Fenômenos de Transporte Luciana Barreiros de Lima Aula 10.

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1 Fenômenos de Transporte Luciana Barreiros de Lima Aula 10

2 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

3 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

4 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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6 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

7 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

8 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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10 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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12 EXEMPLO: O ar aquecido à temperatura de 150 0 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

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

14 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

15 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

16 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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18 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 1700 0 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

19 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

20 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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23 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

24 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

25 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

26 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

27 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

28 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

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

30 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

31 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

32 Duas placas grandes de metal, separadas entre si por 4 polegadas(in), são aquecidas a 400 0 C e 100 0 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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34 FENOMENOS DE TRANSPORTE LUCIANA BARREIROS DE LIMA AULA 10 ATIVIDADE

35 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

36 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