Termodinâmica

Produção e Transporte de Calor
Centro Universitário Jorge Amado
Curso: Engenharia de Petróleo
Prof: Danilo Sá Teles
Produção e Transporte de
Calor
Introdução
Cronograma
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1ª Avaliação: 23 de setembro
- 2ª Chamada: 07 de outubro
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2ª Avaliação: 02 de dezembro
- 2ª Chamada: 09 de dezembro
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Resultados: 08 de dezembro
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Prova final: 16 de dezembro
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Resultados finais: 21 de dezembro
Conteúdo Programático
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Introdução à transmissão de Calor
Trocadores de Calor
Fornos Industriais
Torres de Resfriamento
Caldeiras
Refrigeração
Conteúdo Programático
• Introdução à transmissão de Calor
– Conceitos básicos
– Modos do fluxo de calor
– Leis fundamentais de transmissão de calor
– Combinação de mecanismos de transferência de
Calor.
– Analogia entre fluxo de calor e elétrico
E o que é Calor?
E o que é Calor?
Forma de energia; é transmitida
sempre que houver um gradiente
de temperatura no interior de um
sistema ou, entre dois corpos
próximos.
Calor e Termodinâmica
Com a termodinâmica trata-se da relação entre
calor e outras formas de energia.
Como todos os processos de transmissão de
calor envolvem a transferência e conversão de
energia, eles devem obedecer à primeira lei e
a segunda leis da termodinâmica
As Leis da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica:
Princípio da conservação da energia
DU = Q -W
A transferência de calor
Definida como a transferência de energia
através da fronteira de um sistema e
provocada exclusivamente pela diferença de
temperatura.
O calor e a Engenharia
Na industria petrolífera, é de grande
importância o estudo das aplicações
relacionadas com as trocas de energia. A
destilação, que é o processo de separação
básico usado em todas as refinarias, por
exemplo.
O calor e a Engenharia
Numa usina geradora de energia é justamente a
transferência de calor da fonte quente para
um fluido capaz de convertê-lo em trabalho.
Transmissão de calor: Objetivos
principais
1- Determinar a distribuição de temperatura
no interior do sistema e a velocidade de
transferência de calor em determinadas
condições operacionais
2- Determinar as condições operacionais
necessárias (dimensões, forma, vazões, etc.)
para se conseguir uma determinada
velocidade de transferência de calor ou uma
certa distribuição de temperaturas, ou ambas.
Modos do Fluxo de Calor
→ Condução
→ Convecção
→ radiação
Condução
A condução é um processo pelo qual o calor flui
de uma região de alta temperatura para outra
de temperatura mais baixa dentro de um meio
(sólido, líquido e gasoso).
Condução
A condução é um mecanismo pelo qual o calor
pode fluir nos sólidos opacos. Nos fluidos,
usualmente ela é combinada com a
convecção.
Radiação
A radiação é um processo pelo qual o calor flui,
entre corpos com diferentes temperaturas,
quando os mesmos estão separados no
espaço. A energia transmitida desta maneira é
chamada de Calor radiante.
Radiação
Todos os corpos emitem continuamente calor
radiante. A intensidade das emissões depende
da temperatura e da natureza da superfície.
Ela é transmitida por ondas eletromagnéticas.
Nos problemas de engenharia, envolvendo
baixas temperaturas, o calor radiante
frequentemente pode ser desprezado.
Radiação
Convecção
A convecção é um processo de transporte de
energia pela ação combinada da condução de
calor, armazenamento de energia e
movimento de mistura. A convecção é mais
importante como mecanismo de transferência
de energia entre uma superfície sólida e um
líquido ou um gás.
Convecção
Transmissão de calor no interior da
Terra
Transmissão de calor no interior da
Terra
Transferência de calor por
condução
Lei da condução de Fourier: O fluxo de calor por
condução depende:
→ k, condutividade térmica do material;
→ A, a área da seção através da qual o calor flui,
medida perpendicularmente à direção do
fluxo.
→ dT/dx, o gradiente de temperatura na seção,
i.e, a razão de variação da temperatura T com
a distância na direção do fluxo de calor x.
Condução
A equação elementar para a condução, através
de uma área finita Ax, é
dT
qc = -kAx
dx
(1)
(1) é conhecida como Lei de Fourier para a
condução.
Condução
Para consistência das unidades da eq (1), o
fluxo de calor qc é expresso em
Watt (onde, 1W = 1 J/s)
A condutibilidade ou condutividade térmica k
corresponde a propriedade do material e
indica a quantidade de calor que fluirá
através de uma área unitária, se o gradiente
de temperatura é unitário.
Condução
As unidades de k são
J
W
=
s.m.k m.k
Condução
Considerando um caso simples de fluxo de calor,
através de uma parede plana na qual o
gradiente de temperatura e o fluxo de calor
não variam com o tempo e a área da seção
transversal é uniforme, prove que:
Dt
qc =
Rc
Condução
Onde,
Representa a resistência térmica que a parede
oferece ao fluxo de calor por condução
Rc =
L
Ac
Condução
Condução
Radiação
Depende da temperatura absoluta e da
natureza da superfície.
