Transferencia de Calor - da UNISANTA

Transferencia de Calor - da UNISANTA

(Parte 3 de 25)

Tabela 2.2 - Unidades derivadas dos sistemas de unidades mais comuns

SISTEMA

FORÇA,F

ENEGIA,E

POTÊNCIA,P

S.I.

Newton,N

Joule,J

Watt,W

INGLÊS

libra-força,lbf

lbf-ft (Btu)

Btu/h

MÉTRICO

kilograma-força,kgf

kgm (kcal)

kcal/h

As unidades mais usuais de energia ( Btu e Kcal ) são baseadas em fenômenos térmicos, e definidas como :

ê Btu é a energia requerida na forma de calor para elevar a temperatura de 1lb de água de 67,5 oF a 68,5 oF

ê Kcal é a energia requerida na forma de calor para elevar a temperatura de 1kg de água de 14,5 oF a 15,5 oF

Em relação ao calor transferido, as seguintes unidades que são, em geral, utilizadas :

- fluxo de calor transferido (potência) : W, Btu/h, Kcal/h

Q- quantidade de calor transferido (energia) : J, Btu, Kcal

3. 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 ( figura 3.1 ), 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.

[ figura 3.1 ]

3.1. LEI DE FOURIER

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. Consideremos, por exemplo, a transferência de calor através de uma barra de ferro com uma das extremidades aquecidas e com a área lateral isolada termicamente, como mostra a figura 3.2 :

[ figura 3.2 ]

Com base em experiências, variando a área da seção da barra, a diferença de temperatura e a distância entre as extremidades, chega-se a seguinte relação de proporcionalidade:

( eq. 3.1 )

A proporcionalidade pode se convertida para igualdade através de um coeficiente de proporcionalidade e a Lei de Fourier pode ser enunciada assim:

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

( eq. 3.2 )

onde,

, fluxo de calor por condução ( Kcal/h no sistema métrico);

k, condutividade térmica do material;

A, área da seção através da qual o calor flui por condução, medida perpendicularmente à direção do fluxo ( m2);

, gradiente de temperatura na seção, isto é, a razão de variação da temperatura T com a distância, na direção x do fluxo de calor ( oC/h ) ."

A razão do sinal menos na equação de Fourier é que a direção do aumento da distância x deve ser a direção do fluxo de calor positivo ( figura 3.3 ). Como o calor flui do ponto de temperatura mais alta para o de temperatura mais baixa (gradiente negativo), o fluxo só será positivo quando o gradiente for positivo (multiplicado por -1).

[ figura 3.3 ]

O fator de proporcionalidade k ( condutividade térmica ) que surge da equação de Fourier é uma propriedade de cada material e vem exprimir a maior ou menor facilidade que um material apresenta à condução de calor. Sua unidade é facilmente obtida da própria equação de Fourier ( equação 3.2 ), por exemplo no sistema prático métrico temos :

(eq. 3.3 )

Os valores numéricos de k variam em extensa faixa dependendo da constituição química, estado físico e temperatura dos materiais. Quando o valor de k é elevado o material é considerado condutor térmico e, caso contrário, isolante térmico. Com relação à temperatura, em alguns materiais como o alumínio e o cobre, o k varia muito pouco com a temperatura, porém em outros, como alguns aços, o k varia significativamente com a temperatura. Nestes casos, adota-se como solução de engenharia um valor médio de k em um intervalo de temperatura. A variação da condutividade térmica ( no S.I. ) com a temperatura é mostrada na figura 3.4 para algumas substâncias.

[ figura 3.4 ]

3.2. CONDUÇÃO DE CALOR EM UMA PAREDE PLANA

Consideremos a transferência de calor por condução através de uma parede plana submetida a uma diferença de temperatura. Ou seja, submetida a uma fonte de calor , de temperatura constante e conhecida, de um lado, e a um sorvedouro de calor do outro lado, também de temperatura constante e conhecida. Um bom exemplo disto é a transferência de calor através da parede de um forno, como pode ser visto na figura 3.5, que tem espessura L, área transversal A e foi construído com material de condutividade térmica k. Do lado de dentro a fonte de calor mantém a temperatura na superfície interna da parede constante e igual a T1 e externamente o sorvedouro de calor ( meio ambiente ) faz com que a superfície externa permaneça igual a T2.

