Fenomenos AULA 1

1Fenmeno dos Transportes

Prof. Daniel Lucas

1 Semestre 2015

FENMENOS DOS TRANSPORTES

2

Contedo ProgramticoEmenta do Curso:

1. Transferncia de Calor:

Conduo; Conveco; Radiao; Aplicaes; Transferncia de Massa; Teoria da Camada Limite;

2. Mecnica dos Fluidos:

Definies e Propriedades Fsicas dos Fluidos; Estudo da viscosidade Lei de Newton para

viscosidade; Teorema de Stevin e lei de Pascal; Esforos aplicados por lquidos em superfcies

submersas; Princpio de Archimedes e suas aplicaes;Fundamentos da cinemtica dos fluidos; Equaes gerais da cinemtica dos fluidos; Dinmica dos fluidos: conceitos gerais, equao da

continuidade, de Bernoulli, da quantidade demovimento;

Estudos de modelos de escoamento em condutos; Noes de perdas de carga;


3

Bibliografia:

1) INCROPERA, Frank P.;DeWITT, David P. Fundamentos de Transfernciade Calor e Massa. 4 Edio. LTC Editora.

2) GILES, Ronald V,; EVETT, Jack B.; LIU, Cheng. Mecnica dos Flidos e Hidrulica 2 Edio McGraw Hill 1997.

3) FOX, ROBERT W.; PRITCHARD, PHILIP J. Introduo a Mecnica dos Fluidos 7 Edio LTC Editora 2009.

4) Roma, Woodrow Nelson. Fenmenos de Transportes para Engenharia 2 edio.Rima Editora.


4

Critrio de Avaliao:

A avaliao ser composta de duas provas e listas de exerccios. O valor final da mdia ser:

=0,8+0,2

MF Mdia FinalMP Mdia das ProvasME Mdia dos Exerccios.


Introduo:

O estudo de fenmenos de transporte tem aplicaes muitoimportantes na engenharia, pois permite conhecer assuntosdiversos, como o transporte de fluidos ao longo de canalizaesou a quantificao da dissipao de calor de motores, dando aoestudante uma ferramenta importante para a otimizao dosprocessos de fabricao e produo.

5

Fenmenos de Transferncia

Os fenmenos de transferncia, tratam da movimentao de uma grandeza fsica de um ponto para outro do espao e do corpo disciplina de fenmenos do transporte. So eles:

Transporte de quantidade de movimento; Transporte de energia trmica; Transporte de massa.

6


Os Fenmenos de transporte na Engenharia

Civil e Arquitetura: constitui a base do estudo de hidrulica ehidrologia e tem aplicaes no conforto trmico em edificaes;

Ambiental: no estudo da difuso de poluentes no ar e no solo;

Eltrica e Eletrnica: no calculo de dissipao de potencia,seja nas mquinas produtoras ou transformadoras de energiaeltrica, seja na otimizao de gasto de energia noscomputadores e dispositivos de comunicao.

7


Qumica: Constituem a base das operaes unitrias, que porsua vez constituem a base da Engenharia Qumica.

Eng. de Produo: na otimizao dos processos produtivos ede transporte de fluidos e nos estudos de ciclo de vida dosprodutos industrializados.

Mecnica: nos processos de usinagem, tratamento trmico, nocalculo de mquinas hidrulicas, mquinas trmicas e frigorificasalm de fundamental no desenvolvimento da aerodinmica decarros e avies.

8


9FENMENOS DOS TRANSPORTES

A partir do estudo da termodinmica, aprendemos que energiapode ser transferida atravs de interaes de um sistema comsua vizinhana. Essas interaes so conhecidas por trabalhoe calor. Temperaturas mais altas esto associadas a energiasmoleculares mais altas, e quando molculas vizinhas colidementre si, fato que acontece constantemente, h transfernciade energia das molculas de maior energia para aquelas demenor energia.

10


Sendo assim, podemos definir transferncia de calor comoa energia em transito devido a uma diferena detemperatura.

