Baixe Introdução à Transferência de Calor: Modos e Processos e outras Resumos em PDF para Transferência de Calor, somente na Docsity! Introdução Condução Convecção Radiação Transferência de Calor Introdução e Modos de Transferência Prof. Rodolfo Rodrigues Universidade Federal do Pampa Fenômenos de Transporte Campus Bagé Aula 7 (Maio/2019) Rodolfo Rodrigues Fenômenos de Transporte Transferência de Calor: Introdução 1 Introdução Condução Convecção Radiação Introdução à Transferência de Calor Energia: Cinética, potencial, de pressão, térmica, etc; Matéria: Sólido, líquido e gás; Calor sensível e calor latente; Transferência de calor ou simplesmente calor é a energia térmica em trânsito devido a uma diferença de temperatura no espaço; Modos de transferência de calor: Condução, convecção e radiação; Rodolfo Rodrigues Fenômenos de Transporte Transferência de Calor: Introdução 2 Introdução Condução Convecção Radiação Introdução à Transferência de Calor Figura 2: Dissipador de calor aletado e ventilador (esquerda) e microprocessador (direita). Fonte: Incropera et al. (2008). Rodolfo Rodrigues Fenômenos de Transporte Transferência de Calor: Introdução 5 Introdução Condução Convecção Radiação Introdução à Transferência de Calor Tabela 2: Exemplos aplicados de transferência de calor (continuação). Exemplos II Engenharia de Produção • Processo de soldagem; • Gerador de vapor; • Aquecimento solar aplicado a galpões avícolas; • Processo de usinagem; • Transferência de calor na interface metal-molde durante a fundição centrífuga; • Soldagem por fricção; • Forjamento a quente; • Processo de laminação; • Fabricação de arames; • Processo de cozimento no beneficiamento de arroz; Fonte: Turmas 2016/1. Rodolfo Rodrigues Fenômenos de Transporte Transferência de Calor: Introdução 6 Introdução Condução Convecção Radiação Introdução à Transferência de Calor Figura 3: Esquema do processo TIG (Tungsten Inert Gas) de soldagem. Fonte: Eutectic do Brasil Ltda. (2017). Rodolfo Rodrigues Fenômenos de Transporte Transferência de Calor: Introdução 7 Introdução Condução Convecção Radiação Introdução à Transferência de Calor O calor transferido pode ser representado por: Taxa de calor, q, dada em J/s ou W e Fluxo de calor, q′′, dado em W/m2; Pode-se escrever: taxa de calor = diferença de temperatura resistência à transferência (1) Taxa e fluxo de calor são relacionados por: q A = q′′ [W/m2] (2) onde A é a área de transferência de calor. Rodolfo Rodrigues Fenômenos de Transporte Transferência de Calor: Introdução 10 Introdução Condução Convecção Radiação Condução Condução é a transferência de energia das partículas mais energéticas para menos energéticas de uma substância devido às interações entre partículas; Não admite movimento global ou macroscópico mas movimentos de translação aleatório, rotação e vibração das moléculas (difusão); Ocorre por 2 mecanismos: movimento de átomos: vibração entre átomos adjacentes, e movimento de elétrons livres: em um condutor elétrico; Caso de interesse: Condução em parede sólida plana ou cilíndrica por ∆T entre superfícies interna e externa. Rodolfo Rodrigues Fenômenos de Transporte Transferência de Calor: Introdução 11 Introdução Condução Convecção Radiação Condução xo x T T2 T1 > T2 q"x q"x Figura 5: Associação da transferência de calor por condução à difusão de energia devido à atividade molecular. Fonte: Incropera et al. (2008). Rodolfo Rodrigues Fenômenos de Transporte Transferência de Calor: Introdução 12 Introdução Condução Convecção Radiação Condução k é função basicamente do tipo de material e da temperatura. Tabela 4: Condutividades térmicas de alguns materiais a 300 K. Substância k , W/(m.K) Substância k , W/(m.K) Gases Aço 45,3 Ar 0,0242 Cobre 388 Amônia 0,0218 Alumínio 202 Líquidos Isopor 0,04 Água 0,569 Tijolo comum 0,72 Etilenoglicol 0,265 Fibra de vidro 0,043 Álcool etílico 0,182 Compensado 0,12 Sólidos de madeira Borracha dura 0,151 Concreto 1,4 Cortiça 0,043 Amianto 0,168 Fonte: Geankoplis (2003) e Incropera et al. (2008). Rodolfo Rodrigues Fenômenos de Transporte Transferência de Calor: Introdução 15 Introdução Condução Convecção Radiação Convecção Convecção abrange 2 mecanismos: movimento molecular