Produção e Transporte de Calor Centro Universitário Jorge Amado Curso: Engenharia de Petróleo...
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Produção e Transporte de Calor
Centro Universitário Jorge AmadoCurso: Engenharia de PetróleoProf: Danilo Sá Teles
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Produção e Transporte de Calor
Introdução
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Cronograma 1ª Avaliação: 23 de setembro
- 2ª Chamada: 07 de outubro 2ª Avaliação: 02 de dezembro
- 2ª Chamada: 09 de dezembro Resultados: 08 de dezembro
Prova final: 16 de dezembro Resultados finais: 21 de dezembro
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Conteúdo Programático
• Introdução à transmissão de Calor• Trocadores de Calor• Fornos Industriais• Torres de Resfriamento• Caldeiras• Refrigeração
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Conteúdo Programático
• Introdução à transmissão de Calor– Conceitos básicos–Modos do fluxo de calor– Leis fundamentais de transmissão de calor– Combinação de mecanismos de transferência de
Calor.– Analogia entre fluxo de calor e elétrico
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E o que é Calor?
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E o que é Calor?
Forma de energia; é transmitida sempre que houver um gradiente de temperatura no interior de um sistema ou, entre dois corpos próximos.
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Calor e Termodinâmica
Com a termodinâmica trata-se da relação entre calor e outras formas de energia.
Como todos os processos de transmissão de calor envolvem a transferência e conversão de energia, eles devem obedecer à primeira lei e a segunda leis da termodinâmica
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U Q WD = -
As Leis da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica:
Princípio da conservação da energia
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A transferência de calor
Definida como a transferência de energia através da fronteira de um sistema e provocada exclusivamente pela diferença de temperatura.
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O calor e a Engenharia
Na industria petrolífera, é de grande importância o estudo das aplicações relacionadas com as trocas de energia. A destilação, que é o processo de separação básico usado em todas as refinarias, por exemplo.
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O calor e a Engenharia
Numa usina geradora de energia é justamente a transferência de calor da fonte quente para um fluido capaz de convertê-lo em trabalho.
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Transmissão de calor: Objetivos principais
1- Determinar a distribuição de temperatura no interior do sistema e a velocidade de transferência de calor em determinadas condições operacionais
2- Determinar as condições operacionais necessárias (dimensões, forma, vazões, etc.) para se conseguir uma determinada velocidade de transferência de calor ou uma certa distribuição de temperaturas, ou ambas.
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Modos do Fluxo de Calor
→ Condução
→ Convecção
→ radiação
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Condução
A condução é um processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa dentro de um meio (sólido, líquido e gasoso).
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Condução
A condução é um mecanismo pelo qual o calor pode fluir nos sólidos opacos. Nos fluidos, usualmente ela é combinada com a convecção.
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Radiação
A radiação é um processo pelo qual o calor flui, entre corpos com diferentes temperaturas, quando os mesmos estão separados no espaço. A energia transmitida desta maneira é chamada de Calor radiante.
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Radiação
Todos os corpos emitem continuamente calor radiante. A intensidade das emissões depende da temperatura e da natureza da superfície. Ela é transmitida por ondas eletromagnéticas.
Nos problemas de engenharia, envolvendo baixas temperaturas, o calor radiante frequentemente pode ser desprezado.
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Radiação
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Convecção
A convecção é um processo de transporte de energia pela ação combinada da condução de calor, armazenamento de energia e movimento de mistura. A convecção é mais importante como mecanismo de transferência de energia entre uma superfície sólida e um líquido ou um gás.
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Convecção
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Transmissão de calor no interior da Terra
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Transmissão de calor no interior da Terra
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Transferência de calor por condução
Lei da condução de Fourier: O fluxo de calor por condução depende:
→ k, condutividade térmica do material;→ A, a área da seção através da qual o calor flui,
medida perpendicularmente à direção do fluxo.
→ dT/dx, o gradiente de temperatura na seção, i.e, a razão de variação da temperatura T com a distância na direção do fluxo de calor x.
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Condução
A equação elementar para a condução, através de uma área finita Ax, é
(1) é conhecida como Lei de Fourier para a condução.
(1)c x
d Tq kA
d x=-
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Condução
Para consistência das unidades da eq (1), o fluxo de calor qc é expresso em
Watt (onde, 1W = 1 J/s) A condutibilidade ou condutividade térmica k
corresponde a propriedade do material e indica a quantidade de calor que fluirá através de uma área unitária, se o gradiente de temperatura é unitário.
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Condução
As unidades de k são
. . .
J W
s m k m k=
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Condução
Considerando um caso simples de fluxo de calor, através de uma parede plana na qual o gradiente de temperatura e o fluxo de calor não variam com o tempo e a área da seção transversal é uniforme, prove que:
c
c
tq
R
D=
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Condução
Onde,
Representa a resistência térmica que a parede oferece ao fluxo de calor por condução
c
c
LR
A=
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Condução
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Condução
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Radiação
Depende da temperatura absoluta e da natureza da superfície.
