceito de Calor Latente.
● Thomas Newcommen e James Watt, identificaram uma série de maneiras de transformar trabalho em calor.
● 1797, Benjamin Thompson demonstrou ser possível também converter trabalho em calor (fricção)
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Teorias sobre a Transmissão de Calor
● Teoria do Phlogiston(1767): o calor estava associado a um material chamado “phlogiston”-a substância do calor, que era liberado durante o processo de queima.
● Teoria do Calórico(1770): o calor era uma substância que fluia entre os corpos.
● Primeira Lei da Termodinâmica(1850): comtemplava o calor com uma forma de energia e possibilitava a conversão entre trabalho e calor.
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Conceito de Temperatura
● Temperatura e energia cinética das moléculas
● Temperatura é associada ao nível energético da molécula
Movimento térmico de um segmento de proteína alpha-helix. As moéculas tem varios graus de liberdade para se movimentarem tanto na forma vibracional como rotacional.. (Fonte: Heat-Wikipedia, 2007)
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Mecanismos Físicos da Transmissão de Calor
● Condução Térmica
● Convecção Térmica
● Radiação Térmica
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Condução de Calor
● Processo de transferência através da rede de ligações moleculares
● Os tipos de ligações moleculares influem muito no processo de condução
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Lei Geral da Condução
● é diretamente propor-cional á diferença de Temperaturas
● é diretamente propor-cional á Área A
● é inversamente propor-cional á distância L
Cosiderando a taxa de transferência de calor por con-dução através de uma barra pode-se dizer que ele:
q∝A TL
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Lei de Fourier
A Lei Geral da Condução é também conhecida como Lei de Fourier e é definida a partir da proporcionalidade estabelecida anteriormente:
● k é a condutividade térmica do material e ● o sinal negativo representa que o fluxo ocorre sempre no sentido oposto do gradiente de temperaturas.
q=−k A∂T∂ x
≈−k A TL
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Taxa de Transferêcia de Calor e Fluxo de calor
● Taxa de transferência de calor: é a Trans-ferência de energia total através de um deter-minado corpo e representado pela letra q
● Fluxo de calor: é a Transferência de energia por unidade de área através de um deter-minado corpo e representado pela letra q”
Assim:
q ' '=qA
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Convecção Térmica
A Convecção Térmica é um fenômeno que associa o processo de transferência de calor da condução térmica com o movimento de massa. Por conta disto, este fenômeno ocorre EXCLUSIVAMENTE em fluidos (líquidos e gases).
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Formas da Convecção
A convecção térmica é normalmende subdividida em dois grandes grupos de acordo com a força motriz do escoamento:
● Convecção Forçada ou Advecção
● Convecção Natural ou Convecção Livre
● Convecção Mista
A combinação destas duas formas dá origem ainda a um terceiro tipo:
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Características Convecção Forçada
● O movimento do fluido ocorre alimentado por uma fonte externa que independe do processo de transferência de calor.
● Exemplos típicos são ventilação forçada e sistemas com bombeamento de fluidos.
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Convecção Natural
● Exemplos clássicos são a brisa marítima e a formação da pluma em torno de um cilindro aquecido.
● neste caso a movimentação do fluido é provocada pela própria variação de densidade durante o processo de troca de calor.
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Convecção Mista
● quando para o processo de troca de calor tanto o escoamento natural como o forçado são importantes.
● Exemplo: a pluma do caso anterior com um escoamento transversal
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Convecção com Mudança de Fase
● É um caso típico onde o processo pode ocorrer tanto através de uma movimentação natural como forçada do fluido, mas deve ocorrer uma transformação de fase líquido-gás durante o processo.
● São exemplos típicos os casos de condensadores, evaporadores, caldeiras, etc.
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Lei Geral da Convecção
A lei geral da convecção é também é uma expressão empírica conhecida como Lei de Resfriamento de Newton:
onde h é a constante de proporcionalidade conhecida como coeficiente de película ou coeficiente de transferência de calor por convecção.
q=h⋅A⋅T s−T ∞
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Variação do h com o mecanismo da convecção
e o tipo de fluido
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Radiação Térmica
A radiação térmica apresenta características peculiares sendo o processo de transferência de calor seja caracterizado por:
● o processo é de natureza eletromagnética e portanto independe da presença de meio material para o transporte de energia;● todos os corpos a temperatura maior que 0K emitem calor por radiação;● troca líquida de calor somente ocorre se os corpos estiverem a diferentes temperaturas.
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Princípios Básicos da Radiação
A quantidade de radiação de um corpo qualquer pode ser calculada pela integral da distribuição de Planck:
En= T 4=5,67×10−8W /m2K 4
Caso se trate de um corpo real, sua e-missão é uma parcela do valor do corpo negro, assim a sua emissão é dada por:
E=E n=T 4
Constante de Stefan-Boltzman
Emissividade – entre 0 e 1
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Troca de Calor por Radiação com um ambiente
Considerando G a radiação total presente no ambiente tem-se:
qrad, , =E−G= En−G
sendo a absortivi-dade do material e, para corpos cinzas:
=Assim: qrad
, , = T 4− T viz4 ou
qrad, , = T 4−T viz
4
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Coeficiente de Troca de Calor por Radiação
A equação anterior para a troca de calor entre um corpo real e um ambiente pode ser reescrita:qrad, , = T 4−T viz
4 = T 2T viz2 T 2−T viz
2 ou ainda:
qrad, , = T 2T viz
2 TT vizT−T viz
Assim, definindo:
hrad= T 2T viz2 TT viz
A expressão geral fica: qrad, , =hrad T−T viz
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Lei da Conservação da Energia
Tomando por base um Volume de Controle com troca de Energia, tem-se:
E AArmazenada
= E eEntrando
− E sSaindo
EGGerada
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Balanços Aplicados
● Termo Transiente:
E A=∂ E∂ t
=∂∂ t
UP⋅VW expansão
=∂H∂ t
=⋅V⋅c p⋅∂T∂ t
● Entrada e Saída de Energia: {E e=qeE s=q s
● Energia Gerada: EG=q⋅V
E A= E e− E s EG ⋅V⋅c p⋅∂T∂ t
=qe−qsqV
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Balanço Energético na Superfície
Tomando por base um Superfície de Controle com troca de Energia, tem-se:
E eEntrando
= E sSaindo
qe=qs
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Procedimento de Solução de Problemas
1. Levantamento dos dados e questionamentos
2. Fazer um esquema realístico
3. Hipóteses necessárias
4. Utilizar equações físicas adequadas
5. Obter propriedades físicas
6. Realizar os cálculos necessários
7. Considerações finais Fácil
Difí
cil
Tra
nsfe
rên
cia
de C
al o
r e M
assa I
Pro
f. D
r.
Vic
en
te L
ui z
Scalo
n
Bibliografia
● Incropera e Dewitt (2002)
● Wikipedia – verbetes heat, conduction
● http://www.ux1.eiu.edu/~cfadd/1150/13Heat/conv.html
● http://www.energyinfonz.co.nz/home/KidsZone/Energybasics/HE.html
● http://www.lenntech.com/boiler/boiler-feed-water.htm
● http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod6.html