aleatório (difusão) e movimento global ou macroscópico do fluido (advecção); Uma consequência da interação fluido-superfície é o surgimento de uma camada-limite térmica; Convecção é classificada de acordo com a natureza do escoamento do fluido: convecção natural e convecção forçada. Caso de interesse: Convecção pelo contato entre um fluido em movimento a T∞ e uma superfície sólida a Ts . Rodolfo Rodrigues Fenômenos de Transporte Transferência de Calor: Introdução 16 Introdução Condução Convecção Radiação Convecção Figura 7: Desenvolvimento da camada-limite na transferência de calor por convecção. Fonte: Incropera et al. (2008). Rodolfo Rodrigues Fenômenos de Transporte Transferência de Calor: Introdução 17 Introdução Condução Convecção Radiação Convecção h é função da geometria do sistema, natureza do escoamento e diferença de temperatura. Tabela 5: Valores típicos do coeficiente de transferência de calor por convecção. Processo h, W/(m2.K) Convecção natural Gases 2–25 Líquidos 50–1 000 Convecção forçada Gases 25–250 Líquidos 100–20 000 Convecção com mudança de fase Ebulição ou condensação 25 000–100 000 Fonte: Incropera et al. (2008). Rodolfo Rodrigues Fenômenos de Transporte Transferência de Calor: Introdução 20 Introdução Condução Convecção Radiação Radiação Radiação é a energia emitida pela matéria que se encontrar a uma temperatura diferente de zero; A emissão pode ser atribuída a mudanças nas configurações eletrônicas dos átomos/moléculas da matéria; A energia é transmitida por ondas eletromagnéticas sem a necessidade de um meio material para tanto; Radiação ocorre mais eficientemente no vácuo; Caso de interesse: Troca de radiação entre uma super- fície pequena a Ts e uma vizinhança a Tviz. Rodolfo Rodrigues Fenômenos de Transporte Transferência de Calor: Introdução 21 Introdução Condução Convecção Radiação Radiação (a) (b) Figura 9: Troca por radiação: (a) em uma superfície e (b) entre uma superfície e uma grande vizinhança. Fonte: Incropera et al. (2008). Rodolfo Rodrigues Fenômenos de Transporte Transferência de Calor: Introdução 22 Introdução Condução Convecção Radiação Radiação Tabela 6: Emissividade total, ε, de várias superfícies. Superfície Temperatura, K Emissividade, ε Alumínio polido 500 0,039 850 0,057 Ferro polido 450 0,052 Ferro oxidado 373 0,74 Cobre polido 353 0,018 Placa de amianto 296 0,96 Pintura a óleo, 373 0,92–0,96 todas as cores Água 273 0,95 Fonte: Geankoplis (2003). Rodolfo Rodrigues Fenômenos de Transporte Transferência de Calor: Introdução 25 Conversação da Energia A conservação da energia em um volume de controle em um dado instante: Ėent − Ėsai + Ėg = Ėacu (12) Fonte: Incropera et al. (2008). No regime permanente, tem-se que: Ėent − Ėsai + Ėg = 0 (13) Rodolfo Rodrigues Fenômenos de Transporte Transferência de Calor: Introdução 26 Resumo: Processos de Transferência Tabela 7: Resumo de processos de transferência de calor. Modo Mecanismo Equação da taxa, Coeficiente W/m2 de transporte Condução Difusão de energia q′′x = −k dT dx = k ∆T L k , W/(m.K) devido ao movimento molecular aleatório Convecção Difusão de energia q′′ = h(Ts − T∞) h, W/(m2.K) devido ao movimento molecular aleatório acrescido do movi- mento global Radiação Transferência de ener- q′′ = εσ(T4 s − T4 viz) ou ε gia por ondas eletro- q′′ = hr (Ts − Tviz) hr , W/(m2.K) magnéticas Fonte: adaptado de Incropera et al. (2008). Rodolfo Rodrigues Fenômenos de Transporte Transferência de Calor: Introdução 27 Exemplo: Balanço de Energia em uma Superfície Exemplo 1.6 (INCROPERA et al., 2008) Figura 12: Termorregulação da temperatura do corpo humano a diversas condições térmicas externas. Fonte: Incropera et al. (2008). Rodolfo Rodrigues Fenômenos de Transporte Transferência de Calor: Introdução 30 Exemplo: Resfriamento de Café em Recipiente Fechado Exemplo 1.8 (INCROPERA et al., 2008) q1 q2 q6 q7q3 q4 q5 q8 Café Espaço com ar Ar da sala Espaço com ar Frasco plástico Café quente Invólucro Frasco plástico Invólucro Vizinhança Figura 13: Processos de transferência de calor relevantes em um recipiente fechado contendo café quente. Fonte: Incropera et al. (2008). Rodolfo Rodrigues Fenômenos de Transporte Transferência de Calor: Introdução 31