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INTRODUÇÃO À TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Eduardo Emery Cunha Quites Luiz Renato Bastos Lia
APRESENTAÇÃO
Este trabalho fornece aos alunos de transferência de calor os conceitos fundamentais básicos da mesma forma que são ministrados em sala de aula. Esta abordagem tem por objetivo permitir que os alunos se concentrem nas explanações dadas em aula, livrando-os da tarefa de reproduzir o que for escrito no quadro negro. Também estão incluídos diversos exercícios resolvidos e propostos cujas respostas encontram- se em apêndice ao final deste trabalho. Os exercícios aqui apresentados, em sua grande maioria, fizeram partes das provas ministradas durante os últimos anos. Nesta primeira edição desta apostila certamente estarão presentes erros e imperfeições. Entretanto, estamos certos de que os alunos nos auxiliarão apontado os erros, comentado e sugerindo, de forma que nas próximas edições este trabalho possa ser aperfeiçoado. Aproveitamos também para agradecer a todas as pessoas que de alguma forma contribuíram para a realização deste trabalho.
Eduardo Emery Cunha Quites Engenheiro Metalúrgico, M.Sc.
Luiz Renato Bastos Lia Engenheiro Químico, M. Sc. TRANSFERÊNCIA DE CALOR
1. INTRODUÇÃO
1.1. O QUE É e COMO SE PROCESSA?
Transferência de Calor (ou Calor) é energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura. Sempre que existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios ocorrerá transferência de calor. Por exemplo, se dois corpos a diferentes temperaturas são colocados em contato direto, como mostra a figura 1.1, ocorrera uma transferência de calor do corpo de temperatura mais elevada para o corpo de menor temperatura até que haja equivalência de temperatura entre eles. Dizemos que o sistema tende a atingir o equilíbrio térmico.
T 1 T 2 TT
Se T1 > T2 T1 > T > T
[ figura 1.1 ]
Está implícito na definição acima que um corpo nunca contém calor, mas calor é indentificado com tal quando cruza a fronteira de um sistema. O calor é portanto um fenômeno transitório, que cessa quando não existe mais uma diferença de temperatura. Os diferentes processos de transferência de calor são referidos como mecanismos de transferência de calor. Existem três mecanismos, que podem ser reconhecidos assim :
Quando a transferência de energia ocorrer em um meio estacionário , que pode ser um sólido ou um fluido, em virtude de um gradiente de temperatura, usamos o termo transferência de calor por condução. A figura 1.2 ilustra a transferência de calor por condução através de uma parede sólida submetida à uma diferença de temperatura entre suas faces.
[ figura 1.2 ]
Quando a transferência de energia ocorrer entre uma superfície e um fluido em movimento em virtude da diferença de temperatura entre eles, usamos o termo transferência de calor por convecção. A figura 1.3 ilustra a transferência de calor de calor por convecção quando um fluido escoa sobre uma placa aquecida.
Quando, na ausência de um meio interveniente , existe uma troca líquida de energia (emitida na forma de ondas eletromagnéticas) entre duas superfícies a diferentes temperaturas, usamos o termo radiação. A figura 1.4 ilustra a transferência de calor por radiação entre duas superfícies a diferentes temperaturas.
[ figura 1.3 ]
[ figura 1.4 ]
1.2. RELAÇÃO ENTRE A TRANSFERÊNCIA DE CALOR E A TERMODINÂMICA
Termodinâmica trata da relação entre o calor e as outras formas de energia. A energia pode ser transferida através de interações entre o sistema e suas vizinhanças. Estas interações são denominadas calor e trabalho.
A 1ª Lei da Termodinâmica governa quantitativamente estas interações
A 1ª Lei da Termodinâmica pode ser enunciada assim : "A variação líquida de energia de um sistema é sempre igual a transferência líquida de energia na forma de calor e trabalho".
A 2ª Lei da Termodinâmica aponta a direção destas interações
A 2ª Lei da Termodinâmica pode ser enunciada assim : "É impossível o processo cujo único resultado seja a transferência líquida de calor de um região fria para uma região quente".
