Introdução aos Processos de Troca de Calor

Introdução aos
Processos de Troca de Calor
Transferência de Calor e Massa I
Prof. Dr. Vicente Luiz Scalon
Termodinâmica x Transmissão de Calor :
Termodinâmica voltada para os processos
térmicos e principalmente para o balanço
energético e a possibilidade de conversão entre
calor e Trabalho.
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Transmissão de Calor: estuda a energia em
trânsito devido a diferença de temperaturas
●
Calor e sua História
●
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Grécia antiga: Heraclitus o filósofo do “fluxo
e fogo” e os três elementos.
1761 - Joseph Blake introduziu o conceito de
Calor Latente.
Thomas Newcommen e James Watt,
identificaram uma série de maneiras de
transformar trabalho em calor.
1797, Benjamin Thompson demonstrou ser
possível também converter trabalho em calor
(fricção)
Teorias sobre a
Transmissão de Calor
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Teoria do Phlogiston(1767): o calor estava
associado a um material chamado
“phlogiston”-a substância do calor, que era
liberado durante o processo de queima.
Teoria do Calórico(1770): o calor era uma
substância que fluia entre os corpos.
Primeira Lei da Termodinâmica(1850):
comtemplava o calor com uma forma de
energia e possibilitava a conversão entre
trabalho e calor.
Conceito de Temperatura
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Temperatura e energia
cinética das moléculas
Temperatura é
associada ao nível
energético da molécula
Movimento térmico de um segmento de proteína alpha-helix. As
moéculas tem varios graus de liberdade para se movimentarem tanto
na forma vibracional como rotacional.. (Fonte: Heat-Wikipedia, 2007)
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Mecanismos Físicos da
Transmissão de Calor
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Condução Térmica
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Convecção Térmica
●
Radiação Térmica
Condução de Calor
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Processo de
transferência através
da rede de ligações
moleculares
Os tipos de ligações
moleculares influem
muito no processo
de condução
Lei Geral da Condução
Cosiderando a taxa de transferência de calor por condução através de uma barra pode-se dizer que ele:
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T
q∝ A
L
●
é diretamente proporcional á diferença de
Temperaturas
é diretamente proporcional á Área A
é inversamente proporcional á distância L
Lei de Fourier
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A Lei Geral da Condução é também conhecida
como Lei de Fourier e é definida a partir da
proporcionalidade estabelecida anteriormente:
∂T
T
q=−k A
≈−k A
∂x
L
k é a condutividade térmica do material e
● o sinal negativo representa que o fluxo ocorre
sempre no sentido oposto do gradiente de
temperaturas.
●
Taxa de Transferêcia de
Calor e Fluxo de calor
●
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●
Taxa de transferência de calor: é a Transferência de energia total através de um determinado corpo e representado pela letra q
Fluxo de calor: é a Transferência de energia
por unidade de área através de um determinado corpo e representado pela letra q”
Assim:
q
q' '=
A
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Convecção Térmica
A Convecção Térmica é um fenômeno que
associa o processo de transferência de
calor da condução térmica com o
movimento de massa. Por conta disto, este
fenômeno ocorre EXCLUSIVAMENTE em
fluidos (líquidos e gases).
Formas da Convecção
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A convecção térmica é normalmende
subdividida em dois grandes grupos de
acordo com a força motriz do escoamento:
●
Convecção Forçada ou Advecção
●
Convecção Natural ou Convecção Livre
A combinação destas duas formas dá origem
ainda a um terceiro tipo:
●
Convecção Mista
Características Convecção
Forçada
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●
O movimento do fluido ocorre
alimentado por uma fonte
externa que independe do
processo de transferência de
calor.
Exemplos típicos
são ventilação
forçada e sistemas
com bombeamento
de fluidos.
Convecção Natural
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●
●
neste caso a movimentação
do fluido é provocada pela
própria variação de
densidade durante o
processo de troca de calor.
Exemplos clássicos são
a brisa marítima e a
formação da pluma em
torno de um cilindro
aquecido.
Convecção Mista
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●
●
quando para o
processo de troca de
calor tanto o
escoamento natural
como o forçado são
importantes.
Exemplo: a pluma do
caso anterior com
um escoamento
transversal
Convecção com
Mudança de Fase
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●
●
É um caso típico onde o
processo pode ocorrer
tanto através de uma
movimentação natural
como forçada do fluido,
mas deve ocorrer uma
transformação de fase
líquido-gás durante o
processo.
São exemplos típicos os
casos de condensadores,
evaporadores, caldeiras,
etc.
Lei Geral da Convecção
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A lei geral da convecção é também é uma
expressão empírica conhecida como Lei de
Resfriamento de Newton:
q=h⋅A⋅T s−T ∞ 
onde h é a constante de proporcionalidade
conhecida como coeficiente de película ou
coeficiente de transferência de calor por
convecção.
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Variação do h com o
mecanismo da convecção
e o tipo de fluido
Radiação Térmica
A radiação térmica apresenta características
peculiares sendo o processo de transferência
de calor seja caracterizado por:
o processo é de natureza eletromagnética e
portanto independe da presença de meio
material para o transporte de energia;
● todos os corpos a temperatura maior que 0K
emitem calor por radiação;
● troca líquida de calor somente ocorre se os
corpos estiverem a diferentes temperaturas.
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●
Princípios Básicos da Radiação
A quantidade de radiação de um corpo qualquer pode
ser calculada pela integral da distribuição de Planck:
4
−8
2
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E n = T  =5,67×10 W / m K
4
Constante de Stefan-Boltzman
Caso se trate de um corpo real, sua emissão é uma parcela do valor do corpo
negro, assim a sua emissão é dada por:
E= E n =  T
4
Emissividade – entre 0 e 1
Troca de Calor por
Radiação com um ambiente
Considerando G a radiação total presente no
ambiente tem-se:
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q
,,
rad
=E − G= E n − G
sendo a absortividade do material e,
para corpos cinzas:
Assim: q
,,
rad
4
=  T −  T
4
viz
,,
rad
=
ou
4
4
viz
q =  T −T 
Coeficiente de Troca de
Calor por Radiação
A equação anterior para a troca de calor entre
um corpo real e um ambiente pode ser
reescrita:
,,
rad
4
4
viz
2
2
viz
2
2
viz
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q =  T −T =  T T T −T 
ou ainda:
,,
rad
2
2
viz
q =  T T T T viz T −T viz 
Assim, definindo:
2
2
viz
h rad =  T T T T viz 
A expressão geral fica:
,,
rad
q =h rad T −T viz 
Lei da Conservação da Energia
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Tomando por base um Volume de Controle com
troca de Energia, tem-se:
Armazenada

