Os Mecanismos de Transferência de Calor

1. Mecanismos de transferência de calor

“Transferência de calor (ou calor) é a energia térmica em transito devido a uma diferença de temperatura no espaço” (INCROPERA et al., 2013).

Existem três modos de transferência de calor: condução, convecção e radiação, como podem ser visto na Figura 1.

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Figura 1: Modos de Transferência de calor: condução, convecção e radiação. Fonte: INCROPERA et al., 2013.

Através da termodinâmica foi determinado que a energia existe e se manifesta em diferentes formas, na prática industrial é necessário determinar a taxa de transferência de calor, ou seja, o calor transferido em relação ao tempo. A força motriz para que ocorra a transferência de calor é a diferença de temperatura, quanto maior este gradiente de temperatura, maior a taxa de troca térmica (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).

O dimensionamento de equipamentos, assim como os trocadores de calor, depende da quantidade de calor a ser transmitido e também da taxa na qual o calor é transferido sob determinadas condições (KREITH; BOHN, 2013).

Certas situações exigem que premissas e idealizações das condições do processo sejam adotadas. Propriedades físicas como a condutividade térmica e a viscosidade variam com a temperatura, devendo considerar um valor médio ideal, não acarretando erros consideráveis no resultado final (KREITH; BOHN, 2013).

1. Condução

Segundo Incropera et al. (2013) a condução é a transferência de energia de uma partícula para outra, resultado das interações entre elas. A condução está intimamente ligada aos conceitos de atividade atômica e molecular, pois são nesses níveis que acorre a transferência.

A condução pode ocorrer em matéria sólida, líquida ou gasosa. A colisão e difusão molecular com movimentos variados são responsáveis pela condução em líquidos e gases, já nos sólidos acontece devido às vibrações das moléculas em rede e a energia é transferida pelos elétrons livres (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).

Altas temperaturas resultam em energias moleculares mais altas, maior interação entre partículas e, consequentemente, maior transferência de calor, portanto, na presença de uma gradiente de temperatura, a condução ocorre no sentido de diminuição da temperatura (MORAN et al., 2014). Além da diferença de temperatura, a taxa de transferência de calor por condução depende do tipo e geometria do material (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).

Segundo Moran et al.(2014), a equação da condução é determinada pela Lei de Fourier, sendo ela:

q”x = -κ[pic 2]

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Onde: q”x= fluxo térmico por condução, = gradiente de temperatura e κ = condutividade térmica.[pic 3]

O sinal negativo da equação indica que o calor é transferido da maior para a menor temperatura (MORAN et al., 2014), assim como a Figura 2 está ilustrando a transferência de calor unidimensional por condução de T1 para T2, ou seja, da maior para a menor temperatura.

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Figura 2: Transferência de calor unidimensional de calor por condução. Fonte: MORAN et al., 2014.

A equação do fluxo considera a taxa de transferência de calor como o produto do fluxo térmico pela área, conforme definido por Moran et al. (2014) abaixo:

q = q”x . A

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Onde: q= taxa de transferência de calor, q”x= fluxo térmico e A = Área.

Para que o cálculo da quantidade de energia através da Lei de Fourier seja possível é necessário que a condutividade térmica do material seja conhecida, esta propriedade está relacionada á condução e indica a taxa que a energia é transferida pelo processo de difusão (INCROPERA et al., 2013).

A condutividade térmica é determinada através do material da parede, e quanto maior a condutividade de um material, mais ele conduz calor e, consequentemente, materiais que possuem baixo valor de condutividade térmica são considerados isolantes (ÇENGEL; GHAJAR, 2012). A condutividade em materiais sólidos é maior que em líquidos que é maior que a condutividade presente nos gases (INCROPERA et al., 2013).

1. Convecção

A convecção é a transferência de calor que ocorre de uma superfície para um fluido, em estado estacionário ou em movimento. A convecção ocorre desde que a superfície e o fluido possuam temperaturas distintas (MORAN et al., 2014).

A convecção é proporcional ao movimento do fluido, ou seja, quanto mais rápido for o movimento, maior será a transferência de calor por convecção. Quando não houver movimento da massa ou do fluido a transferência de calor entre a superfície e o fluido estático se dá por condução (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).

A natureza e o tipo de escoamento determinam se a convecção é livre ou forçada, sendo que a Figura 3 ilustra os dois tipos de convecção existentes. Quando o escoamento é causado por meios mecânicos ou vento atmosférico a convecção é forçada, já na convecção livre o escoamento provém das forças de empuxo, que são originadas devido à diferença de densidade. O escoamento pode ser interno ou externo, sendo interno em tubos ou dutos e externo sobre placas, cilindros e lâminas (MORAN et al., 2014).

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Figura 3: Processos de transferência de calor por convecção (a) Convecção forçada. (b) Convecção natural. Fonte: INCROPERA, et al., 2013.

O fluxo por convecção pode ser positivo ou negativo, sendo positivo quando o calor é transferido a partir da superfície e negativo quando o calor é transferido para a superfície (INCROPERA et al., 2013).

A equação da taxa por convecção é conhecida como lei de resfriamento de Newton e independe da natureza do processo, conforme Moran et al. (2014):

q” = h.(Ts- T∞)

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