Transferência de Calor e Massa Prof. Dr. Lucas Freitas Berti Engenharia de Materiais - UTFPR [email protected] 1 Aula 6 29/05/2013 Superfícies Estendidas e Condução Bidimensional Presença Cobrança da presença Transferência de Calor e Massa 3 Ementa Revisão A Parede Plana ▫ ▫ ▫ ▫ Distribuição de Temperaturas Resistência Térmica A Parede Composta Resistência de Contato Uma Análise Alternativa da Condução Sistemas Radiais ▫ O Cilindro ▫ A Esfera Resumo dos Resultados da Condução 1D Transferência de Calor e Massa 4 A Parede Plana Transferência de Calor e Massa 5 Transferência de calor através de uma placa plana (distribuição de temperaturas). Transferência de Calor e Massa 6 Distribuição de Temperaturas Em regime permanente, sem a presença de fontes ou sumidouros de energia no interior da parede, a forma apropriada da Equação do Calor é: d dT k 0 dx dx Para condução 1D em RP numa parede plana sem geração de calor, o fluxo térmico é uma constante, independente de x. Transferência de Calor e Massa 7 se k = cte, a equação pode ser integrada duas vezes, obtendo-se a solução geral, T x c1 x c2 As condições de contorno para este problema são: T 0 Ts ,1 T L Ts ,2 com isso, tem-se que Ts ,2 Ts ,1 c1 L c2 Ts ,1 Transferência de Calor e Massa 8 Substituindo na solução geral, a distribuição de temperaturas é T x Ts ,2 x Ts ,1 Ts ,1 L Para a condução 1D em RP numa parede plana sem geração de calor e condutividade térmica constante, a temperatura varia linearmente com x. Transferência de Calor e Massa 9 Utilizando a distribuição de temperaturas e a Lei de Fourier, tem-se que dT kA Ts ,1 Ts ,2 q x kA dx L q x qx k Ts ,1 Ts ,2 A L A taxa de transferência de calor por condução qx e o fluxo térmico q"x são constantes, independentes de x. 10 Transferência de Calor e Massa Procedimento Padrão para solução de problemas de condução. 1) Solução geral para a distribuição de temperaturas é obtida através da resolução da forma apropriada da Equação do Calor. 2) As condições de contorno são utilizadas para obtenção da solução particular 3) Lei de Fourier é utilizada para determinação da taxa de transferência de calor. Transferência de Calor e Massa 11 Resistência Térmica Caso especial da transferência de calor 1D sem geração interna de energia e com propriedades constantes. Analogia entre as difusões de calor e de carga elétrica. Da mesma forma que uma resistência elétrica está associada à condução de eletricidade, uma resistência térmica está associada à condução de calor. Definição: razão entre um potencial motriz e a correspondente taxa de transferência. Transferência de Calor e Massa 12 Resistência térmica para condução Rt ,cond Ts ,1 Ts ,2 L qx kA Resistência térmica para convecção Rt , conv Ts T 1 q hA Representações na forma de circuitos fornecem uma ferramenta útil tanto para a conceituação quanto para a quantificação de problemas da transferência de calor. Transferência de Calor e Massa 13 Circuito térmico equivalente para a parede plana com condições de convecção nas superfícies. qx T ,1 Ts ,1 1 h1 A Ts ,1 Ts ,2 Ts ,2 T ,2 L 1 kA h2 A qx pode ser determinada pela consideração em separado de cada elemento da rede (qx é constante ao longo da rede) Transferência de Calor e Massa 14 Em termos da diferença de temperatura global e da resistência térmica total, a taxa de transferência de calor pode ser representada por T ,1 T ,2 qx Rtot sendo que Rtot 1 L 1 h1 A kA h2 A Transferência de Calor e Massa 15 A troca radiante entre a superfície e a vizinhança pode, também, ser importante se h for pequeno. Resistência térmica para radiação Rt ,rad Ts Tviz 1 qrad hr A Nota: as resistências convectiva