Automação 2 semestre de 2014

Transcrição

1 FENÔMENO DOS TRANSPORTES II Automação 2 semestre de 2014 PROF. Panesi

2 CALOR E TEMPERATURA teoria do calor James Prescott Joule calor poderia ser convertido em trabalho e vice-versa criando dessa forma os princípios da primeira lei da termodinâmica.

3 Clausius É impossível para qualquer sistema operar de maneira que o único resultado seria a transferência de energia térmica de um corpo mais frio para um corpo mais quente.

4 COMO O CALOR É TRANSFERIDO Condução; Convecção; Radiação.

5 CONDUÇÃO

6 CONVECÇÃO

7 LEI DE RESFRIAMENTO PROPOSTA POR ISAAC NEWTON q = A(T amb - T sup )

8 RADIAÇÃO q = k ( t 4 sup t 4 viz ) W/m 2 k= constante de Boltzmann ( 4,87x10-8 kcal/m 2 k 4 ou 5,67x10-8 W/m 2 k 4 ) = emissividade que depende do material e da temperatura da superfície

9 Superfície T ºC Emissividade, Alumínio: Placa polida oxidado ,039 0,057 0,20-0,31 Latão: polido laminado placa opaca ,028-0,031 0,038 0,22 Cobre: polido 117 0,023 Ouro puro polido ,018-0,035 Aço, polido 100 0,066 Ferro, polido ,14-0,38 Aço doce ,20-0,32 Níquel, polido 100 0,072 Platina ,054-0,104 Prata: Polida, pura Polida ,020-0,032 0,022-0,031 Aço inoxidável: Polido ,074 0,54-0,63 Zinco,placa de ferro galvanizada 28 0,23 Amianto, placa 23 0,96 Tijolo: Bruto refratário ,93 0,75 Vidro 22 0,94

10 MECANISMOS COMBINADOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

11 MECANISMOS COMBINADOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

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13 ANÁLISE DE TRANFERÊNCIA DE CALOR POR CONDUÇÃO A taxa na qual o calor é transferido por condução (q x ) é proporcional ao gradiente de temperatura dt/dx multiplicado pela área A através do qual o calor é transferido:

14 SENTIDO DE DESLOCAMENTO DO CALOR Pela figura T e X serão respectivamente (T final T inicial ) e (x final x inicial ), mas para que o fluxo de calor q x ocorra, T final tem que ser menor que T inicial (2ª lei da termodinâmica) então T será negativo. Portanto se o calor transferido na direção x positiva deve ser uma quantidade positiva, um sinal negativo deve ser inserido nolado direito daequação anterior:

15 LEI DE FOURIER Na equação anterior a proporcionalidade pode se convertida para igualdade através de um coeficiente de proporcionalidade. Mas qual será esse coeficiente? Bem se na condução de calor o estado físico principal do meio é o estado sólido, então esse coeficiente tem que ser algo que dependa das características de cada material utilizado. Quem definiu esse coeficiente inicialmente foi Fourier (Jean-Baptiste Joseph Fourier, matemático e físico Francês, ), denominando de coeficiente de condutividade térmica k em W/mK, então a equação anterior pode ser reescrita e definida como sendo a lei de Fourier:

16 EQUAÇÃO DE CONDUÇÃO DE CALOR EM SUPERFÍCIES PLANAS

17 CONDUÇÃO UNIDIMENSIONAL EM REGIME PERMANENTE E SEM GERAÇÃO DE CALOR EM SUPERFÍCIES PLANAS

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19 CONDUÇÃO DE CALOR EM SUPERFÍCIES CILÍNDRICAS

20 CONDUÇÃO UNIDIMENSIONAL EM REGIME PERMANENTE E SEM GERAÇÃO DE CALOR EM SUPERFÍCIES CILÍNDRICAS

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22 CONDUÇÃO DE CALOR EM SUPERFÍCIES ESFÉRICAS

23 RESISTÊNCIAS TÉRMICAS EM SUPERFÍCIES PLANAS Sendo que: = resistividade elétrica do condutor; L = comprimento do condutor; A = área da secção reta do condutor

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25 RESISTÊNCIAS TÉRMICAS EM SUPERFÍCIES CILÍNDRICAS

26 RESISTÊNCIAS TÉRMICAS EM SUPERFÍCIES ESFÉRICAS

27 CONVECÇÃO E CONDUÇÃO EM SÉRIE EM SUPERFÍCIES PLANAS E CILÍNDRICAS

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29 COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSMISSÃO DE CALOR (U) Todo o material que compõe uma determinada superfície possui uma resistência térmica a passagem de calor, em situações que ocorrem efeitos combinados de transmissão de calor por condução e convecção. O Inverso da resistência térmica é o termo denominado de coeficiente global de transmissão de calor (U). Podemos escrever uma nova expressão para o fluxo de calor em superfícies planas introduzindo o coeficiente global de transmissão de calor: q x = UA T

30 Quanto maior for o valor de U maior será a transferência de calor envolvida no processo. Para as superfícies planas as áreas de todas as seções no caminho do fluxo de calor são as mesmas, porém para superfícies cilíndricas e esféricas, a área varia com a distância radial e os coeficientes globais de transmissão de calor podem estar baseados em qualquer área. Assim, o valor de U dependerá da área escolhida. Como na prática o diâmetro mais externo é o demais fácil medição normalmente é escolhido como área base para superfícies cilíndricas e esféricas.

31 EXEMPLOS

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37 3-Uma janela tem dois vidros de 5 mm de espessura e área de 1,8 m 2. Entre os vidros existe um vão de 2 cm contendo ar. A condutibilidade térmica do vidro e do ar são kvidro=0,78 W/m C e kar=0,026 W/m C respectivamente. Determine a resistência térmica total, a taxa de transferência de calor para o interior do recinto e a temperatura na superfície do vidro-1 sabendo que a temperatura do ar é de 29 ºC e a do recinto de 3 ºC. Os coeficientes de transferência de calor no exterior e no interior são de 18 W/m 2 C e 32 W/m 2 C respectivamente. Desprezar o calor transferido por radiação.

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41 4- Água a 85 ºC está fluindo através de um tubo de ferro fundido de raio interno 20 cm, raio externo 25 cm e 6m de comprimento. O tubo está exposto ao ar a 10 ºC. Determine a taxa de perda de calor da água quente através do tubo, sabendo que a condutibilidade térmica e a emissividade do ferro fundido são k = 52 W/m C e ε = 0,7. Os coeficientes de transferência de calor por convecção da água e do ar são de 54 W/m 2 C e 15 W/m 2 C respectivamente.

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