Fundamentação Teórica Transferência de Calor
Por: eumesma1 • 3/4/2016 • Trabalho acadêmico • 6.342 Palavras (26 Páginas) • 1.286 Visualizações
Fundamentação Teórica
Transferência de Calor
A transferência de calor é a ciência na qual estuda o transporte de energia de um sistema para outro, que ocorre devido à força motriz em conseqüência da diferença de temperatura. Condução, convecção e radiação são os modos de transferência de calor entre um gradiente de temperatura. Para efeitos de estudos nesse relatório utilizamos os conhecimentos básicos sobre condução e convecção, e desconsideramos os efeitos da radiação.
Condução
No fenômeno de condução, a transferência de energia acontece a partir da interação entre as partículas do corpo, ou seja, através de colisões entre átomos e moléculas vizinhas, assim o fenômeno de condução ocorre entre as substancias que estão em contato físico direto, podendo acontecer em sólidos, líquidos ou gases.
“Condução de calor pode ocorrer através de sólidos, líquidos e gases. O calor é conduzido pelo transporte de energia de movimento entre moléculas adjacentes” (Bennett & Myers, 1978).
A lei de Fourier da condução térmica é entendida pela taxa de transferência de calor por condução ser proporcional a diferença de temperatura, mas inversamente proporcional à espessura da camada de condução:
(1)[pic 1]
Onde:
– Constante de proporcionalidade que representa a condutividade térmica dada em ;[pic 2][pic 3]
– Área normal à transferência de calor;[pic 4]
– Gradiente de temperatura.[pic 5]
O gradiente de temperatura pode ser representado como:
(2)[pic 6]
E o fluxo térmico é:
(3)[pic 7]
Ou
(4)[pic 8]
Convecção
“Convecção é o modo de transferência de energia entre uma superfície sólida e uma líquida ou um gás adjacente, que está em movimento e que envolve os efeitos combinados de condução e de movimento de um fluido” (Çengel, 2009 p. 25, grifo do autor).
O movimento do fluído aumenta a transferência de calor, uma vez que coloca mais partes quentes e frias do fluido em contato, iniciando altas taxas de condução em um maior número de pontos em um fluido. Há uma relação diretamente proporcional entre a quantidade de calor transferida com a velocidade do fluido adjacente ao sólido.
A convecção é classificada em duas formas: convecção forçada e convecção natural. No processo de convecção natural o movimento realizado pelo fluido é gerado pelas diferenças de temperatura e densidade, e na convecção forçada o fluido é obrigado a escoar na superfície do sólido ou no interior de um tubo por ações externas causadas por bombas ou ventiladores.
A transferência de calor por convecção é realizada pela interação de um fluido sobre uma superfície aquecida que ocasiona o desenvolvimento de uma região no fluido através da qual sua velocidade varia entre zero, no contato com a superfície (y=0), e um valor finito u∞ associado ao escoamento do fluido. Essa região do fluido é conhecida como Camada limite de velocidade, mostrada na figura 1:
Figura 1: Desenvolvimento da camada limite de velocidade
[pic 9]
Fonte: Incropera et al, 2011.
Como a temperatura do fluido é diferente da temperatura na superfície, também será formada uma região no fluido em que a temperatura irá variar de um valor Ts (y=0) até T∞, para uma região afastada da superfície. Essa região é conhecida por Camada limite térmica, representada na figura 2.
Figura 2: Desenvolvimento da camada limite térmica
[pic 10]
Fonte: Incropera et al, 2011.
A taxa de transferência de calor por convecção ) é expressa pela lei do resfriamento de Newton:[pic 11]
(5)[pic 12]
Onde:
– coeficiente de transferência de calor por convecção dada em W/m².°C.;[pic 13]
– área da superfície de transferência;[pic 14]
– temperatura da superfície;[pic 15]
– temperatura do fluido distante da superfície.[pic 16]
É importante lembrar que o coeficiente não é uma propriedade relacionada a cada tipo de fluido associado. É um parâmetro determinado experimentalmente, cujo valor depende das outras variáveis que influenciam o fenômeno de convecção, como a geometria da superfície, velocidade, entre outras propriedades. Para a avaliação de h são aplicados vários métodos: métodos analíticos são usados para sistemas de escoamento laminar, para sistemas turbulentos podemos usar métodos integrais, teoria do comprimento de mistura e análise dimensional.[pic 17]
Tabela 1 : Valores típicos do coeficiente de transferência de calor por convecção
Tipo de Convecção | h ()[pic 18] |
Convecção livre de gases | 2 – 25 |
Convecção livre de líquidos | 10 – 1000 |
Convecção forçada de gases | 25 – 250 |
Convecção forçada de líquidos | 50 – 20000 |
Ebulição e condensação | 2500 - 1000000 |
Fonte: Çengel, 2009. |
De acordo com Çengel (2009), o escoamento de um fluido é geralmente confinado por superfícies sólidas, é importante compreender a forma como a presença dessas superfícies afeta o escoamento de fluidos. Observações experimentais indicam que um fluido em movimento atinge o repouso completo na superfície e assume uma velocidade zero em relação à superfície. Ou seja, um fluido em contato direto com o sólido “adere” na superfície devido aos efeitos viscosos e não há escorregamento, condição de não deslizamento. Por isso todos os perfis de velocidade devem ter valor zero nos pontos de contato entre um fluido e uma superfície sólida. Essa condição de não deslizamento também proporciona o arrasto na superfície, que é a força que um fluido exerce sobre uma superfície na direção do escoamento.
Uma consequência da condição de não deslizamento é que existirá uma pequena camada de fluido adjacente à superfície, onde o mecanismo de transferência de calor é o de condução pura, e pode ser expressa como:
(W/m²) (6) [pic 19]
Onde
T - representa a distribuição de temperatura do fluido;
- é o gradiente de temperatura na superfície.[pic 20]
Igualando as equações (5) e (6):
(W/m².°C) (7) [pic 21]
O coeficiente de transferência de calor por convecção, em geral, varia ao longo da direção do escoamento. O coeficiente médio de transferência de calor por convecção de uma superfície, em tais casos, é determinado pela média do coeficiente local de transferência de calor por convecção ao longo de toda a superfície. Ou pela seguinte equação:
(8)[pic 22]
- Transferência de calor em superfícies estendidas
Incropera,2011, descreve superfície estendida como o termo usado para descrever um caso especial que envolve a transferência de calor por condução no interior de um sólido e a transferência de calor por convecção (e/ou radiação) nas fronteiras do sólido. Sabemos que existem fatores que influenciam na transferência de calor de um corpo. E estes estão relacionados na Equação (9), a equação da resistência total no corpo.
...