e radiante em uma superfície atuam em paralelo, e se T∞ = Tviz, elas podem ser combinadas para se obter uma resistência na superfície única e efetiva. Transferência de Calor e Massa 16 Parede Composta Circuito térmicos equivalentes podem ser utilizados em sistemas mais complexos, como, por exemplo, paredes compostas. Tais paredes possuem uma quantidade qualquer de resistências térmicas em série e em paralelo, devido à presença de camadas diferentes de materiais. Transferência de Calor e Massa 17 Circuito térmico equivalente para uma parede composta em série. Transferência de Calor e Massa 18 A taxa de transferência de calor 1D para esse sistema pode ser representada por qx T ,1 T ,4 R t sendo que 1 L A LB LC 1 Rt h1 A k A A k B A kC A h4 A Transferência de Calor e Massa 19 Alternativamente, a taxa de transferência de calor pode ser relacionada à diferença de temperaturas e à resistência térmica associadas a cada elemento. Por exemplo, qx T ,1 Ts ,1 1 h1 A Ts ,1 T2 T2 T3 LA LB kAA kB A Transferência de Calor e Massa 20 Em sistemas compostos, é conveniente definir um coeficiente global de transferência de calor, U, por uma expressão análoga à Lei de Resfriamento de Newton. q x UAT ou ainda, Rtot T 1 Rt q UA Transferência de Calor e Massa 21 As paredes compostas também podem ser caracterizadas por configurações série-paralelo. Embora nesse sistema o escoamento de calor seja multidimensional, é razoável a hipótese de condições 1D. Com base nesta hipótese, dois circuitos térmicos diferentes podem ser usados. Transferência de Calor e Massa 22 Circuito térmico equivalente para uma parede composta série-paralela: considerando que as superfícies normais à direção x sejam isotérmicas. Transferência de Calor e Massa 23 Circuito térmico equivalente para uma parede composta série-paralela: considerando que as superfícies paralelas à direção x sejam adiabáticas. Transferência de Calor e Massa 24 Resistência de Contato Rt,c Transferência de Calor e Massa TA TB q x 25 A existência de uma resistência de contato não-nula se deve principalmente aos efeitos da rugosidade da superfície. A transferência de calor é devida à condução através da área de contato real e à condução e/ou radiação através dos interstícios. Os resultados mais confiáveis para predizer R"t,c são aqueles que foram obtidos experimentalmente. Transferência de Calor e Massa 26 Transferência de Calor e Massa 27 Em muitas aplicações ocorre a transferência de calor em um meio saturado, i.e. meio poroso, que é uma combinação estacionária de fluido e um sólido. No capítulo 7 é estudado sobre leito fluidizado, onde um sólido estacionário é percolado por um fluido Transferência de Calor e Massa 28 Meio poroso Transferência de Calor e Massa 29 Meio poroso Transferência de Calor e Massa 30 Meio poroso Transferência de Calor e Massa 31 Meio poroso Transferência de Calor e Massa 32 Tanto keff,min e keff,max dão boas estimativas para meios onde efeitos de micro- e nanoescala são desprezíveis. Do contrário, a equação de Maxwell para é preferível para melhores valores: No entanto, ela é aplicável para meios com no máximo 0,25 de porosidade Transferência de Calor e Massa 33 Uma Análise Alternativa da Condução Transferência de Calor e Massa 34 Para condições de RP, sem geração de calor e sem perda de calor pelas superfícies laterais, a taxa de transferência de calor qx é necessariamente uma constante independente de x, ou seja, para qualquer elemento diferencial dx, qx = qx+dx . Essa condição é, obviamente, uma consequência da exigência da conservação da energia e deve ser válida mesmo que A(x) e k(T). Transferência de Calor e