Porém existe uma diferença fundamental entre a transferência de calor e a termodinâmica. Embora a termodinâmica trate das interações do calor e o papel que ele desempenha na primeira e na segunda leis, ela não leva em conta nem o mecanismo de transferência nem os métodos de cálculo da taxa de transferência de calor. A termodinâmica trata com estados de equilíbrio da matéria onde inexiste gradientes de temperatura. Embora a termodinâmica possa ser usada para determinar a quantidade de energia requerida na forma de calor para um sistema passar de um estado de equilíbrio para outro, ela não pode quantificar a taxa (velocidade) na qual a transferência do calor ocorre. A disciplina de transferência de calor procura fazer aquilo o que a termodinâmica é inerentemente incapaz de fazer.
1.3. RELEVÂNCIA DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR
A transferência de calor é fundamental para todos os ramos da engenharia. Assim como o engenheiro mecânico enfrenta problemas de refrigeração de motores, de ventilação, ar condicionado, etc., o engenheiro metalúrgico não pode dispensar a transferência de calor nos problemas relacionados aos processos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos, ou no projeto de fornos, regeneradores, conversores, etc. Em nível idêntico, o engenheiro químico ou nuclear necessita da mesma ciência em estudos sobre evaporação , condensação ou em trabalhos em refinarias e reatores, enquanto o eletricista e o eletrônico a utiliza no cálculo de transformadores e geradores e dissipadores de calor em microeletrônica e o engenheiro naval aplica em profundidade a transferência de calor em caldeiras, máquinas térmicas, etc. Até mesmo o engenheiro civil e o arquiteto sentem a importância de, em seus projetos, preverem o isolamento térmico adequado que garanta o conforto dos ambientes. Como visto, a transferência de calor é importante para a maioria de problemas industriais e ambientais. Como exemplo de aplicação, consideremos a vital área de produção e conversão de energia :
2.1. CONDUÇÃO
A condução pode se definida como o processo pelo qual a energia é transferida de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa dentro de um meio (sólido, líquido ou gasoso) ou entre meios diferentes em contato direto. Este mecanismo pode ser visualizado como a transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas menos energéticas de uma substância devido a interações entre elas. O mecanismo da condução pode ser mais facilmente entendido considerando, como exemplo, um gás submetido a uma diferença de temperatura. A figura 2.1 mostra um gás entre duas placas a diferentes temperaturas :
[ figura 2.1 ]
- O gás ocupa o espaço entre 2 superfícies (1) e (2) mantidas a diferentes temperaturas de modo que T1 > T2 (o gás não tem movimento macroscópico);
- Como altas temperaturas estão associadas com energias moleculares mais elevadas, as moléculas próximas à superfície são mais energéticas (movimentam-se mais rápido);
- O plano hipotético X é constantemente atravessado por moléculas de cima e de baixo. Entretanto, as moléculas de cima estão associadas com mais energia que as de baixo.
Portanto existe uma transferência líquida de energia de (1) para (2) por condução
Para os líquidos o processo é basicamente o mesmo, embora as moléculas estejam menos espaçadas e as interações sejam mais fortes e mais freqüentes. Para os sólidos existem basicamente dois processos ( ambos bastante complexos ) :
sólido mau condutor de calor : ondas de vibração da estrutura cristalina sólido bom condutor de calor: movimento dos eletrons livres e vibração da estrutura cristalina.
2.2. CONVECÇÃO
A convecção pode ser definida como o processo pelo qual energia é transferida das porções quentes para as porções frias de um fluido através da ação combinada de : condução de calor, armazenamento de energia e movimento de mistura. O mecanismo da convecção pode ser mais facilmente entendido considerando, por exemplo, um circuito impresso (chip) sendo refrigerado (ar ventilado), como mostra a figura 2.2 :
[ figura 2.2 ]
- A velocidade da camada de ar próxima à superfície é muito baixa em razão das forças viscosas ( atrito ).
- Nesta região o calor é transferido por condução. Ocorre portanto um armazenamento de energia pelas partículas presentes nesta região.
- Na medida que estas partículas passam para a região de alta velocidade, elas são carreadas pelo fluxo transferindo calor para as partículas mais frias.
