Apostila de Fenômenos de Transporte

Apostila de Fenômenos de Transporte

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FENÔMENOS DOS TRANSPORTES Eduardo Emery Cunha Quites

O processo de transporte é caracterizado pela tendência ao equilíbrio, que é uma condição onde não ocorre nenhuma variação. Os fatos comuns a todos processos de transporte são :

A Força MotrizO movimento no sentido do equilíbrio é causado por uma diferença de potencial O TransporteAlguma quantidade física é transferida

O Meio A massa e a geometria do material onde as variações ocorrem afetam a velocidade e a direção do processo

Como exemplos podemos citar :

• Os raios solares aquecem a superfície externa de uma parede e o processo de transferência de calor faz com que energia seja transferida através da parede, tendendo a um estado de equilíbrio onde a superfície interna será tão quente quanto à externa.

• Quando um fluido está entre duas placas paralelas e uma delas se movimenta, o processo de transferência de quantidade de movimento faz com que as camadas de fluido adjacentes à placa se movimentem com velocidade próxima à da placa, tendendo a um estado de equilíbrio onde a velocidade do fluido varia de V na superfície da placa em movimente até 0 na superfície da placa estacionária.

• Uma gota de corante é colocada em recipiente com água e o processo de transferência de massa faz com que o corante se difunda através da água, atingindo um estado de equilíbrio, facilmente detectado visualmente.

1. TRANSFERÊNCIA DE CALOR

1.1. INTRODUÇÃO

1.1.1. 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 ! 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.

[ figura 1.3 ]

•Quando, na ausência de um meio interveniente, existe uma troca líquida de energia (emitida na forma de ondas eletromagnéticas) entre duas superfícies a diferentes temperaturas, usamos o termo radiação. A figura 1.4 ilustra a transferência de calor por radiação entre duas superfícies a diferentes temperaturas.

[ figura 1.4 ]

2.4. MECANISMOS COMBINADOS

Na maioria das situações práticas ocorrem ao mesmo tempo dois ou mais mecanismos de transferência de calor atuando ao mesmo tempo. Nos problemas da engenharia, quando um dos mecanismos domina quantitativamente, soluções aproximadas podem ser obtidas desprezando-se todos, exceto o mecanismo dominante. Entretanto, deve ficar entendido que variações nas condições do problema podem fazer com que um mecanismo desprezado se torne importante. Como exemplo de um sistema onde ocorrem ao mesmo tempo vários mecanismo de transferência de calor consideremos uma garrafa térmica. Neste caso, podemos ter a atuação conjunta dos seguintes mecanismos esquematizados na figura 1.5 :

[ figura 1.5 ] q1 : convecção natural entre o café e a parede do frasco plástico q2 : condução através 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

Melhorias estão associadas com (1) uso de superfícies aluminizadas ( baixa emissividade ) para o frasco e a capa de modo a reduzir a radiação e (2) evacuação do espaço com ar para reduzir a convecção natural.

1.1.3. SISTEMAS DE UNIDADES

As dimensões fundamentais são quatro : tempo, comprimento, massa e temperatura. Unidades são meios de expressar numericamente as dimensões. Apesar de ter sido adotado internacionalmente o sistema métrico de unidades denominado sistema internacional (S.I.), o sistema inglês e o sistema prático métrico ainda são amplamente utilizados em todo o mundo. Na tabela 1.1 estão as unidades fundamentais para os três sistemas citados :

Tabela 1.1 - Unidades fundamentais dos sistemas de unidades mais comuns

SISTEMATEMPO, tCOMPRIMENTO,L MASSA ,mTEMPERATURA

S.I. Segundo,s metro,m quilograma,kg Kelvin,k

INGLÊS Segundo,s pé,ft libra-massa,lb Farenheit,oF MÉTRICO Segundo,s metro,m quilograma,kg celsius,oC

Unidades derivadas mais importantes para a transferência de calor, mostradas na tabela 1.2, são obtidas por meio de definições relacionadas a leis ou fenômenos físicos :

•Lei de Newton : Força é igual ao produto de massa por aceleração ( F = m.a ), então : 1 Newton ( N ) é a força que acelera a massa de 1 Kg a 1 m/s2

•Trabalho ( Energia ) tem as dimensões do produto da força pela distância ( τ = F.x ), então : 1 Joule ( J ) é a energia dispendida por uma força de 1 N em 1 m

1 Watt ( W ) é a potência dissipada por uma força de 1 J em 1 s

•Potência tem dimensão de trabalho na unidade de tempo ( P = τ / t ), então : Tabela 1.2 - Unidades derivadas dos sistemas de unidades mais comuns

S.I. Newton,N Joule,J Watt,W

INGLÊS libra-força,lbflbf-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 :

• 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 • 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 :

&q - fluxo de calor transferido (potência) : W, Btu/h, Kcal/h Q- quantidade de calor transferido (energia) : J, Btu, Kcal

1.2. CONDUÇÃO 1.2.1. LEI DE FOURIER

A lei de Fourier 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 1.6 :

[ figura 1.6 ]

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:

T Aq

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:

dx=−( eq. 1.1 ) onde, &q, 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, medida perpendicularmente à direção do fluxo ( m2); dTdx, 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. 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).

