ENG 3006 TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA 1o SEMESTRE
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ENG 3006 TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA 1o SEMESTRE DE 2017 CAPÍTULO 1 Introdução • Definições fundamentais • A 1a Lei da Termodinâmica • Algumas aplicações da transferência de calor • Mecanismos físicos Capítulo 1 Introdução • A ciência da transferência de calor considera a transferência de energia entre dois sistemas devido à diferença de temperatura entre eles. • Na Termodinâmica, a transferência de calor é considerada como uma das formas de interação energética entre dois sistemas, sendo o trabalho a outra forma. 1a Lei: DE = Ee – Es [J] • Contudo, as 1a e 2a Leis da Termodinâmica não estabelecem o problema de determinar a transferência de calor a partir do conhecimento das temperaturas e naturezas dos sistemas envolvidos. Capítulo 1 Introdução • Expressões para o cálculo da transferência de calor provêm de observações experimentais, sendo denominadas relações constitutivas. • Mecanismos da transferência de calor: - Condução - Convecção - Radiação • Algumas aplicações: - Ciclos de potência - Sistemas de refrigeração - Resfriamento de componentes eletrônicos - Tratamento térmico - Processo de fabricação Capítulo 1 Aplicações da Transferência de Calor: Ciclos de Potência (2) gerador de vapor turbina WT QH (3) QC (1) condensador bomba (4) Ciclo Rankine de Potência Capítulo 1 Aplicações da Transferência de Calor: Ciclos de Potência (Gerador de vapor) Gerador de vapor Capítulo 1 Aplicações da Transferência de Calor: Ciclos de Potência (Gerador de vapor) Capítulo 1 Aplicações da Transferência de Calor: Ciclos de Potência (Condensador) Capítulo 1 Aplicações da Transferência de Calor: Resfriamento de sistemas eletrônicos Placa de circuitos eletrônicos Capítulo 1 Aplicações da Transferência de Calor: Resfriamento de sistemas eletrônicos Elevação contínua na potência de operação dos chips Capítulo 1 Aplicações da Transferência de Calor: Resfriamento de sistemas eletrônicos Ciclo de resfriamento eletrônico a água Capítulo 1 Aplicações da Transferência de Calor: Resfriamento de sistemas eletrônicos Bloco de água Capítulo 1 Aplicações da Transferência de Calor: Resfriamento de sistemas eletrônicos Bloco de água montado na placa de circuitos Capítulo 1 Condução Térmica • Mecanismo pelo qual o calor é difundido através de um meio sólido, líquido e gasoso, o qual se encontra em repouso macroscópico. • Ponto de vista atômico-molecular: As partículas constituintes (elétrons, átomos ou moléculas) da matéria possuem liberdade para se movimentar. Este movimento, de natureza caótica, promove a transferência de calor. - Metais: transporte através de elétrons livres. - Gases: transporte através do movimento das moléculas. - Cristais: transporte através dos retículos que unem os átomos. Capítulo 1 Condução Térmica Condução através de uma camada de gás entre duas placas de vidro. Capítulo 1 Condução Térmica TH TC Condução através de uma placa 1D Capítulo 1 Condução Térmica Escala molecular TH TC Condução através de uma placa 1D Capítulo 1 Condução Térmica Escala molecular TH TC Condução através de uma placa 1D Capítulo 1 Condução Térmica Escala molecular TH TC Condução através de uma placa 1D Capítulo 1 Condução Térmica Escala molecular TH TC Condução através de uma placa 1D Capítulo 1 Condução Térmica T(x) TH TH Escala macroscópica DT = TH -TC TC L TC x L x Capítulo 1 Condução Térmica T(x) TH Escala macroscópica TH DT = TH -TC TC L '' qcd ,x x Fluxo de calor por condução (Lei de Fourier): TC x L '' qcd , x k T x x [W/m2] condutividade térmica [W/(mK)] Capítulo 1 Condução Térmica Taxa de calor por