Trocador De Calor

Atividade Prática Supervisionada de Transferência de Calor

Engenharia Mecânica Turma– 6ª série A

Prof: Weslei

autor

Haroldo Henrique Botan

RA: 1054023162

coautor1

Leandro Ap. Sampaio

RA: 5006153740

coautor2

Thiago Augusto

RA: 1041967095

coautor3

Jonathan Prado de Souza

RA: 1072136849

coautor4

Romulo Regiani

RA: 1073131050

Coautor5

Rodolfo Regiani

RA: 1073131007

Anhanguera Educacional S.A.

Correspondência/Contato

Av. Eduardo Andrea Matarazzo, 891

Ribeirão Preto, São Paulo

CEP 14.030-971

Coordenação

Instituto de Pesquisas Aplicadas e

Desenvolvimento Educacional - IPADE

Artigo Original / Informe Técnico / Resenha

ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA

.

Resumo

Neste trabalhos iremos aprender á respeito de transferencia de calor, começaremos a ver primeiro os conceitos de radiação, condução, convecção e isolação térmica (tipos de transfericia de calor em meio a materia).

Logo em seguida vamos apresentar conceitos sobre as etapas referente ao ATPS, entretanto vamos no final vemos conceitos sobre Corpo Negro e suas caracteristicas.

Conforme contéudo passa d oem sala de aula vamos poder colocar em prática a pesquisa e assim obtendo um material razoavel para apresentação das etapas.

Acreditamos que neste ATPS iremos aprender e ampliar os conhecimentos referente a transferencia de calor pois tem muitos conceitos que devemos levar para

nossa carreira como engenheiros mecânicos.

Data

27/11/12

ATPS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

ETAPA 1

PASSOS

Passo 1 - pesquisar em bibliotecas, sites, livros, artigos acadêmicos sobre os conceitos e mecanismos de “Transferência de calor e as propriedades térmicas da matéria (isolantes)”.

Passo 2 – Discutir com o grupo a pesquisa realizada e elaborar dois resumos um sobre os mecanismos de transferência de calor, contendo no mínimo:

Definição dos mecanismos de transferência de calor – exemplos, figuras ilustrativas, equações para o cálculo do calor transmitido.

Definição sobre isolantes térmicos – tipos, aplicações, vantagens e desvantagens.

Mecanismos de transferência de calor

Existem três mecanismos conhecidos para transferência de calor: radiação, condução e convecção.

A radiação consiste de ondas eletromagnéticas viajando com a velocidade da luz. Como a radiação é a única que pode ocorrer no espaço vazio, esta é a principal forma pela qual o sistema Terra/Atmosfera recebe energia do Sol e libera energia para o espaço.

A condução ocorre dentro de uma substância ou entre substâncias que estão em contato físico direto. Na condução a energia cinética dos átomos e moléculas, ou seja, calor é transferido por colisões entre átomos e moléculas vizinhas. O calor flui das temperaturas mais altas

para as temperaturas mais baixas. A capacidade das substâncias para conduzir calor varia consideravelmente. Para comparação, sólidos são melhores condutores que os líquidos e os líquidos são melhores condutores que gases. Num extremo, metais são excelentes condutores de calor e no outro extremo, o ar é um péssimo condutor de calor. Consequentemente, a condução só é importante entre a superfície da Terra e o ar diretamente em contato com a superfície. Como meio de transferência de calor para a atmosfera como um todo, condução é o menos significativo e pode ser omitido na maioria dos fenômenos meteorológicos.

A convecção somente ocorre em líquidos e gases. Consiste na transferência de calor dentro de um fluído através de movimentos do próprio fluído. O calor ganho na camada mais baixa da atmosfera através de radiação ou condução é mais frequentemente transferido por convecção. A convecção ocorre como consequência de diferenças na densidade do ar. Quando o calor é conduzido da superfície relativamente quente para o ar sobrejacente, este ar torna-se mais quente que o ar vizinho. Ar quente é menos denso que o ar frio de modo que o ar frio e denso desce e força o ar mais quente e menos denso a subir. O ar mais frio é então aquecido pela superfície e o processo é repetido.

Desta forma, a circulação convectiva do ar transporta calor verticalmente da superfície da Terra para

a troposfera, sendo responsável pela redistribuição de calor das regiões equatoriais para os polos. O termo convecção é usualmente restrito à transferência vertical de calor na atmosfera.