Um irradiador perfeito, chamado de corpo negro, emite energia radiante de sua superfície à razão qr dada por
4 ( 2 )rq A Ts=
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Radiação
Sendo que
É a constante de Stefan Boltzmann
4 2 45, 6 7 0 4 0 1 0 /x W m ks -=
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Radiação
Analisando-se a equação II, concluimos que qualquer corpo negro com temperatura acima do zero absoluto, emite calor radiante a uma razão proporcional à quarta potência da temperatura absoluta.
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Radiação e Absorção
A taxa de radiação resultante de um corpo a uma temperatura Te imerso em um ambiente que está a uma temperatura tá é dada por
4 4 (3)e e e a a aq A T A Ts s= -
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Radiação e absorção
No caso de superfícies de um corpo que não é negro e que absorvem menos que 100% da energia radiante incidente
representa a emissividade do corpo.
4 4( ) ( 4 )r e aq A T Ts = -
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Espectro de radiação
A partir das equações apresentadas observamos que a quantidade de radiação emitida por um corpo aumenta muito rapidamente à medida que sua temperatura aumenta. Além disso, verifica-se que, o tipo de radiação também se altera
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Espectro de radiação
Até 1000 k → Radiação invisível~2000K Radiação visível, com tonalidade do
emissor tornando-se avermelhada.3000K corpo adquire tonalidade amarelada6000K o corpo emite luz com tonalidade do
branco intenso10000K a cor do corpo emissor torna-se azulada.
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Radiação
Em alguns casos, somente parte da radiação térmica que deixa a superfície Ae atinge a superfície Aa
Com o restante da radiação sendo perdido para a vizinhança.
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Radiação
Este efeito geométrico explicita-se mediante o fator de forma da radiação térmica F .
Então, a equação (3) pode ser reescrita como;
4 4( )r ea e aq A F T Ts= -
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Radiação
Escrevendo o fluxo de calor utilizando uma condutância térmica Kr
Onde
h é o coeficiente de transferência de calor radiante.
( )r r e aq K T T= -
c rK h A=
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Convecção
A transmissão de calor por convecção entre uma superfície e um fluido pode ser calculada pela relação
(5 )c cq h A t= DLei de resfriamento de Newton
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Convecção
Onde:qc → fluxo de calor transferido por convecção
h → coeficiente médio de transferência de calor
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Convecção
O valor numérico de h em um sistema depende da geometria da superfície, das propriedades do fluxo e da diferença de temperatura.
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Convecção
Na convecção, a condução do calor e, em alguns casos, a radiação têm um papel importante.
Na prática, os processos de transferência de calor, envolvem combinações de condução, de radiação térmica e de convecção.
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Combinação dos mecanismos de transmissão de calor
O calor usualmente é transferido em etapas, através de inúmeras seções diferentes, conectadas em série, ocorrendo a transmissão, frequentemente, por meio de dois mecanismos e paralelo, para uma dada seção no sistema.
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Combinação dos mecanismos de transmissão de calor
Em um foguete, por exemplo, os produtos da combustão contém gases, tais como CO, CO2 e H2O que emitem e absorvem radiação. Primeiramente o calor é transmitido do gás quente para a superfície interna da parede do motor, pelos mecanismos de convecção e radiação em paralelo. O fluxo total de calor q, através da parede é
( ) ( )c r
c g i r g i
q q q
h A T T h A T T
= +
= - + -
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Combinação dos mecanismos de transmissão de calor
Tg = temperatura do gás quenteTi = temperatura da superfície interna da paredeR1 = Resistência térmica efetiva
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Combinação dos mecanismos de transmissão de calor
Nas paredes o calor, considerando um regime estacionário, é conduzido segundo a expressão
Tss = temperatura da superfície da parede do lado do refrigerante
R = resistência térmica da segunda seção
( )
( )
k i s s
k i s s
i s s
kAq q T T
LK T T
T T
R
= = -
= --
=
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Combinação dos mecanismos de transmissão de calor
Após passar através da parede, o calor flui por convecção para o fluido refrigerante. Admitindo que a radiação, nesse caso, seja desprezível, o fluxo de calor nesta última etapa é:
3
( )c c r
q q h A T ss T
T ss T
R
= = -
-=
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Combinação dos mecanismos de transmissão de calor
Sendo queT0 = temperatura do refrigeranteR3 = resistência térmica na terceira seção do
sistema.
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Combinação dos mecanismos de transmissão de calor
Na prática, frequentemente só se conhece as temperaturas do gás quente e do refrigerante. As temperaturas intermediárias podem ser eliminadas pela adição algébrica das equações anteriores
1 2 3
t o t a lTq
R R R
D=
+ +