Curso Superior de Tecnologia em Fabricação Mecânica

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1 Curso Superior de Tecnologia em Fabricação Mecânica
Sistemas Térmicos Curso Superior de Tecnologia em Fabricação Mecânica Capítulo 15 Introdução a transferência de calor 14/04/2017 Prof. Luciano Caldeira Vilanova

2 Objetivo Compreender os fundamentos das transferências de calor por condução, convecção e radiação; Calcular as taxas de transferência de calor; Utilizar a primeira lei da termodinâmica para resolver problemas de trasnferência de calor. Prof. Luciano Caldeira Vilanova 14/04/2017

3 O que é transferência de calor?
Transferência de calor é a energia em trânsito devido a diferença de temperatura. Prof. Luciano Caldeira Vilanova 14/04/2017

4 Modos de Transferência de Calor
Sempre que houver diferença de temperatura entre um meio ou entre meios ocorrerá uma transferência de calor. As diferentes formas de transferência de calor são chamadas de modos, que são a condução, a convecção e a radiação. Prof. Luciano Caldeira Vilanova 14/04/2017

5 Equações de taxa Estas equações são utilizadas para a determinação da quantidade de energia sendo transferida na unidade de tempo (J/s = Watt ou kJ/s = kW). Condução: Lei de Fourier Convecção: Lei do resfriamento de Newton Radiação: Lei de Stefan–Boltzmann Prof. Luciano Caldeira Vilanova 14/04/2017

6 Condução Quando uma diferença de temperatura existe em um meio estacionário, que pode ser um sólido ou um fluido, o termo utilizado para o processo de transferência de calor neste meio é a CONDUÇAO . Prof. Luciano Caldeira Vilanova 14/04/2017

7 Lei de Fourier para o fluxo de calor
Para uma parede plana unidimensional tendo uma distribuição de temperatura T(x), a equação do fluxo de calor (W/m2) é expressa como: Prof. Luciano Caldeira Vilanova 14/04/2017

8 Fluxo de calor É o calor transferido na direção x por unidade de área perpendicular a direção da transferência; É proporcional ao gradiente de temperatura; O sinal negativo indica o fato de que o calor é transferido na direção do decréscimo da temperatura. Prof. Luciano Caldeira Vilanova 14/04/2017

9 Gradiente de temperatura
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10 Constante de proporcionalidade k
É uma propriedade de transporte conhecida como condutividade térmica (W/m.K), e é uma característica do material da parede. Prof. Luciano Caldeira Vilanova 14/04/2017

11 Fluxo de calor em regime permanente
Prof. Luciano Caldeira Vilanova 14/04/2017

12 Taxa de transferência de calor
É a transferência de energia por calor na unidade de tempo, ou seja, é a potência da transferência (W). É dada pelo produto do fluxo de calor pela área perpendicular ao sentido do fluxo. Prof. Luciano Caldeira Vilanova 14/04/2017

13 Exemplo 15.1 Determinar a taxa de transferência de calor através da parede

14 Exercício 15.3 Uma parede de concreto cuja área superficial é de 20 m2 e tem 0,30 m de espessura, separa o ar condicionado de de um recinto do ar ambiente. A temperatura da superfície interna da parede é mantida a 25oC e a condutividade térmica do concreto é 1 W/m.K. a) Determine a taxa de transferência de calor através da parede para temperaturas da superfície externa que variem de -15oC até 38oC.Represente seus resultados graficamente. b) Em seu gráfico represente também a taxa de transferência de calor em função da temperatura externa para materiais com condutividade de 0,75 a 1,25 W/m.K

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16 "Exercício 15.3 Dados“ Area = 20 [m2] “Área da parede" T_w = 25 [C] "Temperatura interna da parede" k_75 = 0,75 [W/mK] "Coeficiente de condutibilidade" k_100 = 1 [W/mK] k_125 = 1,25 [W/mK] "Lei de Fourier" q_dot_75 = -k_75*Area*(T_ext-T_w) q_dot_100 = -k_100*Area*(T_ext-T_w) q_dot_125 = -k_125*Area*(T_ext-T_w)

17 Convecção O termo convecção refere-se a transferência de calor que ocorre entre uma superfície e um fluido em escoamento ou estacionário quando eles estão a diferentes temperaturas. Prof. Luciano Caldeira Vilanova 14/04/2017