No caso acima dizemos que a convecção foi forçada, pois o movimento de mistura foi induzido por um agente externo, no caso um ventilador.
Suponhamos que o ventilador seja retirado. Neste caso, as partículas que estão próximas à superfície continuam recebendo calor por condução e armazenando a energia. Estas partículas tem sua temperatura elevada e, portanto a densidade reduzida. Já que são mais leves elas sobem trocando calor com as partículas mais frias (e mais pesadas) que descem.
Neste caso dizemos que a convecção é natural (é óbvio que no primeiro caso a quantidade de calor transferido é maior).
Um exemplo bastante conhecido de convecção natural é o aquecimento de água em uma panela doméstica como mostrado na figura 2.3. Para este caso, o movimento das moléculas de água pode ser observado visualmente.
[ figura 2.3 ]
2.3. RADIAÇÃO
A radiação pode se definida como o processo pelo qual calor é transferido de um superfície em alta temperatura para um superfície em temperatura mais baixa quando tais superfícies estão separados no espaço, ainda que exista vácuo entre elas. A energia assim transferida é chamada radiação térmica e é feita sob a forma de ondas eletromagnéticas.
[ figura 2.4 ] q1 : convecção natural entre o café e a parede do frasco plástico q2 : condução através da parede do frasco plástico q3 : convecção natural do frasco para o ar q4 : convecção natural do ar para a capa plástica q5 : radiação entre as superfícies externa do frasco e interna da capa plástica q6 : condução através da capa plástica q7 : convecção natural da capa plástica para o ar ambiente q8 : radiação entre a superfície externa da capa e as vizinhanças
Melhorias estão associadas com (1) uso de superfícies aluminizadas ( baixa emissividade ) para o frasco e a capa de modo a reduzir a radiação e (2) evacuação do espaço com ar para reduzir a convecção natural.
2.5. REGIMES DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
O conceito de regime de transferência de calor pode ser melhor entendido através de exemplos. Analisemos, por exemplo, a transferência de calor através da parede de uma estufa qualquer. Consideremos duas situações : operação normal e desligamento ou religamento. Durante a operação normal, enquanto a estufa estiver ligada a temperatura na superfície interna da parede não varia. Se a temperatura ambiente externa não varia significativamente, a temperatura da superfície externa também é constante. Sob estas condições a quantidade de calor transferida para fora é constante e o perfil de temperatura ao longo da parede, mostrado na figura 2.5.(a), não varia. Neste caso, dizemos que estamos no regime permanente.
[ figura 2.5 ] Na outra situação consideremos, por exemplo, o desligamento. Quando a estufa é desligada a temperatura na superfície interna diminui gradativamente, de modo que o perfil de temperatura varia com o tempo, como pode ser visto da figura 2.5.(b). Como consequência, a quantidade de calor transferida para fora é cada vez menor. Portanto, a temperatura em cada ponto da parede varia. Neste caso, dizemos que estamos no regime transiente. Os problemas de fluxo de calor em regime transiente são mais complexos. Entretanto, a maioria dos problemas de transferência de calor são ou podem ser tratados como regime permanente.