Massa 35 Um procedimento alternativo pode ser utilizado para as condições de interesse no momento. Transferência de Calor e Massa 36 Além disso, mesmo que a distribuição de temperaturas possa ser 2D, variando em função de x e y, com frequência é razoável desprezar a variação na direção y e supor uma distribuição 1D na direção x. Com isso, é possível trabalhar exclusivamente com a Lei de Fourier ao efetuar uma análise de condução. q x k T A x dT dx Transferência de Calor e Massa 37 Em particular, uma vez que a taxa condutiva é uma constante, a equação da taxa pode ser integrada, mesmo sem o prévio conhecimento de qx e de T(x). x qx x0 T dx k T dT Ax T0 Transferência de Calor e Massa 38 Sistemas Radiais Transferência de Calor e Massa 39 Com frequência, em sistemas cilíndricos e esféricos há gradientes de temperatura somente na direção radial, o que possibilita analisá-los como sistemas 1D. Além disso, em RP sem geração de calor, tais sistemas podem ser analisados pelo método padrão, que começa com a forma apropriada da Equação do Calor, ou pelo método alternativo, que começa com a forma apropriada da Lei de Fourier. Transferência de Calor e Massa 40 O Cilindro Cilindro oco com condições convectivas nas superfícies. Transferência de Calor e Massa 41 Distribuição de temperaturas ln r T r Ts ,1 Ts ,2 r2 Ts ,2 ln r1 r2 A distribuição de temperaturas associadas à condução radial através de uma parede cilíndrica é logarítmica, não linear. (Na parede plana sob as mesmas condições ela é linear). Transferência de Calor e Massa 42 Taxa de transferência de calor 2Lk Ts ,1 Ts ,2 qr lnr2 r1 Resistência térmica (condução radial) Rt , cond ln r2 r1 2Lk Transferência de Calor e Massa 43 Distribuição de temperaturas em uma parede cilíndrica composta. Transferência de Calor e Massa 44 Taxa de transferência de calor qr T ,1 T ,4 ln r2 r1 ln r3 r2 ln r4 r3 1 1 2 r1 Lh1 2Lk A 2Lk B 2LkC 2 r4 Lh4 Coeficiente global de transferência de calor T ,1 T ,4 qr UAT ,1 T ,4 Rtot U1 A1 U 2 A2 U 3 A3 U 4 A4 Transferência de Calor e Massa R 1 t 45 A Esfera Condução numa casca esférica. Transferência de Calor e Massa 46 Distribuição de temperaturas T r Ts ,2 1 r1 r Ts ,1 Ts ,1 1 r1 r2 Taxa de transferência de calor 4 k Ts ,1 Ts ,2 qr 1 r1 1 r2 Resistência térmica (condução casca esférica) Rt , cond 1 1 4 k r1 r2 1 Transferência de Calor e Massa 47 Esferas compostas podem ser tratadas da mesma forma que as paredes e os cilindros compostos, onde formas apropriadas da resistência total e do coeficiente global de transferência de calor podem ser determinadas. Transferência de Calor e Massa 48 Raio crítico de isolamento Transferência de Calor e Massa 49 Raio crítico de isolamento Transferência de Calor e Massa 50 Resumo dos Resultados da Condução 1D Transferência de Calor e Massa 51 T Ts ,1 Ts ,2 Transferência de Calor e Massa 52 Ementa Sumário da aula Transferência de Calor em Superfícies Estendidas ▫ Uma Análise Geral da Condução ▫ Aletas com Área de Seção Transversal Uniforme ▫ Desempenho de Aletas Condução Bidimensional ▫ Abordagens Alternativas ▫ O Método da Separação de Variáveis Transferência de Calor e Massa 53 Superfície estendida é um termo comumente utilizado para descrever um caso especial envolvendo a transferência de calor por condução no interior de um sólido e a transferência de calor por convecção (e/ou radiação) nas fronteiras do sólido. Numa superfície estendida, a direção da transferência de calor nas fronteiras é perpendicular à direção principal da transferência de calor no interior do sólido. Transferência de Calor e Massa 54 Transferência de Calor e Massa 55 Apesar de existirem