18 Camada limite térmica

19 Convecção Convecção livre Convecção forçada

20 Lei do resfriamento de Newton
Prof. Luciano Caldeira Vilanova 14/04/2017

21 Coeficiente de transferência de calor por convecção “h”
Processo h (W/m2.K) Convecção livre Gases 2 – 25 Líquidos 50 – 1000 Convecção forçada 25 – 50 100 – 20000

22 Exercício 15.7 Um aquecedor elétrico de cartucho tem a forma de um cilindro de comprimento L = 200 mm e diâmetro D = 20 mm. Em condições normais o aquecedor dissipa 2 kW, quando submerso em uma corrente de água a 20 oC e h = 5000W/m2.K. Desprezando as transferências pelas extremidades do aquecedor determine a sua temperatura superficial. Se a corrente de água for inadvertidamente interrompida o aquecedor ficara exposto ao ar a 20 oC e h = 50 W/m2.K. Qual a temperatura superficial correspondente e quais as conseqüências deste evento?

23 "Exercício 15.7 Dados" L = 0,2 [m] D = 0,02 [m] Area = 3,14 * D*L "área do aquecedor" T_inf = 20 [C] "Temperatura da corrente de água" h_agua = 5000 [W/m2K] "Coeficiente de conveção água" h_ar = 50 [W/m2K] "Coeficiente de conveção ar" q_dot = 2000 [W] "potência dissipada" "Lei de resfriamento de Newton" q_dot = h_agua*Area*(T_sup_agua-T_inf) q_dot = h_ar*Area*(T_sup_ar-T_inf)

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25 Radiação Toda superfície que está a uma temperatura não nula emite energia na forma de ondas eletromagnéticas. Se duas superfícies que se “vêem” estiverem a temperaturas diferentes, haverá troca de energia entre elas por estas ondas, mesmo qua não exista um meio interveniente. Prof. Luciano Caldeira Vilanova 14/04/2017

26 Radiação

27 Lei de Stefan-Boltzmann
O fluxo com que a energia é emitida por uma superfície é chamada de PODER EMISSIVO e é limitada de acordo com a Lei de Stefan-Boltzmann:

28 Constante de Stefan-Boltzmann
 = 5,67 x 10-8 W/m2.K4  = 0,1714 x 10-8 BTU.h/ft2.oR4

29 Corpo negro É toda a superfície que emite de acordo com o limite máximo da Lei de Stefan-Boltzmann. É também conhecido como radiador ideal.

30 Superfícies reais O fluxo térmico radiante emitido por uma superfície real é menor que o fluxo de um corpo negro a mesma temperatura e será dado por:

31 Emissividade “” A emissividade é uma propriedade da superfície;
Seus valores variam de 0 a 1 (1 para corpo negro); É a capacidade de emissão de uma superfície em relação a um corpo negro; Depende do material e do acabamento da superfície.

32 Irradiação “G” Quando a radiação incide sobre uma superfície a partir de uma fonte especial como o sol ou uma parede aquecida, a taxa na qual esta incidência de energia ocorre é chamada de IRRADIAÇÃO sobre a superfície.

33 Irradiação “G”

34 Absortividade “” É a taxa pela qual a energia irradiada é absorvida por unidade de área da superfície (fluxo); A energia absorvida é dada por:

35 Superfície cinza:  = 

36 Superfície cinza:  = 

37 Exemplo 15.2 Determinar o poder emissivo, a irradiação e a perda de calor por unidade de comprimento do tubo

38 Exercício 15.12 Uma superfície de 0,5 m2 de área, emissividade 0,8 e temperatura de 150 oC e colocada em uma câmara de vacuo cujas paredes são mantidas a 25 oC. Qual a taxa na qual a radiação e emitida pela superfície? Qual a taxa liquida na qual a radiação e trocada entre superfície e parede da câmara?

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40 Lei da conservação da energia

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42 Balanço de energia em superfícies

43 Exemplo 15.5

44 Exemplo 15.6

45 Exercicio 15.17 De forma alternativa a cura pode ser obtida inserindo-se a placa em um forno cujas paredes são mantidas a 200 oC. O ar que escoa sobre a placa esta a Tinf = 20 oC e h = 15 W/m2.K. O revestimento tem uma emissividade de 0,5. Determine a temperatura do revestimento

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47 Exemplo 15.7