2.6. SISTEMAS DE UNIDADES
As dimensões fundamentais são quatro : tempo, comprimento, massa e temperatura. Unidades são meios de expressar numericamente as dimensões. Apesar de ter sido adotado internacionalmente o sistema métrico de unidades denominado sistema internacional (S.I.), o sistema inglês e o sistema prático métrico ainda são amplamente utilizados em todo o mundo. Na tabela 2.1 estão as unidades fundamentais para os três sistemas citados :
Tabela 2.1 - Unidades fundamentais dos sistemas de unidades mais comuns
SISTEMA TEMPO, t COMPRIMENTO,L MASSA ,m TEMPERATURA S.I. segundo,s metro,m quilograma,kg Kelvin,k INGLÊS segundo,s pé,ft libra-massa,lb Farenheit,oF MÉTRICO segundo,s metro,m quilograma,kg celsius,oC Unidades derivadas mais importantes para a transferência de calor, mostradas na tabela 2.2, são obtidas por meio de definições relacionadas a leis ou fenômenos físicos :
Lei de Newton : Força é igual ao produto de massa por aceleração ( F = m.a ), então :
1 Newton ( N ) é a força que acelera a massa de 1 Kg a 1 m/s
Trabalho ( Energia ) tem as dimensões do produto da força pela distância ( = F.x ), então :
1 Joule ( J ) é a energia dispendida por uma força de 1 N em 1 m
Potência tem dimensão de trabalho na unidade de tempo ( P = / t ), então :
1 Watt ( W ) é a potência dissipada por uma força de 1 J em 1 s
Tabela 2.2 - Unidades derivadas dos sistemas de unidades mais comuns
SISTEMA FORÇA,F ENEGIA,E POTÊNCIA,P
A , área da seção através da qual o calor flui por condução, medida perpendicularmente à direção do fluxo ( m2); , gradiente de temperatura na seção, isto é, a razão de variação da temperatura T com a distância, na direção x do fluxo de calor ( oC/h ) ."
A razão do sinal menos na equação de Fourier é que a direção do aumento da distância x deve ser a direção do fluxo de calor positivo ( figura 3.3 ). Como o calor flui do ponto de temperatura mais alta para o de temperatura mais baixa (gradiente negativo), o fluxo só será positivo quando o gradiente for positivo (multiplicado por -1). [ figura 3.3 ]
O fator de proporcionalidade k ( condutividade térmica ) que surge da equação de Fourier é uma propriedade de cada material e vem exprimir a maior ou menor facilidade que um material apresenta à condução de calor. Sua unidade é facilmente obtida da própria equação de Fourier ( equação 3.2 ), por exemplo no sistema prático métrico temos :
eq. 3.
Os valores numéricos de k variam em extensa faixa dependendo da constituição química, estado físico e temperatura dos materiais. Quando o valor de k é elevado o material é considerado condutor térmico e, caso contrário, isolante térmico. Com relação à temperatura, em alguns materiais como o alumínio e o cobre, o k varia muito pouco com a temperatura, porém em outros, como alguns aços, o k varia significativamente com a temperatura. Nestes casos, adota-se como solução de engenharia um valor médio de k em um intervalo de temperatura. A variação da condutividade térmica ( no S.I. ) com a temperatura é mostrada na figura 3.4 para algumas substâncias.
[ figura 3.4 ]
3.2. CONDUÇÃO DE CALOR EM UMA PAREDE PLANA
Consideremos a transferência de calor por condução através de uma parede plana submetida a uma diferença de temperatura. Ou seja, submetida a uma fonte de calor , de temperatura constante e conhecida, de um lado, e a um sorvedouro de calor do outro lado, também de temperatura constante e conhecida. Um bom exemplo disto é a transferência de calor através da parede de um forno, como pode ser visto na figura 3.5, que tem espessura L , área transversal A e foi construído com material de condutividade térmica k. Do lado de dentro a fonte de calor mantém a temperatura na superfície interna da parede constante e igual a T1 e externamente o sorvedouro de calor ( meio ambiente ) faz com que a superfície externa permaneça igual a T.
[ figura 3.5 ] Aplicado a equação de Fourier, tem-se:
Fazendo a separação de variáveis, obtemos :
( eq. 3.4 ) Na figura 3.5 vemos que na face interna ( x=0 ) a temperatura é T1 e na face externa ( x=L ) a temperatura é T2. Para a transferência em regime permanente o calor transferido não varia com o tempo. Como a área transversal da parede é uniforme e a condutividade k é um valor médio, a integração da equação 3.4, entre os limites que podem ser verificados na figura 3.5, fica assim :
( eq. 3.5 )
Considerando que ( T1 - T2 ) é a diferença de temperatura entre as faces da parede ( T ), o fluxo de calor a que atravessa a parede plana por condução é :
( eq. 3.6 )
Para melhor entender o significado da equação 3.6 consideremos um exemplo prático. Suponhamos que o engenheiro responsável pela operação de um forno necessita reduzir as perdas térmicas pela parede de um forno por razões econômicas. Considerando a equação 3.6, o engenheiro tem, por exemplo, as opções listadas na tabela 3.1 :
Tabela 3.1- Possibilidades para redução de fluxo de calor em uma parede plana.