muitas situações diferentes que envolvem tais efeitos combinados de condução/convecção, a aplicação mais frequente compreende da utilização de uma superfície estendida para, especificamente, aumentar a taxa de transferência de calor entre um sólido e um fluido adjacente. Tal superfície estendida é chamada de aleta. Transferência de Calor e Massa 56 Como aumentar q? Uso de aletas para melhorar a transferência de calor numa parede plana. (a) superfície sem aletas e (b) superfície aletada. Transferência de Calor e Massa 57 Exemplos de aplicação Transferência de Calor e Massa 58 Configurações de aleta Transferência de Calor e Massa 59 Em qualquer aplicação, a seleção de uma determinada configuração de aletas pode depender de considerações de espaço, de peso, de fabricação e custo, bem como da extensão na qual as aletas reduzem o coeficiente convectivo na superfície e aumentam a queda de pressão associada ao escoamento sobre as aletas. Transferência de Calor e Massa 60 Uma Análise Geral da Condução Como engenheiros, estamos principalmente interessados em conhecer a extensão na qual uma determinada superfície estendida ou um arranjo de aletas poderia melhorar a transferência de calor de uma superfície para o fluido adjacente. Transferência de Calor e Massa 61 Transferência de Calor e Massa 62 Hipóteses simplificadoras da análise: ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ Condições 1D na direção x Temperatura uniforme ao longo da espessura da aleta Regime permanente Propriedades termofísicas constantes Radiação na superfície desprezível Efeitos de geração de calor ausentes Coeficiente convectivo h uniforme ao longo da superfície Transferência de Calor e Massa 63 Aplicando a 1ª Lei da Termodinâmica no elemento diferencial tem-se que q x q xdx dqconv sendo que dT q x kAc dx dq x dT d dT q xdx q x dx dx kAc dx k dx Ac dx dx dqconv h dAs T T Transferência de Calor e Massa 64 Com isso, d 2T 1 dAc dT 1 h dAs T T 0 2 dx Ac dx dx Ac k dx Este resultado fornece uma forma geral da equação da energia para uma superfície estendida. Sua solução, com condições de contorno apropriadas, fornece a distribuição de temperaturas, que pode ser utilizada com a Lei de Fourier para calcular a taxa de transferência de calor por condução na direção x. Transferência de Calor e Massa 65 Aletas com Área de Seção Transversal (Ac) Uniforme T 0 Tb As Px Transferência de Calor e Massa 66 Com dAc 0 dx e dAs P dx , tem-se que d 2T hP T T 0 2 kAc dx Define-se uma temperatura de excesso θ como x T x T Transferência de Calor e Massa 67 E, consequentemente, tem-se que d 2 2 m 0 2 dx sendo que hP m kAc 2 Esta é uma equação diferencial de segunda ordem, linear e homogênea, com coeficientes constantes. Transferência de Calor e Massa 68 Sua solução geral tem a forma x c1e m x c2 e m x Para a determinação das constantes c1 e c2 é necessário especificar condições de contorno apropriadas. Transferência de Calor e Massa 69 Condições de Contorno Base da aleta (x = 0): θ (0) = Tb – T∞ ≡ θb Extremidade da aleta (x = L): ▫ ▫ ▫ ▫ Caso A: transferência de calor por convecção Caso B: adiabática Caso C: temperatura especificada Caso D: aleta infinita (mL ≥ 2,65) Transferência de Calor e Massa 70 Transferência de Calor e Massa 71 Transferência de Calor e Massa 72 Aleta de al, SS e Cu Cu = 8,3 W Al = 5,6W SS = 1,6W Transferência de Calor e Massa 73 Funções Hiperbólicas (Tabela B.1) Transferência de Calor e Massa 74 Desempenho de Aletas Efetividade da Aleta, εa : definida como a razão entre a taxa de transferência de calor da aleta e a taxa de transferência de calor que existiria sem a presença da aleta. qa a h AC ,b