Processos em Engenharia:

Sistemas Trmicos

Prof. Daniel Coutinhocoutinho@das.ufsc.br

Departamento de Automacao e Sistemas DASUniversidade Federal de Santa Catarina UFSC

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Sumrio

Introduo

Transferncia de Calor:

Conduo

Conveco

Radiao

Dispositivos para transmisso de calor

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Introduo - I

Calor a forma de energia na qual um sistema troca energiacom o meio ambiente, ou com outro sistema, em virtude dadiferena de temperatura.

Desta forma, a temperatura a varivel que permite medir acapacidade de um corpo transferir energia calrica.

Nas aulas introdutrias da disciplina, verificou-se que paraproduzir trabalho til geralmente necessrio transformaruma forma de energia em outra forma que seja maisfacilmente utilizvel.

Um caso tpico a gerao de energia eltrica a partir daqueima de combustvel (termeltrica).

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Introduo - II Por outro lado, em diversos processos, a prpria energia

trmica utilizada para produzir trabalho til.

Por exemplo, nos processos industriais onde reagentesdevem ser aquecidos (resfriados) a uma certa temperaturapara maximizar o rendimento de uma reao qumica.

Ressalta-se o papel da energia trmica nos processo deseparao de lquidos, onde se aproveita da diferena devolatilidades dos componentes individuais (coluna dedistilao).

A energia trmica geralmente obtida a partir da queima dede fontes no-renovveis.

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Transferncia de Calor - I Transferncia de calor a cincia que trata das velocidades

de intercmbio de calor entre corpos, quente e frio,chamados fonte e receptor.

Termodinmica a cincia que trata das transies ere-arranjos energticos em corpos de interesse (comocalor).

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Transferncia de Calor - II Apesar das quantidades de calor envolvidas num processo

de vaporizao de uma certa massa lquida e no inverso, acondensao da mesma massa de vapor do mesmo lquido,em idnticas condies de presso, bem mais difcil edemorado que o de vaporizao.

Em processos industriais projetados para viabilizar a trocatrmica entre fonte e receptor, busca-se na cincia detransferncia de calor obter as informaes necessriasrelativas s velocidades esperadas na troca de calor.

Existem trs mecanismos bsicos de transferncia de calor:conduo, conveco e radiao.

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Conduo - I Conducao

a transferncia de calor atravs de matria fixa tal como aparede estacionria na figura

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Conduo - II

A taxa de transferncia de calor por conduo expressamatematicamente pela equao de Laplace:

2T

x2+2T

y2+2T

z2=

1

T

t

onde a difuso trmica e x,y, z so as coordenadas noplano Cartesiano.

Em regime permanente a equao acima fica na forma:

2T

x2+2T

y2+2T

z2= 0

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Conduo - III Para uma conduo unidimensional (na coordenada x), a

quantidade de fluxo de calor (por conduo) dada pelaequao de Fourier:

dQ = kAdT

dx

onde k a condutividade trmica, A rea normal emrelao a xe dT/dx conhecido como gradiente trmico.

Integrando com relao a xleva a seguinte taxa detransferncia de calor:

Q = A

L

T2

T1

kdT

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Conduo - IV

Em regime permanente, a temperatura constante emrelao ao tempo e no existe acumulo de energia.

Se a condutividade trmica constante em relao atemperatura T , ento a taxa de transferncia de calor dadapor:

Q =A

L

(T1 T2

)

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Conveco - I Conveccao a transferncia de calor entre pores relativamente

quentes e frias de um fluido, por mistura.

A transferncia de calor por conveco caracterizada pela Leide Newton de resfriamento

dQ = hcAdt Q = hAT

onde hc o coeficiente de transferncia de calor (conveco).DAS 5101 - Aula 8 p.11/53

Conveco - II

A conveco geralmente est associada com a transfernciade calor entre uma massa de lquido sobre uma parede fixa.

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Radiao Radiacao a transferncia de energia radiante de uma

fonte a um receptor.

Quando radiao transferida de uma fonte a um receptorparte da energia absorvida pelo receptor e parte refletida.