Exemplos:

Isolantes térmicos

Denomina - se isolante térmico um material ou estrutura que dificulta a dissipação de calor, usado na construção e caracterizado por sua alta resistência térmica. Estabelece uma barreira à passagem do calor entre dois meios que naturalmente tenderiam rapidamente a igualarem suas temperaturas.

O melhor isolante térmico é o vácuo, mas devido à grande dificuldade para obter-se e manter condições de vácuo, é empregado em muito poucas ocasiões, limitadas em escala. Na prática se utiliza ar, que graças a sua baixa condutividade térmica e um baixo coeficiente de absorção da radiação, constitui um elemento muito resistente à passagem de calor. Entretanto, o fenômeno de convecção que se origina nas câmaras de ar aumenta sensivelmente sua capacidade de transferência térmica. Além disso, o ar deve estar seco, sem umidade, o que é difícil de conseguir nas câmaras de ar.

Por estas razões são utilizados como isolamento térmico materiais porosos ou fibrosos, capazes de imobilizar o ar seco e confiná-lo no interior de células mais ou menos estanques. Ainda que na maioria dos casos o gás enclausurado seja ar comum, em isolantes de células fechadas (formados por bolhas não

comunicantes entre si, como no caso do poliuretano projetado), o gás utilizado como agente espumante é o que fica finalmente enclausurado. Também é possível utilizar outras combinações de gases distintas, mas seu emprego é muito pouco extenso.

Um exemplo de aplicação de isolante térmico é o cobertor sobre o corpo humano, que faz com que o corpo mantenha se aquecido e não perda temperatura para o meio ambiente.

Manta de fibra cerâmica, Recomendadas para revestimento de fornos contínuos intermitentes, reformadores, fornos de pirólise, caldeiras, carros cerâmicos de baixa massa térmica; isolamento de tubulações turbina a vapor, reatores, portas corta-fogo e selagem de tampas de forno-poço, gaxetas de altas temperaturas.

ETAPA 2

PASSOS

Passo 1 - pesquisar em bibliotecas, sites, livros, artigos acadêmicos sobre os conceitos e mecanismos “Condução e convecção unidimensional em regime estacionário”.

Passo 2 - Discutir com o grupo a pesquisa realizada e elaborar um resumo contendo a mesma base de modelo do resumo citado acima

CONDUÇÃO DE CALOR UNIDIMENSIONAL EM REGIME PERMANENTE

No tratamento unidimensional a temperatura é função de apenas uma coordenada. Este tipo

de tratamento pode ser aplicado em muitos dos problemas industriais. Por exemplo, no caso da transferência de calor em um sistema que consiste de um fluido que escoa ao longo de um tubo, a temperatura da

parede do tubo pode ser considerada função apenas do raio do tubo. Esta suposição é válida se o fluido escoa uniformemente ao longo de toda a superfície interna e se o tubo não for longo o suficiente para que ocorram grandes variações de temperatura do fluido devido à transferência de calor.

A lei de Fourier é fenomenológica, ou seja, foi desenvolvida a partir da observação dos fenômenos da natureza em experimentos. Imaginemos um experimento onde o fluxo de calor resultante é medido após a variação das condições experimentais.

A quantidade de calor transferida por condução, na unidade de tempo, em um material, é igual ao produto das seguintes quantidades.

Q = - k.A. dt/dx

Convecção

O calor transferido por convecção, na unidade de tempo, entre uma superfície e um fluido,

pode ser calculado através da relação proposta por Isaac Newton :

q = h.A.∆T

onde:

q = fluxo de calor transferido por convecção ( kcal/h);

.A = área de transferência de calor (m2);

∆T = diferença de temperatura entre a superfície (Ts) e a do fluido em um local bastante afastado da superfície (TT) (oC).

h = coeficiente de transferência de calor por convecção ou coeficiente de película.

Sistema internacional

w/m².k

CAMADA LIMITE

Quando um fluido escoa ao longo de uma superfície, seja o escoamento em regime laminar ou turbulento, as partículas na vizinhança da superfície são

desaceleradas em virtude das forças viscosas.

ETAPA 3

PASSOS

Passo 1 - pesquisar em bibliotecas, sites, livros, artigos acadêmicos sobre os conceitos e mecanismos do “Efeito combinado de condução e convecção/Radiação térmica/ Transferência de calor em superfície estendidas”.

Passo 2 - Discutir com o grupo a pesquisa realizada e elaborar um resumo contendo a mesma base de modelo do resumo citado acima.

