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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.