EM-524 Fenômenos de Transporte

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1 EM-524 Fenômenos de Transporte Livro : Introdução às Ciências Térmicas F.W. Schmidt, R.E. Henderson e C.H. Wolgemuth Editora Edgard Blücher Denilson Boschiero do Espirito Santo DE FEM sala : ID301 1 o semestre / 2009

2 Ciências Térmicas (1) Iremos estudar princípios básicos das ciências térmicas que são normalmente constituídos de: Termodinâmica : ciência que se preocupa com o estudo das transformações de energia e das grandezas físicas de uma substância afetadas pelas transformações energéticas. Mecânica dos Fluidos :ciência que lida com o transporte de energia e a resistência ao movimento associada com o escoamento do fluido. Transferência de Calor : ciência que descreve a transferência de uma determinada forma de energia como decorrência de uma diferença de temperaturas.

3 Ciências Térmicas (2) As três ciências térmicas estão relacionadas na grande parte das aplicações de engenharia que envolvem o uso de energia; O engenheiro deve ter conhecimentos básicos dos fundamentos da termodinâmica, mecânica dos fluidos e transferência de calor para tomar decisões de problemas relacionados a energia; o engenheiro elétrico, civil, entre outros, é freqüentemente forçado a tomar decisões de projeto que envolvem o conhecimento das ciências térmicas.

4 Termodinâmica (1) Definição: Estudo da energia associada com uma certa quantidade de matéria ou com um volume bem definido no espaço; Esta quantidade fixa de matéria pode ser: 1) Sistema termodinâmico ou sistema fechado : troca calor e trabalho com o meio externo; ou 2) Volume de controle : aplicação dos conceitos considerando a ciência da mecânica dos fluidos (transporte de matéria através de um volume ou região no espaço); 1 a lei da termodinâmica : enunciado de conservação de energia, portanto a soma algébrica de todas as formas de energia que cruzam a fronteira do sistema (calor, trabalho e transporte de matéria) é igual a variação de energia líquida armazenada internamente pelo sistema (Ec, Ep e Eu); Lembrando que: Ec = m.v 2 /2 Ep = m.g.z Eu = energia interna (depende de propriedades da substância);

5 Termodinâmica (2) Para avaliar a energia armazenada pelo sistema, deve-se conhecer o comportamento da substância e as relações entre certas propriedades da substância (equações algébricas ou tabelas); Trabalho pode ser completamente convertido em calor, entretanto existe um limite para a conversão de calor em trabalho. Um ciclo reversível estabelece este limite: Ciclo de Carnot; A 2 a lei faz distinção entre formas de energia através da capacidade de produção de trabalho; A 2 a lei da termodinâmica revela uma direção natural de processos termodinâmicos. (Energia potencial pode ser convertido em calor quando um corpo escorrega sobre uma superfície inclinada através do atrito, calor flui de um corpo quente para um corpo frio, sendo que o caminho inverso é impossível); 2 a lei auxilia a escolha de processos reais através da comparação com processos ideais usando o conceito da irreversibilidade; Quanto maior for a irreversibilidade de um processo pior é o processo;

6 Termodinâmica Capítulo 02 Cap. 02 : Definições e Conceitos Termodinâmica Clássica: abordagem macroscópica para o estudo das transformações energéticas; Sistema Termodinâmico; Propriedades Termodinâmicas (P, V e T); Mudanças de estado; Calor e Trabalho;

7 Termodinâmica Capítulo 03 Cap. 03 : Propriedades de Substâncias Puras; Definições : Substância pura : composição química uniforme; Equilíbrio de fase; Tabela de propriedades; Equações de estado de um gás ideal; Relações entre propriedades de um gás ideal;

8 Termodinâmica Capítulo 04 Cap. 04 : Análise de Sistemas : 1 a e 2 a lei da termodinâmica; Primeira lei da termodinâmica; Segunda lei da termodinâmica; Equações T-ds para uma substância compressível simples; Diagramas de temperatura entropia (T x s);

9 Termodinâmica Capítulo 05 Cap. 05 : Análise Através de Volume de Controle; Teorema de Transporte de Reynolds; Conservação da quantidade de massa para um VC; Conservação da quantidade de movimento para um VC; Conservação da quantidade de energia para um VC; Seleção de um volume de controle; A 2a lei para um volume de controle; Conversão de energia;

10 Mecânica dos Fluidos (1) O emprego útil de algumas formas de energia necessitam do seu transporte através de um fluido, o estudo do movimento de um fluido é chamado de mecânica dos fluidos; Exemplos: ar comprimido, vapor, água quente, ar condicionado, etc. A movimentação de fluidos se dá através do uso de bombas (líquidos), ventiladores (gás a baixa pressão), compressores (gás a média/alta pressão). Fluido: substância que se deforma continuamente quando submetido a um esforço, isto é ele escoa (gases e/ou líquidos); Resistência ao movimento do fluido é vencido através do fornecimento de energia ao mesmo; O estuda da mecânica dos fluidos é útil para se determinar: 1) resistência ao movimento de carros, aviões, trens, navios, etc; 2) forças do vento sobre edificações; 3) potências para bombear fluidos entre diferentes localizações; 4) etc; Iremos usar modelos matemáticos para estudar a mecânica dos fluidos; Simplificação da análise dos problemas : regime permanente, escoamentos uni ou bidimensionais, escoamentos incompressíveis; Número de Reynolds : força de inércia / força viscosa;