Com base na segunda lei da termodinmica, a velocidade qual uma fonte libera calor por radiao dada por (Lei deStefan-Boltzmann):

dQ = (T 41 T 4

2

)dA Q = A

(T 41 T 4

2

)

onde = 5.667108 [W/m2K4] (constante de deStefan-Boltzmann) e a emissividade.

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Transferncia de Calor - III A disciplina Processos de Transferncia de Calor estuda as

velocidades de troca de calor, tal como elas ocorrem nosequipamentos de transferncia de calor.

Esta abordagem permite focalizar a importncia dadiferena de temperatura entre fonte e receptor, que afora motora pela qual a transferncia de calor realizada.

Um problema tpico dos processos de transferncia decalor, relaciona-se: (i) as quantidades de calor a seremtransferidas; (ii) as velocidades de transferncia dessasquantidades de calor; (iii) o potencial necessrio; e (iv) area e a forma da superfcie de separao entre fonte ereceptor.

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Exemplo: transferncia de calor

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Dispositivos para Transmisso de Calor - I

Existe uma grande variedade de dispositivos de transmissode calor, desde o aquecedor eltrico de um chuveiro at asgigantescas caldeiras das centrais trmicas.

A seguir, apresentam-se brevemente alguns equipamentosutilizados na transmisso de calor na indstria de processos.

Fatores importantes na classificao desses equipamentos:a) a forma de transmisso do calorb) a funoc) a tamanhod) a faixa de operaoe) a fases (estados) presentes, etc.

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Dispositivos para Transmisso de Calor - II

Classificao pela funo do dispositivo:

(i) Dispositivos de produo de vapor de gua a elevadapresso e temperatura para efeitos de aquecimento emoutros processos ou produo de fora motriz: Caldeiras.

(ii) Dispositivos de troca de calor sem mudana de fase:Trocadores de calor, que podem ser: lquido/lquido;lquido/gs e gs/gs.

(iii) Dispositivos de troca de fase: Condensadores eEvaporadores (fundamentalmente usados para aconcentrao de solues).(iv) Dispositivos de resfriamento (torres de resfriamento).

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Caldeiras - I Os dispositivos de produo de vapor so habitualmente denominados

caldeiras.

As caldeiras operam em condies de elevadas temperaturas e presses,portanto devem ser cuidadosamente projetadas para atender sespecificaes de funcionamento.

Durante a revoluo industrial, onde as mquinas e meios de transporte(trens e embarcaes) funcionavam impulsionadas por vapor produzidopor caldeiras, o desenho das caldeiras era artesanal e emprico, efreqentemente era motivo de acidentes graves.

Com o avano da tecnologia, existiu uma grande evoluo em relaoas propriedades dos materiais e de sua resistncia a esforos de pressoe temperatura.

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Caldeiras - II Classificaes:

a) uso: fora ou aquecimento,b) estacionarias (fixas) ou mveis (caldeiras marinhas ou locomotivas);c) presso de trabalho: baixa presso (< 1 kg/cm2, para calefao) oualta presso (at 350 kg/cm2, para gerao de fora)d) materiais de que so construdas (ao, ferro fundido, etc.)e) tamanhof) contedo dos tubos: aquotubulares (quando a gua circula pelostubos) ou de tubos de fumaa (quando o ar quente que circula pelostubos);g) sistema de aquecimento;h) sistema de circulao;

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Vapor dgua - I

O objetivo da caldeira consiste na transformao de guaem vapor, pela absoro de calor obtido (em geral) pelaqueima de combustvel.

Quando o calor fornecido a uma certa massa de gua presso constante, observa-se o aumento da temperatura dagua lquida at que se inicie o processo de vaporizao.

A partir deste ponto, no observada mudana detemperatura at que a vaporizao se complete, quando,ento, qualquer transferncia de calor adicional implicarno superaquecimento do vapor.

