Transferencia de calor aplicada Conceitos basicos.pdf

Transferência de Calor
Aplicada
UNIZAMBEZE
FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
Curso Engenharia Mecatrônica
Docente: Mestre Eng.ª Beatriz Reyes Collado
e-mail: beatriz50.c@uzambeze.ac.mz cell: 847300421
Introdução à disciplina.
TEMA 1. Conceitos básicos. Transferência de
calor por condução.

2
Objectivos gerais da disciplina:
No fim da disciplina os estudantes devem ser capazes de:
• Conhecer os mecanismos e as leis básicas de transferência de calor;
• Interpretar e aplicar a equação diferencial de transferência de calor para
diferentes configurações simples (parede plana, cilíndrica e esférica);
• Avaliar os coeficientes de transferência de calor por convecção para
várias situações reais;
• Conhecer a essência da radiação e a sua aplicação;
• Idealizar e calcular permutadores de calor.

3
Plano temático da disciplina.
TEMAS HC HEI Total
T P
1 Conceitos básicos.
Transferência de calor por condução.
16 15 - 31
2 Transferência de calor por convecção. 7 8 13 28
3 Transferência de calor por radiação. 8 12 25 45
4 Trocadores de calor. Isolamento térmico. 4 11 31 46
TOTAL 35 46 69 150

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CONTEÚDOS POR TEMAS
TEMA 1. Conceitos básicos. Transferência de calor por condução.
Introdução.
Mecanismos de transferência de calor.
Leis básicas da transferência de calor.
O Balanço de energia.
Sistemas de unidades.
Método de resolução de problemas técnicos.
ransferência de calor por condução.
Condução em regime permanente numa parede plana.
Superfícies Estendidas.

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TEMA 2. Transferência de calor por convecção.
Introdução à Convecção
Tipos de escoamentos
Camada limite fluido dinâmica
Camada limite térmica
Escoamentos laminares e turbulentos
Escoamento Externo.
Escoamentos internos

6
Tema 3. Trocadores de calor. Isolamento térmico.
Trocadores de calor.
Isolamento térmico.

7
CRITERIO DE AVALIAÇÃO
Tipo de
avaliação
Peso da
avaliação
Número de
avaliações
Teste 60% 1
Trabalho
Practico
40% 1
Cálculo da Média de Frequência Mf = 60% T +40% TP
Cálculo da Nota Final Nf = 60% Mf +40% Ef
Exame Final Escrito

8
Bibliografia Básica
 Incropera, F. & DeWitt, David. “Fundamentals of Heat and Mass Transfer.
Editora John Wiley & Sons ISBN 0-471-38650-2
 Cengel, Y; Ghajar, A. “Transferência de Calor e Massa. Uma abordagem
Práctica”. 4ta ed. AMGH Editora LTDA. 2012.
 HOLMAN, J.P. “Transferencia de Calor”. 8. ed Madrid, Editorial
McGRAWHILL. 1998.
 ISACHENKO, V. “Transferencia de Calor” Tomo I y II. Moscú. Edit MIR, 1987.

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TEMA 1. Conceitos básicos.
Transferência de calor por condução.
1.1. Introdução.
1.Relação entre a transferência de calor e a termodinâmica.
2.Relevância da transferência de calor.
1.2. Mecanismos de transferência de calor.
1.Condução.
2.Convecção.
3.Radiação.
4.Mecanismos combinados.
5.Regimes de transferência de calor.

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Relação entre a transferência de calor e a termodinâmica
Transmissão de Calor é o processo pelo qual a energia é transportada, sempre
que existir um gradiente de temperatura no interior de um sistema ou,
quando dois sistemas com diferentes temperaturas são colocados em
contacto.
1ª Lei da Termodinâmica
A primeira lei da Termodinâmica preconiza que a energia não pode ser criada
ou destruída, mas sim transformada de uma forma para outra. Esta lei governa
quantitativamente todas as transformações de energia, mas não faz restrições
quanto à direcção das referidas transformações.
Introdução.

11
A primeira Lei pode ser enunciada:
“A variação total da quantidade de energia (aumento ou redução) de
um sistema, durante um processo, é igual a diferença entre a energia
total que entra e a que sai do sistema durante o processo.”
Introdução.

12
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 uma região fria para uma região quente".
Consequência das duas leis
A termodinâmica clássica está limitada principalmente ao estudo dos estados
de equilíbrio (mecânico, químico e térmico) e sendo assim ela é de pouca ajuda
na determinação quantitativa das transformações que ocorrem devido à
deficiência ou falta de equilíbrio dos processos de engenharia.
Sendo o fluxo de calor resultado de falta de equilíbrio de temperatura, e seu
tratamento quantitativo deve ser baseado em outros ramos da ciência.
Introdução.

13
Calor e outras formas de energia
Na análise de sistemas que envolvem fluxos de fluidos, frequentemente
encontra-se a combinação das propriedades u, P e v.
Por conveniência esta combinação é definida como entalpia, h
h = u + Pv (1.1)
Onde:
h – entalpia e representa a energia do fluxo do fluído.
Introdução.

14
 O calor específico é a energia requerida para elevar em um grau a
temperatura de uma unidade de massa de determinada substância de
um modo especifico.
 O calor específico das substâncias varia com a temperatura.
 O calor específico à pressão constante Cp e à volume constante Cv de
uma substância incompressível, são idênticos e designam-se por C.
Calor Específico
Introdução.