condução: TH DT qcd k A Dx qcd área transversal [m2] TC x L Simplificações: • problemas 1D • regime estacionário • k constante • sem geração de calor [W] Capítulo 1 Convecção Térmica • A transferência de calor por convecção combina dois mecanismos de transporte térmico: (1) condução, que ocorre na interface entre a superfície da parede e o fluido adjacente, que se encontra em repouso de acordo com a hipótese de não-deslizamento; e (2) advecção da energia térmica pelo fluido ao longo do escoamento. fluido advecção condução parede Capítulo 1 Convecção Térmica Trocador de calor de casco e tubos Capítulo 1 Convecção Térmica • Equação constitutiva: u, T qcv Ah(Ts T ) Ts Coeficiente de transferência de calor [W/(m2K)] • Para gases / vapor: • Convecção natural: h ~ 2-25 W/(m2·K) • Convecção forçada: h ~ 25-250 W/(m2·K) • Condensação: h ~ 2500-25000 W/(m2·K) Capítulo 1 Radiação Térmica • A radiação térmica não depende da presença de um meio material para o seu transporte. • A transferência de calor ocorre, neste caso, pela propagação de energia através de fótons ou ondas eletromagnéticas, como descrito pela teoria quântica. • A radiação eletromagnética relacionada à temperatura de um corpo encontra-se dentro da faixa de comprimento de onda variando de 0,1 a 100 mm. • A região espectral da radiação térmica inclui uma faixa da radiação ultravioleta e todas as faixas da luz visível e da radiação infravermelho. Absorção e espalhamento na atmosfera da radiação solar na região do visível Capítulo 1 Radiação Térmica Fornos de tratamento térmico a gás (esquerda) e por resistências elétricas (direita) Capítulo 1 Radiação Térmica • Troca radiante entre uma superfície e a vizinhança: - Taxa de calor emitido pela superfície (W): qe ATs4 - Taxa de calor absorvido pela superfície (W): qa ATviz4 - Taxa de calor radiante (W): qrd qe qa qe Ts Tviz qa Capítulo 1 Radiação Térmica • Troca radiante entre uma superfície e a vizinhança: - Taxa de calor emitido pela superfície (W): qe ATs4 - Taxa de calor absorvido pela superfície (W): qa ATviz4 - Taxa de calor radiante (W): qrd qe qa Tviz Ts qrd Capítulo 1 Radiação Térmica • Para superfícies cinzentas ( = ): - Taxa de calor radiante (W): 4 qrd A(Ts4 Tviz ) Tviz Ts qrd - Na forma linearizada: qrd Ahrd (Ts Tviz ) - Coeficiente de transferência de calor radiante: 2 hrd (Ts* Tviz )(Ts*2 Tviz ) 5, 67 108 W/(m 2 K 4 ) constante de Stefan-Boltzmann Capítulo 1 Radiação Térmica • Para superfícies não-cinzentas ( ≠ ): - Taxa de calor radiante (W): 4 qrd ATs4 ATviz Tviz Ts qrd - Na forma linearizada: 4 qrd 4 ATs*3Ts 3 ATs*4 ATviz onde Ts* é a temperatura estimada da superfície. Obs: A formulação acima pode ser também aplicada a superfícies cinzentas, normalmente acelerando a convergência. Capítulo 1 Balanço de Energia '' '' '' • Balanço de energia em superfícies: qcd qrd qcv qrd'' qcv'' Fronteiras do Sistema Sistema: Superfície qcd'' • Convenção de sinal para o fluxo de calor: comumente, mas não sempre, o fluxo é estipulado como positivo quando saindo da superfície. Capítulo 1 Unidades físicas – Comprimento: metro – Massa: kg – Tempo: s – Temperatura absoluta: K – Diferença de temperatura: K ou oC – Taxa de calor: W – Taxa de calor por unidade de comprimento: W/m (símbolo: q ') – Fluxo de calor: W/m2 (símbolo: q '') – Taxa de geração volumétrica de calor: W/m3 (símbolo: q ) (símbolo: q ) Capítulo 1 Estratégia de solução 1. Coleta de dados: informação disponível no enunciado; 2. Especificação do que se deve determinar; 3. Esquematização do processo; 4. Proposição das simplificações; 5. Obtenção das propriedades; 6. Formulação do problema; 7. Solução do problema; 8. Verificação numérica e das unidades; 9. Análise dos resultados.
