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INSTITUTO FEDERAL DE EDUC., CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIA CAMPUS LAURO DE FREITAS CURSO: TÉCNICO EM SISTEMAS DE ENERGIA RENOVÁVEL DISCIPLINA: 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

PROJETO E INSTALAÇÃO DE SISTEMA SOLAR ... - WordPress.com · 1.1. A lei de resfriamento de Newton. Considerando a transferência de calor que ocorre no contato de um fluido em movimento

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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

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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.

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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

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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.

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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

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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.

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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

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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:

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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

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PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

ConduçãoConvecção

Radiação

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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

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PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

1. Convecção:

Convecção

ar frio

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Condução

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

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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

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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

−=

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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

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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

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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

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Influência das cores na absorção da radiação:

Radiação

PROCESSOS DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

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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

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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

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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

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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

{}{}{}

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Equilíbrio Térmico

O equilíbrio térmico é quando dois corpos ou

substâncias, de temperaturas diferentes, são colocados

em contato e atingem a mesma temperatura.

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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;

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Equilíbrio Térmico

•Quandoas temperaturas forem iguais, cessará atroca de calor;

•A soma algébricado calor trocado é igual a zero

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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!!!