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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
37
Até a próxima aula!!!
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