Outro conceito importante no fenmeno dos transportes oconceito de fluido. O conceito de fluido normalmente ligado alquidos e gases. Esse conceito bsico no suficiente, sendonecessria uma definio mais rigorosa que realmente defina aclasse fluido.

Sendo assim, podemos definir fluido como uma substanciaque se deforma continuamente, isto , escoa, sob ao deuma fora tangencial, por menor que ela seja.

11


Outra definio mais simples : Substancia que adquire aforma do recipiente que a contem.

Fluido tambm pode ser definido como uma substnciaque, quando submetida a uma fora tangencial constante, sedeforma continuamente

12


O que Mecnica dos Fluidos?

a cincia que estuda o comportamento fsico dos fluidos, bemcomo as leis que regem esse comportamento.

Sua fundamentao faz parte da soluo de diversos problemas deengenharia em mquinas hidrulicas, aplicaes pneumticas ehidrulicas industriais, escoamento de lquidos e gases, indstriaqumica e de processamento, sistemas de ventilao, etc.

13


- IMPORTANTE:

O fluido permanecer em deformao e em movimentoenquanto estiver sob ao da fora tangencial.

Ao cessar essa ao, o fluido conseguir novamente atingir umasituao de equilbrio esttico.

14


Transferncia de Calor e Massa

Sempre que existir um gradiente de temperatura no interior de um sistema ou dois sistemas a diferentes temperaturas, colocadas em contato, haver transferncia de energia por calor.

A transferncia de calor o trnsito de energia provocado por uma diferena de temperatura, no sentido da temperatura mais alta para a mais baixa.

15


Os processos de transferncia de calor devem obedecer sleis da Termodinmica: 1 Lei da Termodinmica (Lei da conservao de

energia): A energia no pode ser criada ou destruda,mas apenas transformada de uma forma para outra.

2 Lei da Termodinmica: impossvel existir umprocesso cujo nico resultado seja a transferncia decalor de uma regio de baixa temperatura para outra detemperatura mais alta.

16


Os diferentes processos atravs dos quais o calor transmitidoso chamados modos. Os modos de transferncia de calorso: conduo, conveco e radiao.

17


1 - Conduo

Transferncia de calor que ocorre em um meioestacionrio, que pode ser um slido ou um fluido.

um processo pelo qual o calor flui de uma regio detemperatura mais alta para outra de temperatura maisbaixa dentro de um meio (slido, lquido ou gasoso) ouentre meios diferentes em contato fsico direto.

18


A energia transferida atravs de comunicaomolecular direta, sem aprecivel deslocamento dasmolculas.

1 - Conduo

19


2 - Conveco

Transferncia de calor que ocorre entre uma superfcie e umfluido em movimento, quando estiverem em temperaturasdiferentes.

um processo de transferncia de energia atravs da aocombinada de conduo de calor, armazenamento de energiae movimentao da mistura.

importante principalmente como mecanismo detransferncia de energia entre uma superfcie slida e umfluido.

20


3 - Radiao Energia emitida na forma de ondas eletromagnticas por uma

superfcie a uma temperatura finita.

a energia emitida por toda matria que se encontra a uma temperatura no nula.

O calor radiante emitido por um corpo na forma de impulsos, ouquantas de energia.

21


3 - Radiao

A radiao trmica a energia eletromagntica propagada na velocidade da luz, emitida pelos corpos em virtude de sua temperatura.

A radiao emitida usualmente distribuda sobre uma faixa de comprimentos de onda.

22


Leis Bsicas de Transferncia de Calor

Todos os processos de transferncia de calor podem serquantificados atravs da equao de taxa apropriada.

A equao pode ser usada para se calcular a quantidadede energia transferida por unidade de tempo.

A taxa de energia denotada por , e tem unidade de(

) no sistema internacional.

23


Outra maneira de se quantificar a transferncia deenergia atravs do fluxo de calor, " , que a taxa deenergia por unidade de rea (perpendicular direoda troca de calor). No sistema internacional, a unidadedo fluxo (W/m2).