b sendo que AC,b é a área da seção transversal da aleta na sua base. Transferência de Calor e Massa 75 Em projetos de Engenharia, a utilização de aletas é justificada quando: a 2 Para qualquer uma das quatro condições na extremidade (Casos A, B, C e D), a efetividade de uma aleta de Ac uniforme pode ser obtida pela divisão da expressão apropriada de qa (Tab. 3.4) por h Ac,b θb. Transferência de Calor e Massa 76 Embora a instalação de aletas altere h na superfície, esse efeito é geralmente desprezado. Neste sentido, para a aproximação de aleta infinita (Caso D), tem-se que a kP hAC Note que se εa > 2 for usado como critério de projeto, tem-se que kP 4 hAC Transferência de Calor e Massa 77 Aletas com AC Não-Uniforme A análise do comportamento térmico de aletas torna-se mais complexa se a aleta possuir uma seção transversal não-uniforme. Nestes casos, as soluções da equação geral da aleta não são mais na forma de funções exponenciais simples ou funções hiperbólicas. Transferência de Calor e Massa 78 Aletas com AC Não-Uniforme Transferência de Calor e Massa 79 Como um caso particular, considere uma aleta anular com espessura uniforme t e com AC = 2πrt. Representando As = 2π(r2 – r12), a forma geral da equação da aleta reduz-se a d 2T 1 dAc dT 1 h dAs T T 0 2 dx Ac dx dx Ac k dx d 2T 1 dT 2h T T 0 2 dr r dr kt ou ainda, d 2 1 d 2 m 0 2 dr r dr Transferência de Calor e Massa 80 Essa expressão é uma Equação de Bessel Modificada de ordem zero e sua solução geral tem a forma r c1I 0 mr c2 K 0 mr sendo que I0 e K0 são funções de Bessel modificadas de ordem zero, de primeira e de segunda espécies, respectivamente. Transferência de Calor e Massa 81 Se a temperatura na base da aleta for especificada e uma extremidade adiabática (Caso B) for suposta, as constantes de integração podem ser determinadas para fornecer uma distribuição de temperaturas com a forma I 0 mr K1 mr2 K 0 mr I1 mr2 b I 0 mr1 K1 mr2 K 0 mr1 I1 mr2 sendo que I1 e K1 são funções de Bessel modificadas de primeira ordem, de primeira e de segunda espécies, respectivamente. Transferência de Calor e Massa 82 A taxa de transferência da aleta é qa 2 k r1 t b m K1 mr1 I1 mr2 I1 mr1 K1 mr2 K 0 mr1 I1 mr2 I 0 mr1 K1 mr2 com isso, a eficiência da aleta torna-se qa 2r1 K1 mr1 I1 mr2 I1 mr1 K1 mr2 a 2 2 h 2 r2 r1 b m r22 r12 K 0 mr1 I1 mr2 I 0 mr1 K1 mr2 Transferência de Calor e Massa 83 Tabela B.5 - Funções de Bessel Modificadas de Primeira e de Segunda Espécies. Transferência de Calor e Massa 84 Abordagens Alternativas Transferência de Calor e Massa 85 Condução bidimensional em regime permanente num sólido prismático longo. As linhas de fluxo de calor (fluxo térmico) são vetores perpendiculares, em qualquer ponto, às linhas de temperatura constante (isotermas). Transferência de Calor e Massa 86 Na análise de condução, há dois objetivos principais: Determinação da distribuição de temperaturas no meio, o que, para o presente problema (condução 2D em RP), significa a determinação de T(x,y) Determinação do fluxo térmico, neste caso, qx" e qy" Transferência de Calor e Massa 87 Estes objetivos são alcançados através da resolução da forma apropriada da Equação do Calor e da aplicação da Lei de Fourier. 