OBJETIVO VARIÁVEL AÇÃO
k↓ trocar a parede por outra de menor condutividade térmica ↓ A↓ reduzir a área superficial do forno L↑ aumentar a espessura da parede ∆T↑ reduzir a temperatura interna do forno
Trocar a parede ou reduzir a temperatura interna podem ações de difícil implementação; porém, a colocação de isolamento térmico sobre a parede cumpre ao mesmo tempo as ações de redução da condutividade térmica e aumento de espessura da parede.
3.3. ANALOGIA ENTRE RESISTÊNCIA TÉRMICA E RESISTÊNCIA ELÉTRICA
Dois sistemas são análogos quando eles obedecem a equações semelhantes. Isto significa que a equação de descrição de um sistema pode ser transformada em uma equação para outro sistema pela simples troca dos símbolos das variáveis. Por exemplo, a equação 3.6 que fornece o fluxo de calor através de uma parede plana pode ser colocada na seguinte forma :
( eq. 3.7 )
( eq. 3.10 )
Colocando em evidência as diferenças de temperatura em cada uma das equações 3.10 e somando membro a membro, obtemos:
( eq. 3.11 )
Colocando em evidência o fluxo de calor e substituindo os valores das resistências térmicas em cada parede na equação 3.1 , obtemos o fluxo de calor pela parede do forno :
( eq. 3.12 ) Portanto, para o caso geral em que temos uma associação de paredes n planas associadas em série o fluxo de calor é dado por :
( eq. 3.13 )
3.5. ASSOCIAÇÃO DE PAREDES PLANAS EM PARALELO
Consideremos um sistema de paredes planas associadas em paralelo , submetidas a uma fonte de calor , de temperatura constante e conhecida, de um lado e a um sorvedouro de calor do outro lado, também de temperatura constante e conhecida, do outro lado. Assim, haverá a transferência de um fluxo de calor contínuo no regime permanente através da parede composta. Como exemplo, analisemos a transferência de calor através da parede de um forno, que pode ser composta de uma metade inferior de refratário especial ( condutividade k2 ) e uma metade superior de refratário comum ( condutividade k1 ), como mostra a figura 3.8. Faremos as seguintes considerações :
Todas as paredes estão sujeitas a mesma diferença de temperatura;
As paredes podem ser de materiais e/ou dimensões diferentes;
O fluxo de calor total é a soma dos fluxos por cada parede individual.
[ figura 3.8 ]
O fluxo de calor que atravessa a parede composta pode ser obtido em cada uma das paredes planas individualmente :
( eq. 3.14 )
O fluxo de calor total é igual a soma dos fluxos da equação 3.14 :
( eq. 3.15 )
A partir da definição de resistência térmica para parede plana ( equação 3.7 ), temos que :
( eq. 3.16 )
Substituindo a equação 3.16 na equação 3.15, obtemos :
Portanto, para o caso geral em que temos uma associação de n paredes planas associadas em paralelo o fluxo de calor é dado por :
( eq. 3.17 )
Em uma configuração em paralelo, embora se tenha transferência de calor bidimensional, é freqüentemente razoável adotar condições unidimensionais. Nestas condições, admite-se que as superfícies paralelas à direção x são isotérmicas. Entretanto, a medida que a diferença entre as condutividades térmicas das paredes ( k1 - k2 ) aumenta, os efeitos bidimensionais tornam-se cada vez mais importantes.