[ figura 3.5 ]

Aplicado a equação de Fourier, tem-se:

Fazendo a separação de variáveis, obtemos :

( eq. 3.4 )

Na figura 3.5 vemos que na face interna ( x=0 ) a temperatura é T1 e na face externa ( x=L ) a temperatura é T2. Para a transferência em regime permanente o calor transferido não varia com o tempo. Como a área transversal da parede é uniforme e a condutividade k é um valor médio, a integração da equação 3.4, entre os limites que podem ser verificados na figura 3.5, fica assim :

( eq. 3.5 )

Considerando que ( T1 - T2 ) é a diferença de temperatura entre as faces da parede ( DT ), o fluxo de calor a que atravessa a parede plana por condução é :

( eq. 3.6 )

Para melhor entender o significado da equação 3.6 consideremos um exemplo prático. Suponhamos que o engenheiro responsável pela operação de um forno necessita reduzir as perdas térmicas pela parede de um forno por razões econômicas. Considerando a equação 3.6, o engenheiro tem, por exemplo, as opções listadas na tabela 3.1 :

Tabela 3.1- Possibilidades para redução de fluxo de calor em uma parede plana.

OBJETIVO

VARIÁVEL

AÇÃO

k↓

trocar a parede por outra de menor condutividade térmica

A↓

reduzir a área superficial do forno

L↑

aumentar a espessura da parede

∆T↑

reduzir a temperatura interna do forno

Trocar a parede ou reduzir a temperatura interna podem ações de difícil implementação; porém, a colocação de isolamento térmico sobre a parede cumpre ao mesmo tempo as ações de redução da condutividade térmica e aumento de espessura da parede.

Exercício 3.1. Um equipamento condicionador de ar deve manter uma sala, de 15 m de comprimento, 6 m de largura e 3 m de altura a 22 oC. As paredes da sala, de 25 cm de espessura, são feitas de tijolos com condutividade térmica de 0,14 Kcal/h.m.oC e a área das janelas podem ser consideradas desprezíveis. A face externa das paredes pode estar até a 40 oC em um dia de verão. Desprezando a troca de calor pelo piso e pelo teto, que estão bem isolados, pede-se o calor a ser extraído da sala pelo condicionador ( em HP ).

OBS : 1 HP = 641,2 Kcal/h

Para o cálculo da área de transferência de calor desprezamos as áreas do teto e piso, onde a transferência de calor é desprezível. Desconsiderando a influência das janelas, a área das paredes da sala é :

Considerando que a área das quinas das paredes, onde deve ser levada em conta a transferência de calor bidimensional, é pequena em relação ao resto, podemos utilizar a equação 3.6 :

Portanto a potência requerida para o condicionador de ar manter a sala refrigerada é :

Exercício 3.2. As superfícies internas de um grande edifício são mantidas a 20 oC, enquanto que a temperatura na superfície externa é -20 oC. As paredes medem 25 cm de espessura , e foram construidas com tijolos de condutividade térmica de 0,6 kcal/h m oC.

a) Calcular a perda de calor para cada metro quadrado de superfície por hora.

b) Sabendo-se que a área total do edifício é 1000 m2 e que o poder calorífico do carvão é de 5500 kcal/Kg, determinar a quantidade de carvão a ser utilizada em um sistema de aquecimento durante um período de 10 h. Supor o rendimento do sistema de aquecimento igual a 50%.

a) Desprezando o efeito do canto das paredes e a condutividade térmica da argamassa entre os tijolos, aplica-se a equação de Fourier para paredes planas

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