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

Kcal

C m hKcal dT A q k dT Akq

o
No sistema inglês fica assim :

m.K

Btu hf t Fo..

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..

1.2.2. 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 1.7, 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 1.7 ] Aplicado a equação de Fourier, tem-se:

Fazendo a separação de variáveis, obtemos : dTAkdxq...−=&( eq. 1.2 )

Na figura 1.7 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 1.2, entre os limites que podem ser verificados na figura 1.7, fica assim :

T dTAkdxq

() 21TTAkLq −=&

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 :

Para melhor entender o significado da equação 1.3 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 1.3, o engenheiro tem, por exemplo, as opções listadas na tabela 1.3 : Tabela 1.3- Possibilidades para redução de fluxo de calor em uma parede plana.

Reduzir ktrocar a parede por outra de menor condutividade térmica Reduzir q&Reduzir Areduzir a área superficial do forno

Aumentar Laumentar a espessura da parede Reduzir ∆Treduzir 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 R.1.2.1. Um equipamento condicionador de ar deve manter uma sala, de 15 m de comprimento, 6 m de largura e 3 m de altura a 2 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 :

bidimensional, é pequena em relação ao resto, podemos utilizar a equação 1.3 :()()()hKcalC m mCmhKcal T

,q Kcalh HP Kcal

Portanto a potência requerida para o condicionador de ar manter a sala refrigerada é : &qH P≅ 2

1.2.3. ANALOGIA ENTRE RESISTÊNCIA TÉRMICA E RESISTÊNCIA ELÉTRICA

Dois sistemas são análogos quando eles obedecem a equações semelhantes. Por exemplo, a equação 1.3 que fornece o fluxo de calor através de uma parede plana pode ser colocada na seguinte forma :

T q

=&( eq. 1.4 )

O denominador e o numerador da equação 1.4 podem ser entendidos assim :

••••( ∆∆∆∆T ) , a diferença entre a temperatura da face quente e da face fria, consiste no potencial que causa a transferência de calor

•( L / k.A ) é equivalente a uma resistência térmica (R) que a parede oferece à transferência de calor

Portanto, o fluxo de calor através da parede pode ser expresso da seguinte forma :

parede da térmicaaresistênci a é
e térmicopotencial o éonde, R

Se substituirmos na equação 1.5 o símbolo do potencial de temperatura ∆∆∆∆T pelo de potencial elétrico, isto é, a diferença de tensão ∆∆∆∆U, e o símbolo da resistência térmica R pelo da resistência elétrica Re, obtemos a equação 1.6 ( lei de Ohm ) para i, a intensidade de corrente elétrica :

k Kcal h m C Lc m m m

Dada esta analogia, é comum a utilização de uma notação semelhante a usada em circuitos elétricos, quando representamos a resistência térmica de uma parede ou associações de paredes. Assim, uma parede de resistência

R, submetida a um potencial ∆T e atravessada por um fluxo de calor &q, pode ser representada como na figura 1.8 :

[ figura 1.8 ] 1.2.4. ASSOCIAÇÃO DE PAREDES PLANAS EM SÉRIE

Consideremos um sistema de paredes planas associadas em série, submetidas 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. Assim, haverá a transferência de um fluxo de calor contínuo no regime permanente através da parede composta. Como exemplo, analisemos a transferência de calor através da parede de um forno, que pode ser composta de uma camada interna de refratário ( condutividade k1 e espessura L1), uma camada intermediária de isolante térmico ( condutividade k2 e espessura L2) e uma camada externa de chapa de aço ( condutividade k3 e espessura L3). A figura 1.9 ilustra o perfil de temperatura ao longo da espessura da parede composta :

k k

[ figura 1.9 ]

O fluxo de calor que atravessa a parede composta pode ser obtido em cada uma das paredes planas individualmente :

T q kA

T q kA

Colocando em evidência as diferenças de temperatura em cada uma das equações 1.7 e somando membro a membro, obtemos:

T qL

T qL

T qL

qLkA qLkA qL kA qLkA qLkA qL kA14

. ( eq. 1.8 )

Colocando em evidência o fluxo de calor &q e substituindo os valores das resistências térmicas em cada parede na equação 1.8 , obtemos o fluxo de calor pela parede do forno :

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