Ė
A
Entrando
Saindo
Gerada
= 
Ė e − 
Ė s  
Ė G
Balanços Aplicados
●
Termo Transiente:
W expansão
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∂E ∂
∂H
∂T
Ė A=
= U  
P⋅V =
=⋅V⋅c p⋅
∂t ∂t
∂t
∂t
●
Entrada e Saída de Energia:
●
Energia Gerada: Ė G = q̇⋅V
Ė A= Ė e − Ė s  Ė G
{
Ė e =q e
Ė s =q s
∂T
⋅V⋅c p⋅ =qe −q s  q̇ V
∂t
Balanço Energético na
Superfície
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Tomando por base um Superfície de Controle
com troca de Energia, tem-se:
Entrando

Ė
e
q e =q s
Saindo
= 
Ė s
Procedimento de Solução de
Problemas
1. Levantamento dos dados e questionamentos
2. Fazer um esquema realístico
4. Utilizar equações físicas adequadas
5. Obter propriedades físicas
7. Considerações finais
Difícil
l
6. Realizar os cálculos necessários
Fá
ci
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3. Hipóteses necessárias
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Bibliografia
●
Incropera e Dewitt (2002)
●
Wikipedia – verbetes heat, conduction
●
http://www.ux1.eiu.edu/~cfadd/1150/13Heat/conv.html
●
http://www.energyinfonz.co.nz/home/KidsZone/Energybasics/HE.html
●
http://www.lenntech.com/boiler/boiler-feed-water.htm
●
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod6.html