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Vapor dgua - II Processo de vaporizao da gua na presso atmosfrica:

Trecho 0 1 (0oC e 100oC): tem-se a gua no estado delquido sub resfriado. O calor fornecido denominado calorsensvel, pois utilizado somente no aquecimento da gua.

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Vapor dgua - III No ponto 1, a gua est na temperatura de saturao (100oC

a 1 atm) lquido saturado. A quantidade de calor necessria vaporizao total da

gua se denomina calor latente de vaporizao. Na pressode 1 atm, 1 kg de gua requer 539 kcal para se transformarem vapor.

Trecho 1 2: a gua est parcialmente vaporizada, ou seja,trata-se de uma mistura de lquido + vapor saturados.

No ponto 2, toda a gua se transformou em vapor,constituindo o vapor saturado seco, ou seja, sem a presenade gotculas de lquido.

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Vapor dgua - IV

Acima do ponto 2, o calor adicional fornecido usado noaumento da temperatura (calor sensvel), constituindo ovapor superaquecido.

A diferena entre a temperatura do vapor e a temperatura desaturao (ou vaporizao), na mesma presso, denominada de grau de superaquecimento (GSA) do vapor.

Quando a gua comea a vaporizar, o volume aumentamuito devido formao do vapor dgua.

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Vapor dgua - V Evoluo do volume da gua medida que a temperatura

aumentada, partindo do estado slido (ponto A):

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Vapor dgua - VI Pressao e Temperatura de Saturacao: Vaporizao em presses mais elevadas

A presso na qual a gua se vaporiza denominada pressaode saturacao, enquanto que a temperatura de vaporizao chamada de temperatura de saturacao.

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Caldeiras - III Classificao de caldeiras quanto a presso de operao:

1. Baixa presso (6 a 16 kgf/cm2)2. Mdia presso (22 a 39 kgf/cm2)3. Alta presso (60 kgf/cm2)

Classificao quanto a montagem:

1. Compactas ( embarcada pelo fornecedorcompletamente montada com: queimadores,ventiladores, controles e acessrios).

2. Montadas parcialmente no local3. Montadas totalmente no local

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Caldeiras Compactas - I A fonte primaria de energia era carvo ou madeira,

queimando na parte inferior do equipamento, para produzircalor que, por mecanismos de radiao (principalmente naregio da queima) e conveco, era transmitido gua queseria evaporada.

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Caldeiras Compactas - II

Caldeiras verticais: tubos de fumaa

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Caldeiras Flamotubulares - I Estas caldeiras caracterizam-se pela passagem dos gases

quentes por dentro de tubos, geralmente em trs passesantes de sarem para a chamin.

Todo este conjunto de tubos, por onde passam os gases estimerso na gua a ser vaporizada.

So empregadas para baixas presses (at 10 kg/cm2),baixas capacidades (at 15 t/ h) e onde possa ser utilizadovapor saturado (ttulo normal 80/90 % ).

So os equipamentos mais baratos, compactos e querequerem menos cuidados de operao e manuteno.

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Caldeiras Flamotubulares - II Exemplos e formas construtivas:

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Caldeiras Flamotubulares - III Exemplos de uma caldeira completa:

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Caldeiras Aquotubulares - I Estas caldeiras caracterizam-se pela combusto em uma

cmara denominada fornalha, enquanto a gua a servaporizada circula no interior de tubos que cobrem asparedes da fornalha.

Nos modernos projetos industriais, so usados, quasecompletamente, caldeiras tipo tubo de gua, dando ensejo,a que se produzam grandes quantidades de vapor e elevadaspresses e temperaturas.

A produo de vapor, nestes tipos de caldeiras atinge at750 toneladas vapor/hora com presses que j ultrapassam200 kg/cm2.

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Caldeiras Aquotubulares - II Essas caldeiras operam a partir do princpio natural de

circulao dgua.

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Caldeiras Aquotubulares - III Estruturas construtivas:

a) longitudinalb) cruzadoc) tubo de Bent

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Trocadores de Calor - I Trocadores de calor so equipamentos onde fonte e receptor participam

do processo de transferncia de calor atravs de uma superfcie deseparao, sem que haja mudana de estado de nenhum deles.