- Exemplo. Calcular o fluxo de calor na parede composta abaixo :
onde,
material a b c d e f g k (Btu/h.ft.oF) 100 40 10 60 30 40 20
Usando a analogia elétrica, o circuito equivalente à parede composta é :
Para uma área unitária de transferência de calor ( A = 1 ft2 ), as resistências térmicas de cada parede individual são
Para os circuitos paralelos :
Para os circuitos em série :
Portanto,
O conceito de resistência térmica também pode ser aplicado à parede cilíndrica. Devido à analogia com a eletricidade, um fluxo de calor na parede cilíndrica também pode ser representado como :
Então para a parede cilíndrica, obtemos : ( eq. 3.21 ) Eliminado o ∆T na equação 3.21, obtemos a resistência térmica de uma parede cilíndrica : ( eq. 3.22 ) Para o caso geral em que temos uma associação de paredes n cilíndricas associadas em paralelo , por analogia com paredes planas, o fluxo de calor é dado por :
( eq. 3.23 )
- Exemplo. Um tubo de aço (k=22 Btu/h.ft.oF) de 1/2" de espessura e 10" de diâmetro externo é utilizado para conduzir ar aquecido. O tubo é isolado com 2 camadas de materiais isolantes : a primeira de isolante de alta temperatura (k=0,051 Btu/h.ft.oF) com espessura de 1" e a segunda com isolante à base de magnésia (k=0,032 Btu/h.ft.oF) também com espessura de 1". Sabendo que estando a temperatura da superfície interna do tubo a 1000 oF a temperatura da superfície externa do segundo isolante fica em 32 oF, pede-se : a) Determine o fluxo de calor por unidade de comprimento do tubo b) Determine a temperatura da interface entre os dois isolantes
T1=1000 oF r1= 5" - 1/2" = 4,5" = 4,5/12 ft T4= 32 oF r2 = 5" = 5/12 ft r3 = 5" + 1" = 6" = 6/12 ft k1= 22 Btu/h.ft.oF r4 = 6" + 1" = 7" = 7/12 ft k2= 0,051 Btu/h.ft.oF k3= 0,032 Btu/h.ft.oF L= 1 ft
3.7. CONDUÇÃO DE CALOR ATRAVÉS DE UMA CONFIGURAÇÃO ESFÉRICA
Uma das utilizações mais freqüentes de configurações esféricas na indústria é na armazenagem de fluidos em baixa temperatura. Devido a uma maior relação volume/superfície da esfera, os fluxos de calor são minimizados. Consideremos uma esfera oca submetida à uma diferença de temperatura entre a superfície interna e a superfície externa, como pode ser visto na figura 3.10. Se a temperatura da superfície interna for constante e igual a T1, enquanto que a temperatura da superfície externa se mantém constante e igual a T2, teremos uma transferência de calor por condução no regime permanente. Como exemplo analisemos a transferência de calor em um reservatório esférico de raio r que contém um fluido em alta temperatura :
[ figura 3.10 ]
O fluxo de calor que atravessa a parede esférica poder ser obtido através da equação de Fourier, ou seja :
( eq. 3.24 )
Para configurações cilíndricas a área é uma função do raio :
( eq. 3.25 )
Levando a equação 3.25 na equação 3.24, obtemos :
Fazendo a separação de variáveis e integrando entre T1 em r1 e T2 em r2, conforme mostrado na figura 3.10, chega-se a :
O fluxo de calor através de uma parede esférica será então :
( eq. 3.26 )
Para melhor entender o significado da equação 3.26 consideremos um exemplo prático. Suponhamos que o engenheiro responsável por um reservatório esférico necessita reduzir as perdas térmicas pela parede por razões econômicas. Considerando a equação 3.26, o engenheiro tem as seguintes opções listadas na tabela 3.3 :
Tabela 3.3 - Possibilidades para redução de fluxo de calor em uma parede esférica.
OBJETIVO VARIÁVEL AÇÃO
k↓ trocar a parede esférica por outra de menor condutividade térmica ↓ () aumentar a espessura da parede cilíndrica ∆T↓ reduzir a temperatura interna do reservatório
Trocar a parede ou reduzir a temperatura interna do reservatório podem ações de difícil implementação; porém, a colocação de isolamento térmico sobre a parede esférica cumpre ao mesmo tempo as ações de redução da condutividade térmica e aumento de espessura da parede.
► Resistência térmica na parede esférica : O conceito de resistência térmica também pode ser aplicado à parede esférica. Devido à analogia com a eletricidade, um fluxo de calor na parede esférica também pode ser representado como :
Então para a parede esférica, obtemos :
( eq. 3.27 )