MECANISMOS COMBINADOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR (CONDUÇÃO E CONVECÇÃO)

Consideremos uma parede plana situada entre dois fluidos a diferentes temperaturas. Se as temperaturas T1 e T4 dos fluidos são constantes, será estabelecido um fluxo de calor único e constante através da parede (regime permanente). Um bom exemplo desta situação é o fluxo de calor gerado pela combustão dentro de um forno, que atravessa a parede por condução e se dissipa no ar atmosférico.

Portanto, também quando ocorre à ação combinada dos mecanismos de condução e convecção, a analogia com a eletricidade continua válida; sendo que a resistência total é igual à soma das resistências que estão em série, não importando se por convecção ou condução.

Radiação Térmica

É o processo pelo qual calor é transferido de um corpo sem o auxílio do meio interveniente, e em virtude de sua temperatura. Ao contrário dos outros dois mecanismos a radiação não necessita da existência de um meio

interveniente:

• condução colisão entre as partículas

• convecção transferência de massa

• radiação ondas eletromagnéticas

A radiação térmica ocorre perfeitamente no vácuo, não havendo, portanto, necessidade de um meio material para a colisão de partículas ou transferência de massa. Isto acontece porque a radiação térmica se propaga através de ondas eletromagnéticas. A radiação térmica é, portanto, um fenômeno ondulatório semelhante às ondas de rádio, radiações luminosas, raios-X, raios-g, etc., diferindo apenas no comprimento de onda (l). Este conjunto de fenômenos de diferentes comprimentos de ondas, é conhecido como espectro eletromagnético.

A intensidade de radiação térmica é comandada pela temperatura da superfície emissora. A faixa de comprimentos de onda englobados pela radiação térmica fica aproximadamente entre

0,1 e 100 m (1 m = 10-6 m). Essa faixa é subdividida em ultravioleta, visível e infravermelho. O sol, com temperatura de superfície da ordem de 6000 K, emite a maior parte de sua energia abaixo de 3 m, enquanto que um filamento de lâmpada, a 1000 oC, emite mais de 90 % de sua radiação entre 1 m e 10 m. Todo material com temperatura acima do zero absoluto emite continuamente radiações térmicas. Poder de emissão (E) é a energia radiante total emitida por um corpo, por unidade de tempo e por unidade de área ( Kcal/h.m2 - sistema métrico ).

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 irradiador ideal é um conceito teórico que estabelece um limite superior de radiação de acordo com a segunda lei da termodinâmica. É um conceito teórico padrão com o qual as características de radiação dos outros meios são comparadas.

Corpo Cinzento é o corpo cuja energia emitida ou absorvida é uma fração da energia emitida ou absorvida por um corpo negro.

EFEITO COMBINADO CONDUÇÃO - CONVECÇÃO - RADIAÇÃO

Suponhamos, como exemplo, uma parede plana qualquer submetida à uma diferença de temperatura. Na face interna a temperatura é T1 e na face externa tem-se uma temperatura T2 maior que a temperatura do ar ambiente T3, como mostra a figura 5.5. Neste caso, através da parede ocorre uma transferência de calor por condução até a superfície externa. A superfície transfere calor por convecção para o ambiente. Porém existe também uma parcela de transferência de calor por radiação da superfície para as vizinhanças. Portanto, a transferência global é a soma das duas parcelas :

Q condução + Q convecção + Q radiação

Superfícies estendidas

O aumento da taxa de transferência de calor, ou melhora do contato térmico entre a superfície de um sólido e o fluido que escoa sobre a superfície, é um dos objetivos mais comuns no projeto de

equipamentos térmicos. Nós veremos como melhorar o contato térmico com o fluido a partir da mudança na geometria da superfície do sólido. A técnica consiste em alterar o formato da superfície do sólido com a instalação de protuberâncias que também estão em contato com o escoamento de fluido. A superfície externa destas protuberâncias constituem as superfícies estendidas e as protuberâncias são chamadas de aletas. Na ausência de aletas, a taxa de transferência de calor entre a superfície do sólido e o escoamento externo é:

Q= hAo(Tb-T∞) onde A é a área da superfície exposta e h é o coeficiente de troca de calor por convecção.

Conclusão:

Podemos verificar nas etapas acima do ATPS, que a transferência e calor está interligada a todos os meio presentes no universo, entretanto podemos analisar conceitos e diretrizes de cada um dos respectivos mecanismos de transferência de calor.

Iremos utiliza-las no nosso dia a dia, assim tendo uma ampla visão do que se trata cada de mecanismo e como utiliza-los e manuseá-los de uma forma que nos ajude cada vez mais positivamente como engenheiros.