Eles podem ser classificados baseados em:a) confinamento, ou no, de ambos os fludos intervenientes;b) circulao por conveco natural ou forada para queles em que umdos fluidos no confinado;c) circulao em correntes paralelas, cruzadas, em contracorrente, ou,ainda, combinaes destas para dispositivos de mais de uma passada,quando ambos os fludos so confinados;d) forma e dimenso dos tubos nos trocadores de calor de carcassa(camisa) e tubos;e) nmero de passadas dos fludos de camisa e tubos (nmero de vezesque cada um dos fludos percorre o comprimento do trocador;f) tipo de fludos envolvidos (no-corrosivos, corrosivos,...), etc.

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Trocadores de Calor - II Trocador de camisa e tubos, em contracorrente, de uma passada nos

tubos e uma na camisa, com baffles para favorecer a troca trmica,com junta de expanso toroidal e cabeotes flutuantes para acomodardiferenas nos coeficientes de dilatao trmica dos distintos materiaiscomponentes do equipamento.

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Trocadores de Calor - III Arranjos de fluxo:

a) Paralelo: os dois fludos entram no trocador no mesmo ponto ecirculam em paralelo.

b) Contra-corrente: os fludos trafegam em fluxos perpendiculares.

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Trocadores de Calor - IV Trocador tubular: consiste de uma srie de tubos. Um conjunto desses

tubos contm o lquido a ser aquecido (ou resfriado). O segundoconjunto de tubos contm o lquido que circula atravs do primeiroconjunto de tubos.

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Trocadores de Calor - V Exemplos de tubos utilizados em trocadores tubulares:

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Trocadores de Calor - VI Trocador do tipo placa: consiste de mltiplas (finas e ligeiramente

separadas) placas que possuem um grande rea por onde passam oslquidos para transferncia de calor.

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Condensadores e Evaporadores - I

So trocadores de calor modificados para lidar com o fatode haver mudana de fase nos fludos intervenientes.

Ressalta-se que diferenas importantes de desenho sointroduzidas nos evaporadores onde o efeito desejado o deconcentrar solues.

Nestes casos os desenhos prestam especial ateno necessria separao dos vapores da soluo concentradaresultante.

Na prxima figura, apresenta-se um refervedor de tipomarmita, normalmente associado s colunas de destilao.

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Condensadores e Evaporadores - II Objetivo: evaporar a mistura lquida a ser separada. Para tal, usa-se

vapor de gua produzido por uma caldeira ingressando no dispositivopela entrada superior a esquerda, circulando pelos tubos em duaspassadas e saindo, condensado, pela parte inferior esquerda.

A alimentao da mistura a ser evaporada ingressa pela entrada inferiorao centro, sendo que o vapor produzido sai pela parte superior e oliquido em excesso sai pela parte inferior direita.

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Condensadores e Evaporadores - III Exemplo 2: evaporadores cuja misso a de concentrar solues

evaporando o dissolvente. Observar que a fonte de calor em ambos oscasos vapor de gua, circulando por fora dos tubos e cedendo calorlatente at condensar completamente, enquanto a soluo a serconcentrada ferve dentro dos tubos.

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Torres de resfriamento - I Quando um dado fludo, geralmente gua de resfriamento

(foi usada para resfriar e aqueceu), deve ser restitudo natureza, aconselhvel, por motivos ecolgicos, que suatemperatura seja prxima da do sistema receptor.

Para tal, utilizam-se torres de resfriamento onde o fluidopulverizado em fina chuva esfriado por contato comcorrente de ar ascendente (conveco devida ao gradientetrmico) a grande velocidade.

Defletores so utilizados nas torres de resfriamento paraorientar a corrente de ar ascendente e para reduzir aindamais o tamanho das gotas de gua descendente.

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Torres de resfriamento - II

Torre de resfriamento e detalhe dos defletores

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Medio de temperatura - I A temperatura uma grandeza fundamental em processos

trmicos.

