TRANSFERENCIA DE CALOR

Este trabalho fornece aos alunos de transferência de calor os conceitos fundamentais básicos da mesma forma que são ministrados em sala de aula. Esta abordagem tem por objetivo permitir que os alunos se concentrem nas explanações dadas em aula, livrando-os da tarefa de reproduzir o que for escrito no quadro negro. Também estão incluídos diversos exercícios resolvidos e propostos cujas respostas encontram-se em apêndice ao final deste trabalho. Os exercícios aqui apresentados, em sua grande maioria, fizeram partes das provas ministradas durante os últimos anos. Nesta primeira edição desta apostila certamente estarão presentes erros e imperfeições. Entretanto, estamos certos de que os alunos nos auxiliarão apontado os erros, comentado e sugerindo, de forma que nas próximas edições este trabalho possa ser aperfeiçoado. Aproveitamos também para agradecer a todas as pessoas que de alguma forma contribuíram para a realização deste trabalho.

Eduardo Emery Cunha Quites Engenheiro Metalúrgico, M.Sc.

Luiz Renato Bastos Lia Engenheiro Químico, M. Sc.

1. INTRODUÇÃO 5

1.1. O QUE É e COMO SE PROCESSA? 5

Eduardo Emery Cunha Quites 1 1.2. RELAÇÃO ENTRE A TRANSFERÊNCIA DE CALOR E A

TERMODINÂMICA 6

1.3. RELEVÂNCIA DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR 7

1.4. METODOLOGIA DE RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS EM

TRANSFERÊNCIA DE CALOR 7

2. MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 8

2.1. CONDUÇÃO 8

2.2. CONVECÇÃO 9

2.3. RADIAÇÃO 10

2.4. MECANISMOS COMBINADOS 10

2.5. REGIMES DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 1

2.6. SISTEMAS DE UNIDADES 12

3.1. LEI DE FOURIER 13

3.2. CONDUÇÃO DE CALOR EM UMA PAREDE PLANA 16

ELÉTRICA 19

3.4. ASSOCIAÇÃO DE PAREDES PLANAS EM SÉRIE 20

3.5. ASSOCIAÇÃO DE PAREDES PLANAS EM PARALELO 21

3. CONDUÇÃO DE CALOR UNIDIMENSIONAL EM REGIME PERMANENTE13 3.3. ANALOGIA ENTRE RESISTÊNCIA TÉRMICA E RESISTÊNCIA

CILÍNDRICAS 25

3.6. CONDUÇÃO DE CALOR ATRAVÉS DE CONFIGURAÇÕES 3.7. CONDUÇÃO DE CALOR ATRAVÉS DE UMA CONFIGURAÇÃO

ESFÉRICA 28

4.2. CAMADA LIMITE 37

4.3. DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE PELÍCULA (h) 38

4.4. RESISTÊNCIA TÉRMICA NA CONVECÇÃO 40

4.5. MECANISMOS COMBINADOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

(CONDUÇÃO E CONVECÇÃO) 41

5. PRINCÍPIOS DA RADIAÇÃO TÉRMICA 58

5.1. CORPO NEGRO e CORPO CINZENTO 59

5.2. LEI DE STEFAN-BOLTZMANN 60

5.3. FATOR FORMA 60

6. ALETAS 69

6.1. DEFINIÇÃO 69

UNIFORME 70

6.3. TIPOS DE ALETAS 72

6.4. EFICIÊNCIA DE UMA ALETA 75

7- TROCADORES DE CALOR 90

7.1 TIPO DE TROCADORES 90

7.3. BALANÇO TÉRMICO EM TROCADORES DE CALOR 94

7.4. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 95

7.5. FATOR DE FULIGEM (INCRUSTAÇÃO) 96

8.1. DEFINIÇÃO 113

8.2. CARACTERÍSTICAS DE UM BOM ISOLANTE 113

8.3. MATERIAIS ISOLANTES BÁSICOS 114

8.4. FORMAS DOS ISOLANTES 115

8.5. APLICAÇÃO DE ISOLANTES 115

8.6. CÁLCULO DE ESPESSURAS DE ISOLANTES 116

1. INTRODUÇÃO

1.1. O QUE É e COMO SE PROCESSA?

Transferência de Calor (ou Calor) é energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura. Sempre que existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios ocorrerá transferência de calor. Por exemplo, se dois corpos a diferentes temperaturas são colocados em contato direto, como mostra a figura 1.1, ocorrera uma transferência de calor do corpo de temperatura mais elevada para o corpo de menor temperatura até que haja equivalência de temperatura entre eles. Dizemos que o sistema tende a atingir o equilíbrio térmico.

Se T1 > T2 è T1 > T > T2

[ figura 1.1 ]

Está implícito na definição acima que um corpo nunca contém calor, mas calor é indentificado com tal quando cruza a fronteira de um sistema. O calor é portanto um fenômeno transitório, que cessa quando não existe mais uma diferença de temperatura. Os diferentes processos de transferência de calor são referidos como mecanismos de transferência de calor. Existem três mecanismos, que podem ser reconhecidos assim:

• Quando a transferência de energia ocorrer em um meio estacionário, que pode ser um sólido ou um fluido, em virtude de um gradiente de temperatura, usamos o termo transferência de calor por condução. A figura 1.2 ilustra a transferência de calor por condução através de uma parede sólida submetida à uma diferença de temperatura entre suas faces.

[ figura 1.2 ]

• Quando a transferência de energia ocorrer entre uma superfície e um fluido em movimento em virtude da diferença de temperatura entre eles, usamos o termo transferência de calor por convecção. A figura 1.3 ilustra a transferência de calor de calor por convecção quando um fluido escoa sobre uma placa aquecida.

• Quando, na ausência de um meio interveniente, existe uma troca líquida de energia (emitida na forma de ondas eletromagnéticas) entre duas