24


4 - ConduoEquao da taxa: Lei de Fourier

dx

dTkq x ="

: Condutividade trmica do material da parede (

. )

: Gradiente de temperatura na direo do fluxo de calor (K/m)

" : Fluxo de calor (energia) por conduo na direo x (/)

25


dx

dTkAqx =

O sinal negativo aparece porque o calor est sendo transferido nadireo da temperatura decrescente. A lei de Fourier se aplica a todosos estados da matria (slidos, lquidos e gases), desde que estejamem repouso.

Obs.: A lei de Fourier (lei da conduo trmica) estabelece que o fluxo de calor atravs do material proporcional temperatura.

A taxa de calor pode ser obtida multiplicando-se o fluxo de calor pelarea perpendicular direo da transferncia de calor.

26


Seja a transferncia unidimensional de calor em uma parede plana.

Considere que, na parede mostrada na figura, a superfcie em x = 0 se encontra a uma temperatura T1 e a superfcie em x = L se encontra a T2. A transferncia de calor ,portanto, unidimensional (direo x). Para regime permanente sem gerao interna de calor, pode-se considerar que a distribuio de temperaturas no interior da parede linear. Assim, o gradiente de temperatura pode ser dado por:

O fluxo de calor dado por:

27


Seja a transferncia unidimensional de calor em uma parede plana.

A taxa de conduo de calor pode ser obtida multiplicando-se o fluxo pela rea perpendicular direo da transferncia de calor, dada por:

Utilizando a analogia com circuitos eltricos, pode-se definir a resistncia trmica conduo Rt,cond a partir da resistncia eltrica R.

Rt,cond. = resistncia trmica conduo de calor (W/K)-1

L

TTkAq

Aqq cond

)(

"

21 =

=

28


Lei de Newton: Fora igual ao produto de massa por acelerao( F = m.a), ento :

1 Newton ( N ) a fora que acelera a massa de 1 Kg a 1 m/s2

Trabalho (Energia) tem as dimenses do produto da fora peladistncia ( ), ento :

1 Joule ( J ) a energia dispendida por uma fora de 1 N em 1 m

Potncia tem dimenso de trabalho na unidade de tempo ( ),ento:

1 Watt ( W ) a potncia dissipada por uma fora de 1 J em 1 .

xF.=

tP /=

29


SISTEMA FORA,F ENEGIA,E POTNCIA,P

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

INGLS libra-fora,lbf lbf-ft (Btu) Btu/h

MTRICO kilograma-fora,kgf kgm (kcal) kcal/h

Unidades derivadas dos sistemas de unidades mais comuns

30


As unidades mais usuais de energia ( Btu e Kcal ) sobaseadas em fenmenos trmicos, e definidas como :

Btu - a energia requerida na forma de calor para elevar atemperatura de 1lb de gua de 67,5 a 68,5 F.

Kcal a energia requerida na forma de calor para elevar atemperatura de 1kg de gua de 14,5 a 15,5 F

Em relao ao calor transferido, as seguintes unidades queso, em geral, utilizadas:

"q - fluxo de calor transferido (potncia): W, Btu/h, Kcal/hQ- quantidade de calor transferido (energia): J, Btu, Kcal

31


Condutividade Trmica

1

. 1

. 0.860

!.."0.5778

#$%

&$.!.'

Fluxo de calor, Potncia

1 1(

)0,00136 HP 3,4121*+/

Algumas consideraes importantes:

32


Exerccio 1:

Uma parede de concreto com rea superficial de 20m e espessura de0.30 , separa uma sala de ar condicionado do ar ambiente. Atemperatura da superfcie interna da parede mantida a 25C, e acondutividade trmica do concreto 1W/m.K. Determine a perda de caloratravs da parede para as temperaturas ambientes internas de -15 C e38 C que correspondem aos extremos atingidos no inverno e no vero.


Resoluo:Para calcularmos a perda de calor atravs da parede devemos utilizar aequao que rege a lei bsica de transferncia de calor referente conduotrmica em uma parede plana:

Substituindo em relao temperatura de 38C temos:

Wq

m

CCm

Cm

Wq

L

TTkAq

2667"

3,0

)15(25.20.