Um irradiador perfeito, chamado de corpo
negro, emite energia radiante de sua
superfície à razão qr dada por
qr = s AT
4
(2)
Radiação
Sendo que
s = 5,67040x10 W / m k
-4
2 4
É a constante de Stefan Boltzmann
Radiação
Analisando-se a equação II, concluimos que
qualquer corpo negro com temperatura acima
do zero absoluto, emite calor radiante a uma
razão proporcional à quarta potência da
temperatura absoluta.
Radiação e Absorção
A taxa de radiação resultante de um corpo a
uma temperatura Te imerso em um ambiente
que está a uma temperatura tá é dada por
q = s AT - s AT
4
4
e ee a aa
(3)
Radiação e absorção
No caso de superfícies de um corpo que não é
negro e que absorvem menos que 100% da
energia radiante incidente
qr = s Ae (Te -Ta )
4
4
e representa a emissividade do corpo.
(4)
Espectro de radiação
A partir das equações apresentadas observamos
que a quantidade de radiação emitida por um
corpo aumenta muito rapidamente à medida
que sua temperatura aumenta. Além disso,
verifica-se que, o tipo de radiação também se
altera
Espectro de radiação
Até 1000 k → Radiação invisível
~2000K Radiação visível, com tonalidade do
emissor tornando-se avermelhada.
3000K corpo adquire tonalidade amarelada
6000K o corpo emite luz com tonalidade do
branco intenso
10000K a cor do corpo emissor torna-se azulada.
Radiação
Em alguns casos, somente parte da radiação
térmica que deixa a superfície Ae atinge a
superfície Aa
Com o restante da radiação sendo perdido
para a vizinhança.
Radiação
Este efeito geométrico explicita-se mediante o
fator de forma da radiação térmica F .
Então, a equação (3) pode ser reescrita como;
qr = s AFea (Te -Ta )
4
4
Radiação
Escrevendo o fluxo de calor utilizando uma
condutância térmica Kr
qr = K r (Te -Ta )
Onde
Kc = hr A
h é o coeficiente de transferência de calor radiante.
Convecção
A transmissão de calor por convecção entre uma
superfície e um fluido pode ser calculada pela
relação
qc = hc ADt
(5)
Lei de resfriamento de Newton
Convecção
Onde:
qc → fluxo de calor transferido por convecção
h → coeficiente médio de transferência de calor
Convecção
O valor numérico de h em um sistema depende
da geometria da superfície, das propriedades
do fluxo e da diferença de temperatura.
Convecção
Na convecção, a condução do calor e, em
alguns casos, a radiação têm um papel
importante.
Na prática, os processos de transferência de
calor, envolvem combinações de condução, de
radiação térmica e de convecção.
Combinação dos mecanismos de
transmissão de calor
O calor usualmente é transferido em etapas,
através de inúmeras seções diferentes,
conectadas em série, ocorrendo a
transmissão, frequentemente, por meio de
dois mecanismos e paralelo, para uma dada
seção no sistema.
Combinação dos mecanismos de
transmissão de calor
Em um foguete, por exemplo, os produtos da
combustão contém gases, tais como CO, CO2 e H2O
que emitem e absorvem radiação. Primeiramente o
calor é transmitido do gás quente para a superfície
interna da parede do motor, pelos mecanismos de
convecção e radiação em paralelo. O fluxo total de
calor q, através da parede é
q = qc + qr
= hc A(Tg - Ti ) + h rA (T g -T i )
Combinação dos mecanismos de
transmissão de calor
Tg = temperatura do gás quente
Ti = temperatura da superfície interna da parede
R1 = Resistência térmica efetiva
Combinação dos mecanismos de
transmissão de calor
Nas paredes o calor, considerando um regime
estacionário, é conduzido segundo a
expressão
kA
q = qk =
(Ti -T s s )
L
= K k (Ti - Ts s )
Ti - Ts s
=
R
Tss = temperatura da superfície da parede do lado do
refrigerante
R = resistência térmica da segunda seção
Combinação dos mecanismos de
transmissão de calor
Após passar através da parede, o calor flui por
convecção para o fluido refrigerante.
Admitindo que a radiação, nesse caso, seja
desprezível, o fluxo de calor nesta última
etapa é:
q = q c = hc A (Tss -T r )
Tss - T
=
R3
Combinação dos mecanismos de
transmissão de calor
Sendo que
T0 = temperatura do refrigerante
R3 = resistência térmica na terceira seção do
sistema.
Combinação dos mecanismos de
transmissão de calor
Na prática, frequentemente só se conhece as
temperaturas do gás quente e do refrigerante.
As temperaturas intermediárias podem ser
eliminadas pela adição algébrica das equações
anteriores
DTtotal
q=
R1 + R2 + R3