Existem vrios mtodos e instrumentos disponveis paramedio de temperatura.

Os mais importantes so aqueles capacitados para atransmisso remota sem perda aprecivel no transporte e,consequentemente com maior exatido.

1. termopares

2. termmetros de resistncia

3. termstores

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Medio de temperatura - II Referncias de temperatura mais utilizadas:

0o C ponto de fuso da dgua

100o C ponto de ebulio dgua

273, 16o C zero absoluto

Elementos primrios de medio:

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Termopares - I

O termopar o elemento primrio mais utilizado namedio de temperatura em ambientes industriais.

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Termopares - II Existem vrias junes metlicas para termopares:

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Termopares - III Para uso em meio agressivo termopares e outros

dispositivos de medio so condicionados em jaquetasde material resistente que os protegem (entretanto, istodegrada a medio pela introduo de um materialintermedirio).

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Termoresistor - I O principio de medio repousa no fato que a resistncia eltrica de um

fio de metal puro varia proporcionalmente com a temperatura.

Exemplo: fio de platina

R(T2) = R(T1)[1 +A(T2 T1) +B(T2 T1)

2]= R(T1) [1 +A(T2 T1)]

onde A (no caso do fio de platina, 0, 392 102) e B (0, 588 106)so coeficientes que dependem do material, T1 uma temperaturaconhecida e T2 a temperatura que se deseja medir.

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Termoresistor - II Forma de utilizao: i = v/R, para v = cte, tem-se que R i.

Vantagens:

alta preciso boa sensibilidade no necessita de junta de compensao fria.

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Termstores Termstores so xidos metlicos (cobalto, nquel, mangans),

semicondutores, cuja resistncia diminui quando a temperaturaaumenta.

Os termstores tambm so chamados de Negative TemperatureCoefficient ou NTC.

Relao matemtica

R(T2) = R(T1)(1 +A(T )(T2 T1)

)

sendo A(T ) no linear (exponencial). Principais caractersticas: tamanho pequeno (resposta rpida), alto

coeficiente de temperatura, maior sensibilidade para quedas detemperatura, no necessita de correo de juno, baixo custo, nolinear, pouca estabilidade para temperaturas elevadas.

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large Sumriolarge Introduo - Ilarge Introduo - IIlarge Transferncia de Calor - Ilarge Transferncia de Calor - IIlarge Conduo - Ilarge Conduo - IIlarge Conduo - IIIlarge Conduo - IVlarge Conveco - Ilarge Conveco - IIlarge Radiaolarge Transferncia de Calor - IIIlarge Exemplo: transferncia de calorormalsize Dispositivos para Transmisso de Calor - Iormalsize Dispositivos para Transmisso de Calor - IIlarge Caldeiras - Ilarge Caldeiras - IIlarge Vapor d'gua - Ilarge Vapor d'gua - IIlarge Vapor d'gua - IIIlarge Vapor d'gua - IVlarge Vapor d'gua - Vlarge Vapor d'gua - VIlarge Caldeiras - IIIlarge Caldeiras Compactas - Ilarge Caldeiras Compactas - IIlarge Caldeiras Flamotubulares - Ilarge Caldeiras Flamotubulares - IIlarge Caldeiras Flamotubulares - IIIlarge Caldeiras Aquotubulares - Ilarge Caldeiras Aquotubulares - IIlarge Caldeiras Aquotubulares - IIIlarge Trocadores de Calor - Ilarge Trocadores de Calor - IIlarge Trocadores de Calor - IIIlarge Trocadores de Calor - IVlarge Trocadores de Calor - Vlarge Trocadores de Calor - VIlarge Condensadores e Evaporadores - Ilarge Condensadores e Evaporadores - IIlarge Condensadores e Evaporadores - IIIlarge Torres de resfriamento - Ilarge Torres de resfriamento - IIlarge Medio de temperatura - Ilarge Medio de temperatura - IIlarge Termopares - Ilarge Termopares - IIlarge Termopares - IIIlarge Termoresistor - Ilarge Termoresistor - IIlarge Termstores