.1"

"

2

21

=

=

=

A condutividade trmica 1.

./ 1

"

Wq

m

CCm

Cm

Wq

L

TTAkq

cond

cond

cond

867"

3,0

3825.20.

.1"

.."

2

21

=

=

=

34


5 - ConvecoEquao de taxa: Lei de Resfriamento de Newton

"012 = (56 57)

"012: 9+:;9;?@;?>;AB=>;(/)

: ;=EF>F=A=>;AB=>FB;9;?(/)5): 5=@=?+?F= 57: 5=@=?+?

35


Gs Liquido

Conveco Natural (livre)

2-25 50-1.000

Conveco Forada 25-250 50-20.000

Ebulio ou Condensao

2.500-100.000

Tabela de valores tpicos para coeficiente de transferncia de calor por Conveco.

A resistncia trmica conveco dada por:

J$,012 =5)%LM57

=

1

H

J$,012 = resistncia trmica conveco de calor (K/W)

36


Lei de Stefan-BoltzmannA radiao com comprimento de onda de aproximadamente 0,2 m a 1000m chamada radiao trmica e emitida por todas as substncias emvirtude de sua temperatura, onde o fluxo mximo que pode ser emitido poruma superfcie :

"N = O5)P

"N: A=?QF=FFF?F>?F==A;?;52gh: 5=@=?+?F=F;?.N: =A=?QF=FF

51


Resoluo 2:T C T C

k Kcal h m C

L cm m

m

o o

o

1 240 22

0 14

25 0 25

6 15 3

= =

=

= =

, . .

,

sala :

( ) ( ) 21263152362 mA =+=

rea da parede

( )( ) hKcalC

m

mCmhKcal

L

TTAkq o

o

cond 1270224025,0

126..14,0.

221 =

=

=&

hp

h

Kcal

hp

hKcalq 979,1

2,641

11270 ==&

Portanto a potncia requerida para ocondicionador de ar manter a salarefrigerada

hpq 2

52


Exerccio 4:

Um circuito integrado (chip) quadrado com lado w = 5 mm opera em condiesisotrmicas. O chip est alojado no interior de um substrato de modo que suassuperfcies laterais e inferior esto bem isoladas termicamente, enquanto suasuperfcie superior encontra-se exposta ao escoamento de uma substnciarefrigerante a T = 15C. A partir de testes de controle de qualidade, sabe-seque a temperatura do chip no deve exceder a T= 85C. Se a substnciarefrigerante o ar, com coeficiente de transferncia de calor por conveco

correspondente de h= 200

I./. Determine a potncia mxima que pode ser

dissipada pelo chip.

"012 = (56 57)Formulas utilizadas ->

012 = "012 . H

53


Resoluo:Para calcular a potncia mxima dissipada pelo chip temos que calcular o fluxode transferncia de calor gerada pelo sistema, levando em considerao atemperatura mxima qual o chip pode atingir:

Calculamos agora a potncia mxima utilizando o valor anteriormente encontrado:

CCm

Wq

TThq

conv

conv

=

=

)1585(.

200"

)("

2

sup

2000.14"

m

Wq conv =

54


Uma superfcie com rea de 0,5 , emissividade igual a 0,8 etemperatura de 150C colocada no interior de uma grande cmarade vcuo cujas paredes so mantidas a 25C. Determine a taxa deemisso de radiao pela superfcie?

Exerccio 5:

"N = eO5)P

Para calcular a taxa de emisso de radiao

devemos utilizar a frmula referente radiao

para uma superfcie onde segue a escala

absoluta em Kelvin (K). Ento convertemos as

temperaturas de C para K.:

2

44

42

8

4

22,1452"

)()273150(10.67,58,0"

.."

m

Wq

KxKm

Wxq

Tq

rad

rad

srad

=

+=

=

l m = l n + pqr

Fenomenos AULA 1

Documents

Transcript of Fenomenos AULA 1