11 Mecânica dos Fluidos (2) O campo do escoamento é uma representação do movimento no espaço em diferentes instantes, V (x,y,z,t). A representação visual é obtido pela introdução de um material de rastreamento no escoamento e pela sua fotografia (exemplo: tintas em água e fumaça em ar). Tais fotografias revelam linhas de corrente que é uma linha contínua tangente aos vetores velocidade (não há escoamento cruzando uma linha de corrente); As propriedades de transporte dos fluidos auxiliam no estudo do escoamento: i) a viscosidade relaciona a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação, ii) a condutividade térmica está relacionada ao transporte de energia e iii) a difusidade ao transporte de massa; Tensão de cisalhamento: máxima na parede (princípio da aderência); Força de arrasto: superfície em movimento; Escoamento incompressível ou compressível; Número de Mach = velocidade / velocidade do som (Mach < 0,3 incomp), se Mach for maior que 1 então o escoamento é supersônico;

12 Mecânica dos Fluidos (3)

13 Mecânica dos Fluidos Capítulo 06 Cap. 06 : Escoamento Externo Efeitos Viscosos e Térmicos; Camadas limites externas; Características de escoamento de uma camada limite; Resistência ao movimento. Arrasto sobre superfícies; A influência dos gradientes de pressão; Coeficiente de transferência de calor por convecção; Convecção natural, forçada e combinada;

14 Mecânica dos Fluidos Capítulo 07 Cap. 07 : Escoamento Interno : Efeitos Viscosos e Térmicos; Efeitos viscosos na região de entrada de um duto; Perdas de energia em escoamento internos; Transferência de calor em dutos; Transferência de calor em regime laminar; Transferência de calor em regime turbulento; Trocadores de calor;

15 Transferência de Calor (1) Ocorre devido a uma diferença de temperatura; A ciência da transferência de calor identifica os fatores que influênciam a taxa de transferência de energia entre sólidos e fluidos. Há 3 categorias gerais para classificar a forma como calor é transmitido: i) convecção, ii) condução e iii) radiação; Condução : transferência de energia através de uma substância (sólido ou fluido), como resultado de um gradiente de temperatura dentro da substância (difusão de calor / energia); Equação básica da condução : Lei de Fourier (Qx=-k.dT/dx); K = condutividade térmica (propriedade termofísica da substância); Metais são bons condutores e isolantes são maus condutores;

16 Transferência de Calor (2) Convecção : transferência de energia entre um fluido e um sólido. Dois fenômenos presentes : condução e convecção. Sendo a convecção associado com o movimento do fluido; Escoamentos externos e internos; Equação da convecção (lei de resfriamento de Newton) : Q=h.A.DT Propriedades termofísicas do fluido são estudadas: densidade, condutibilidade, viscosidade, calor específico; Métodos de movimentação : convecção forçada ou natural; Características do escoamento : laminar ou turbulento; Radiação : transferência de energia por ondas eletromagnéticas, sempre ocorre quando a temperatura é maior do que o zero absoluto. Pode ocorrer entre um gás e uma superfície sólida ou entre duas os mais superfícies (forno e uma pessoa); Equação da energia transmitida por uma superfície ideal (corpo negro) : En = σ.t 4, onde σ é igual a constante de Stefan-Boltzmann; Radiação térmica de superfícies depende de características de radiação da superfície; A troca de calor por energia radiante é um processo complexo, já que as ondas eletromagnéticas viajam em linhas retas e dependem da orientação geométrica das superfícies;

17 Transferência de Calor Capítulo 08 Capítulo 08 : Transferência de Calor por Condução; Equação da condução de calor e condições de contorno; Condução de calor em regime permanente (unidimensional e bidimensional);

18 Transferência de Calor Capítulo 09 Capítulo 09 : Transferência de calor por radiação térmica; Radiação térmica; Propriedades básicas da radiação; Transferência de calor por radiação entre duas superfícies paralelas infinitas; Fatores de forma de radiação; Transferência de calor por radiação entre duas superfícies cinzentas; Coeficiente de transferência de calor por radiação;

19 Aplicações Sistemas de bombeamento em instalações de ar condicionado. Shopping centers, médias/grandes industrias, aeroportos, prédios comerciais, etc...

20 Aplicações Turbina a gás (uso aeronáutico ou estacionário para a produção de potência). Motores de combustão interna.

21 Turbina a gás e caldeira de recuperação

22 Aplicações Ciclo Combinado Turbina a gás e ciclo e vapor Eficiência de até 60%

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