Fenômenos de Transporte Luciana Barreiros de Lima Aula 10

TRANSFERENCIA DE CALOR Objetivos – Estudar o processo de propagação de calor por convecção, a lei que justifica o fenômeno, a equação que a representa e suas aplicações. – Conhecer o processo de transmissão de calor por radiação, a lei que justifica esse processo, a equação que a representa e suas aplicações. – Resolver situações problema envolvendo um ou mais de um processo de propagação de calor. 2

CONVECÇÃO O processo de transmissão de calor pelo método convectivo se dá entre uma superfície sólida estacionária e um fluido em movimento e que apresentam temperaturas diferentes. 3

Convecção é o modo de transferência de energia entre uma superfície solida e o fluido adjacente. A convecção pode ser classificada em: – Convecção forçada, – Convecção natural (ou livre), –Convecção com mudança de fase (líquido/vapor, sólido/líquido, etc.) 4

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Quando o fluido encontra a superfície surge uma região no fluido com variação de velocidade, de zero, na superfície até v ∞ associada ao escoamento. Esta região do fluido é conhecida como camada limite. A região em que a temperatura varia de T s a T ∞, na região externa, é chamada de camada térmica e pode ser maior ou menor que a camada limite. 6

Se a temperatura da superfície for maior que a do fluido, o fluxo de calor será da superfície para o fluido. Se a do fluido for maior (T ∞ ) que a da superfície, o sentido do fluxo de calor será do fluido para a superfície. 7

A convecção pode ser classificada de acordo com a natureza do escoamento em: convecção livre ou natural, convecção forçada e convecção com mudança de fase. O esquema a seguir, apresenta exemplos de cada um dos tipos de convecção. (a) representa uma convecção forçada; (b) uma convecção natural; (c) e (d) representam convecção com mudança de fase- (c) ebulição e (d) uma condensação. 8

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Foi Newton que propôs uma relação para taxa de calor convectivo e os fatores que nela interferiam mas esta relação: h é o coeficiente de transferência de calor por convecção [W/m 2.°C]. h depende da natureza do escoamento de fluido, das propriedades do fluido, e da configuração do escoamento. 10

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EXEMPLO: O ar aquecido à temperatura de C flui sobre uma placa lisa mantida à temperatura de 50 0 C. O coeficiente de transferência de calor por convecção forçada é igual a 75 W/m 2. 0 C. Calcule a taxa de transferência de calor para a placa através de uma área de 2 m 2. 12

A taxa de transferência de calor do fluido quente para a placa fria pode ser calculada por: 13

MECANISMOS COMBINADOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR (CONDUÇÃO E CONVECÇÃO) Considerando uma parede plana situada entre dois fluidos a diferentes temperaturas. Sendo T 1 a temperatura do fluido quente e T 4, a temperatura do fluido frio. O fluxo de calor pela parede é constante. 14

O exemplo de um forno que aquece suas paredes, por condução e se dissipa no ar atmosférico se encaixa nesta situação, que representamos a seguir. 15

Observa-se dois processos de convecção (T 1 a T 2 ) e (T 3 aT 4 ) enquanto entre T 2 a T 3 há um processo de condução. Temos então: 16

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Uma parede de um forno é constituída de duas camadas: 0,2 m de tijolo refratário (K=1,2 Kcal/h.m. 0 C) e 0,13 m de tijolo isolante (0,15 kcal/h.m. 0 C). A temperatura dos gases dentro do forno é C e o coeficiente de película na parede interna é 58 kcal/h.m 2. 0 C. A temperatura ambiente é 27 0 C e o coeficiente de película na parede externa é 12,5 kcal/h.m 2. 18

Desprezando a resistência térmica das juntas de argamassa, calcular: a) O fluxo de calor na parede. b) A temperatura nas superfícies interna e externa da parede. 19

Dados : Parede refratária: L 1 = 0,20 m; k 1 = 1,2Kcal/h.m. 0 C Parede isolante: L 2 = 0,13 m; k 2 = 0,15kcal/h.m. 0 C 20

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RADIAÇÃO Radiação é a energia emitida pela matéria na forma de ondas eletromagnéticas como resultado das mudanças nas configurações eletrônicas dos átomos ou moléculas. Ao contrário da condução e convecção, a transferência de calor por radiação não exige a presença de um meio interveniente. 23

Em transferência de calor, estamos interessados na radiação térmica que é a radiação emitida pelos corpos devido a sua temperatura. Todo corpo a uma temperatura acima do zero absoluto emite radiação térmica. A superfície ideal que emite a máxima taxa de radiação térmica é denominada corpo negro. 24

Corpo Negro, ou irradiador ideal, é um corpo que emite e absorve, a qualquer temperatura, a máxima quantidade possível de radiação em qualquer comprimento de onda. O corpo negro é um conceito teórico padrão com o qual as características de radiação dos outros meios são comparadas. 25

Corpo Cinzento é o corpo cuja energia emitida ou absorvida é uma fração da energia emitida ou absorvida por um corpo negro. As características de radiação dos corpos cinzentos se aproximam das características dos corpos reais 26

Um meio material não é necessário para este tipo de processo; a radiação é a única possibilidade de transferência de calor no vácuo. Se o material for semitransparente(vidros, cristais incolores, gases a altas temperaturas...) a radiação que sai do corpo por suas superfícies exteriores é o resultado de emissões ocorrentes em todos as profundidades dentro do material, é um fenômeno global ou volumar. 27

Se o material for opaco à radiação térmica (metais, madeiras...) a radiação emitida pelo corpo tem origem no material na vizinhança imediata da superfície, a emissão é superficial. 28

Radiação é um fenômeno volumétrico. Contudo, a radiação é geralmente considerada como um fenômeno superficial para os sólidos opacos a radiação térmica. 29

A taxa máxima de radiação que pode ser emitida por uma superfície à temperatura Ts (K) é dada pela lei de Stefan–Boltzmann: σ = 5,67x10 -8 W/m 2 ·K 4 é a constante de Stefan–Boltzmann 30

A radiação emitida por superfícies reais é menor que a radiação emitida pelo corpo negro à mesma temperatura, e é expressa como: ε é a emissividade da superfície. 31

Duas placas grandes de metal, separadas entre si por 4 polegadas(in), são aquecidas a C e C, respectivamente. As emissividades são de 0,8 e 0,25 respectivamente. Calcular as taxas de transferência de calor por radiação. 32

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FENOMENOS DE TRANSPORTE LUCIANA BARREIROS DE LIMA AULA 10 ATIVIDADE

35 A area exposta de um dispositivo eletrônico é 100 mm 2. Para assegurar-se de que a temperatura dessa superfície não passe de 50 o C (323 K) quando a temperatura ambiente é de 35 o C, o calor deve ser removido a uma taxa de 0.6 W. Determine o coeficiente h de transferência de calor. Resposta: h = 400 W/m 2 K

Uma janela de vidro de 5 mm de espessura tem área A = 1 m 2. O vidro está colocado entre o ar do quarto (T = 20 o C) e o ar externo no inverno (T = -10 o C). O coeficiente de transferência de calor do ar da sala para o vidro é h 1 = 15 W/m 2 K enquanto que a convecção entre a superfície do vidro e o ar externo é h 2 = 20W/m 2 K. A condutividade térmica do vidro é k = 1 W/mK. Determina a perda de calor do ar da sala através do vidro. Resposta: A resistência térmica total é R = (1/h 1 A)+(0.005/kA)+(1/h 2 A) = 0.12 K/W A perda de calor é: ΔQ/ Δt = ΔT/R = 247 W 36