2T 2T 0 2 2 x y Para tal, os métodos (abordagens) de solução são: ▫ Analíticos, ▫ Gráficos, ▫ Numéricos. Transferência de Calor e Massa 88 Os métodos analíticos fornecem resultados exatos em qualquer ponto. Os métodos gráficos e numéricos podem fornecer somente resultados aproximados para pontos discretos. Transferência de Calor e Massa 89 O Método da Separação de Variáveis Transferência de Calor e Massa 90 Para ilustrar a natureza e a importância das técnicas analíticas, uma solução exata para a Equação do Calor (condução 2D em RP) é apresentada utilizando o Método da Separação de Variáveis. Transferência de Calor e Massa 91 Nosso objetivo, é encontrar a distribuição de temperaturas T(x,y). Para simplificar a solução, tem-se que T T1 T2 T1 e, com isso, a Equação do Calor torna-se 2 2 0 2 2 x y Transferência de Calor e Massa 92 Como esta equação diferencial é de segunda ordem em x e y, duas condições de contorno são necessárias para cada uma das coordenadas. 0, y 0 e x,0 0 L, y 0 e x,W 1 Portanto, três das quatro condições de contorno são homogêneas e o valor de θ limitou-se ao intervalo de 0 a 1. Transferência de Calor e Massa 93 Aplica-se, então, a Técnica da Separação de Variáveis, considerando-se uma solução na forma de x, y X x Y y Com isso, 1 d2X 1 d 2Y 2 X dx Y dy 2 Fica evidente que a equação diferencial é, de fato, separável. Transferência de Calor e Massa 94 Desta forma, a igualdade se aplica em geral somente se ambos os lados forem iguais a uma mesma constante. Identificando esta constante de separação, até então desconhecida, por λ2, tem-se que d2X dx 2 d 2Y dy 2 2 X 0 2Y 0 E a EDP foi reduzida para duas EDO’s. Transferência de Calor e Massa 95 As soluções gerais para estas EDO’s são: X c1 cos x c2 senx Y c3e y c4 e y e, neste caso, a forma geral da solução bidimensional é c1 cos x c2 senx c3e y c4 e y Transferência de Calor e Massa 96 Aplicando-se a condição θ(0,y) = 0, fica evidente que c1 = 0 Em função da exigência de que θ(x,0) = 0, tem-se que c2 senx c3 c4 0 que somente pode ser satisfeita se c3 = – c4 Transferência de Calor e Massa 97 Aplicando-se a condição θ(L,y) = 0, obtém-se que c2c4 sen L e y e y 0 A única forma na qual essa condição pode ser satisfeita (e ainda possuir solução não-nula) é exigir que λ assuma valores discretos para os quais sen(λL) = 0. Para tal,esses valores são n L n = 1,2,3 ... Transferência de Calor e Massa 98 A solução desejada pode, então, ser expressa como n y L n c2 c4 sen x e L e n y L Combinando-se as constantes e admitindo que a nova constante pode depender de n, tem-se n n x senh y L L x, y cn sen Transferência de Calor e Massa 99 Portanto, existem um número infinito de soluções que satisfazem à equação diferencial e às condições de contorno. Contudo, como o problema é linear, uma solução mais geral pode ser obtida por uma superposição na forma n n x, y cn sen x senh y L L n 1 Transferência de Calor e Massa 100 Para determinação de cn utiliza-se a condição de contorno restante, θ(x,W) = 1. cn 2 1 n 1 1 nW n senh L n = 1,2,3 ... Transferência de Calor e Massa 101 Finalmente, a solução final é expressa na forma x, y 2 n senh y n 1 1 1 sen n x L n L senh nW L n 1 Esta expressão é uma série convergente, na qual o valor de θ pode ser determinado para qualquer x e y. Transferência de Calor e Massa 102 Transferência de Calor e Massa 103 Soluções exatas foram obtidas para muitas outras geometrias e condições de contorno, incluindo sistemas cilíndricos e esféricos. Tais soluções são apresentadas em livros especializados na transferência de calor por condução. ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ Schneider (1955) Carslaw & Jaeger (1959) Özisik (1980) Kakaç & Yener (1985) Poulikakos (1994) Transferência de Calor e Massa 104 Fonte Bibliográfica INCROPERA, F.P., DEWITT, D.P., BERGMAN, T.L. & LAVINE, A.S., 2008. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 643p. Transferência de Calor e Massa 105 3ª Lista de Exercícios Capítulo 4 (Incropera et al, 2008): 4.2, 4.3, 4.9, 4.10, 4.11, 4.15, 4S.1 Transferência de Calor e Massa 106