15
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 mecatrónico não pode dispensar a
transferência de calor nos problemas relacionados ao controlo de processos
automação, ou no projeto de robô em fornos, generadores, conversores, etc.
Também 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.
Até mesmo o engenheiro civil e o arquiteto sentem a importância dela, em seus
projetos, preverem o isolamento térmico adequado que garanta o conforto dos
ambientes.
Introdução.

16
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:
 Na geração de eletricidade (hidráulica, fusão nuclear, fóssil,
geotérmica, etc) existem numerosos problemas que envolvem
condução, convecção e radiação e estão relacionados com o projeto
de caldeiras, condensadores e turbinas.
 Existe também a necessidade de maximizar a transferência de calor
e manter a integridade dos materiais em altas temperaturas
 É necessário minimizar a descarga de calor no meio ambiente,
evitando a poluição térmica através de torres de refrigeração e
recirculação.
Relevância da transferência de calor.
Introdução.

17
Existem três modos básicos de transferência de calor que são:
 Condução;
 Convecção; e
 Radiação.
Todos os modos de transferência de calor requerem que haja gradiente de
temperatura, e em todos eles a transferência de calor se faz da
temperatura mais alta para a mais baixa.

18
É um processo pelo qual o calor flui duma região de alta temperatura para
outra de baixa temperatura dentro de um meio (sólido, líquido ou gasoso)
ou entre meios diferentes em contacto físico directo.
Na condução a energia é transmitida por meio de comunicação molecular
directa, sem apreciáveis deslocamentos das moléculas.
A figura mostra um gás entre duas placas a diferentes temperaturas:
Condução:

19
1. O gás ocupa o espaço entre duas superfícies (1) e (2) mantidas a diferentes
temperaturas de modo que T1 > T2 (o gás não tem movimento macroscópico);
2. Como altas temperaturas estão associadas com energias moleculares mais
elevadas, as moléculas próximas à superfície são mais energéticas
(movimentam-se mais rápido);
3. 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.
Condução:

20
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 frequentes.
Para os sólidos existem basicamente dois processos (ambos bastante complexos):
o Sólido mau condutor de calor: ondas de vibração da estrutura cristalina
o Sólido bom condutor de calor: movimento dos elétrones livres e vibração da
estrutura cristalina.
Condução:

21
É um processo de transferência de energia pela acção combinada da
condução de calor e movimento da mistura e armazenagem de energia. Na
prática a convecção subentende-se o processo de troca de calor entre
corpo líquido ou gasoso e sólido.
A causa do movimento do fluído pode ser externa em consequência dum
trabalho mecânico (ex.: com ajuda de um ventilador ou bomba); neste caso
tem-se Convecção Forçada.
ou o movimento resulta espontaneamente, quando t=t1-t2 causa uma
diferença de massa específica dum fluído. Este fenómeno chama-se
Convecção Natural.
Convecção:

22
Convecção Forçada:
1. A velocidade da camada de ar próxima à
superfície é muito baixa em razão das forças
viscosas (atrito).
2. Nesta região o calor é transferido por
condução. Ocorre, portanto, um
armazenamento de energia pelas partículas
presentes nesta região.
3. Na medida que estas partículas passam para a
região de alta velocidade, elas são carreadas
pelo fluxo transferindo calor para as partículas
mais frias.
As partículas que estão próximas à superfície
aquecida recebem calor por condução e
armazenam a energia. Esta partícula 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.
Convecção Natural:

23
É um processo pelo qual o calor é transmitido de um corpo à alta
temperatura, para um de mais baixa, quando tais corpos estão separados
no espaço, ainda que exista vácuo entre eles.
Um corpo quente emite energia de radiação em todas as direcções.
Quando esta energia atinge um outro corpo, uma parte desta pode ser
reflectida, outra transmitida e o resto absorvido e transformado em calor.
Por outras palavras a radiação é um processo de transmissão de calor por
meio de ondas eletromagnéticas.
Radiação:

24
 Todos corpos em temperatura acima do zero absoluto emitem
continuamente radiação térmica.
 As intensidades das emissões dependem somente da temperatura e da
natureza da superfície emitente.
 A radiação térmica viaja na velocidade da luz (300.000 km/s)
Radiação:

25
Na prática ocorre ao mesmo tempo dois ou mais mecanismos de transferência
de calor. Na engenharia, quando um dos mecanismos domina
quantitativamente, podem ser obtidas soluções aproximadas. Entretanto, deve
ficar entendido que variações nas condições do problema podem fazer com que
um mecanismo desprezado se torne importante.
Mecanismos combinados

26
q1: convecção natural café e parede do frasco plástico
q2: condução 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
Mecanismos combinados

27
Analisemos, por exemplo, a transferência de calor através da parede de uma estufa
qualquer. Consideremos duas situações: operação normal e desligamento ou re
ligamento.
Regimes de transferência de calor.
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 (a), não varia. Neste caso,
dizemos que estamos no regime permanente.

28
Na outra situação consideremos, por exemplo, o
desligamento.
Quando a estufa é desligada a temperatura na superfície
interna diminui gradualmente, de modo que o perfil de
temperatura varia com o tempo, como pode ser visto da
figura (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
Regimes de transferência de calor.

29
Na próxima aula
• Leis básicas da transferência de calor.
• O Balanço de Energia.
• Sistemas de unidades.
• Método de Resolução de Problemas Técnicos.

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