Aula 08 - FENÔMENOS DE TRANSPORTES.pptx

slides

1. FENÔMENOS DE TRANSPORTES Mecanismo de Transferência de Calor Prof. Camila Famá

2. 2 S ã o o s f e n ô m enos q ue tr a t a m d a m o v i m e nt a ção d e u m a grandeza física de um ponto para outro do espaço. O a ss u n to f e n ô m e no s d e tran s porte inc l u i três intimamente relacionados: dinâmica dos transferência de calor e transferência de massa. t ó p icos f luid o s , O QUE SÃO OS “FENÔMENOS DE TRANSPORTE” ?

3. FENÔMENOS DE TRANSPORTE A dinâmica dos fluidos envolve o transporte de momento , a transferência de calor lida com o transporte de energia e a transferência de massa diz respeito ao transporte de massa de espécies químicas. Fluxo Gradiente M o m ento Calor Massa Velocidade Temperatura Concentração ou potencial químico 3

4. 4 FENÔMENOS DE TRANSPORTE Mecânica – É a ciência que estuda o equilíbrio e o movimento dos corpos sólidos, líquidos e gasosos, bem como as causas que provocam este movimento. Mecânica dos Fluidos – É a ciência que estuda o comportamento físico dos fluídos, assim como as leis que regem esse comportamento, tanto com o fluido em repouso como em movimento.

5. 5 FENÔMENOS DE TRANSPORTE Quando temos um fluido como meio atuante em algum sistema, o conhecimento e desenvolvimento dos princípios básicos da mecânica dos fluidos se fazem necessário. A estática dos fluidos : estuda os fluídos em estado de equilíbrio em ausência de esforços cortantes. A din â mi c a do s fluido s : e s t u d a o s f lu í dos em movimento sujeitos a tensões de cisalhamento.

6. RELEVÂNCIA DO TEMA

7. 7 A s bases la n ç adas pe la m e c ânica d o s f luid o s s ã o na f u nd a m e nt a is p a ra m u it os r a m os d e ap l i c a ç ã o engenharia. Este a m plo campo t e m ch e g ado a incluir m u it as á r e as e x tre m a m e n te e s pe ciali z a d as c o m o , por exemplo: O estudo do comportamento de um furacão; Os esforços em barragens; Lubrificação; Os corpos flutuantes, cascos de barcos, navios e aerobarcos; As maquinas hidráulicas; Ventilação; O fluxo de água através de canais e condutos; As ondas de pressão produzidas na explosão de uma bomba; As características aerodinâmicas de um avião; Projetos de submarinos e automóveis. FENÔMENOS DE TRANSPORTE

8. 8 APLICAÇÕES DE FENÔMENOS DE TRANSPORTE NA ENGENHARIA Engenharia Civil e Arquitetura – constitui a base do estudo de hidráulica e hidrologia e aplicações no conforto térmico em edificações. Engenharia Elétrica – importância nos cálculos de dissipação de potência em máquinas produtoras ou transformadoras de energia elétrica. E n g e n h a r i a Q u í m ica – co n st i tu e m a b a se da s o p eraç õ es unitárias. Engenharia de Produção – otimização dos processos produtivos e de transporte de fluidos. Também nos estudos do ciclo de vida dos produtos industrializados.

9. 9 APLICAÇÕES DE FENÔMENOS DE TRANSPORTE NA ENGENHARIA Engenharia Sanitária e Ambiental – aplicações ligadas à poluição ambiental. Engenharia Mecânica – aplicações nos processos de tratamento térmico, no cálculo de máquinas hidráulicas, são bases fundamentais nos processos de transferência de calor das máquinas térmicas e frigoríficas, além de aplicações na Engenharia Aeronáutica no desenvolvimento aerodinâmico.

10. 10 Bombeamento de líquidos Escoamentos gravitatório de líquidos Compressão e ventilação Decantação Centrifugação Mistura de líquidos e líquido-gás Movimentação de fluidos através de sólidos porosos Transportes pneumáticos e hidráulicos Filtração Fluxo a granel (sólidos particulados) Operações com Transferência de Quantidade de Movimento

11. 11 FENÔMENOS DE TRANSPORTE O estudo de fenômenos de transporte tem aplicações muito importantes na Engenharia, pois permite conhecer assuntos diversos, como o transporte de fluidos ao longo de canalizações ou a quantificação da dissipação de calor de motores, dando ao estudante uma ferramenta importante para a otimização dos processos de fabricação e de produção.

12. 12 FENÔMENOS DE TRANSPORTE – POR QUE ESTUDÁ-LOS? “ Devido a sua relevância em face ao mundo em que vivemos ”. Não há praticamente nenhum setor de atividade que não seja, de um modo ou de outro, afetado por problemas relacionados à Mecânica dos Fluidos , à Termodinâmica , à Troca de Calor e à Troca de Massa , ou seja, que não envolva interações de massa e de energia entre seus componentes.

13. FENÔMENOS DE TRANSPORTE – POR QUE ESTUDÁ-LOS? Assim, o engenheiro precisa ter noções básicas sobre estas ciências, que ajudará na tomada de decisões técnicas ou gerenciais envolvendo questões como a poluição de rios, a pertinência de construção e instalação de uma usina nuclear, instalação de coletores solares, geração de energia, transporte de partículas, bioengenharia (coração artificial, respiração artificial, fluxo sanguíneo), etc. 13

14. 14 DO Q UE T R A T A A DISCIPLINA F E NÔM E NOS DE TRANSPORTE ? Trata de fluidos , diferentemente de outras disciplinas. Sólido: as moléculas sofrem forte força de atração (estão muito próximas umas das outras) e é isto que garante que o sólido tenha um formato próprio. Fluido: apresenta as moléculas um grau de liberdade de movimento (força de atração pequena) e não apresentam formato próprio (líquidos, vapores e gases).

15. 15 O processo de transferência é caracterizado pela tendência ao equilíbrio, que é uma condição em que não ocorre nenhuma variação. Uma força motriz , o movimento no sentido do equilíbrio e o transporte de alguma quantidade são fatos comuns a todos os processos de transferência. FENÔMENOS DE TRANSPORTE

16. FLUIDOS Substâncias que não resistem a esforços tangenciais por menores que sejam; Deformam continuamente, diferente dos sólidos, que ao serem solicitados por esforços, podem resistir. Substância que muda continuamente de forma enquanto existir uma tensão de cisalhamento, ainda que seja pequena.

17. MECÂNICA DOS FLUIDOS Estudo dos fluidos em repouso ou movimento e dos efeitos que decorrem de sua interação com contornos, os quais podem ser superfícies ou outros fluidos; Objetivo: obter os conhecimentos básicos das propriedades dos fluidos, dos esforços estáticos e dinâmicos, bem como das leis de conservação de massa, quantidade de movimento e energia.

18. Termodinâmica: área que estuda as relações entre as propriedades de um sistema e as trocas de calor e trabalho com a vizinhança Lei Zero (Equilíbrio Térmico): Se os corpos “A” e “B” estão, separadamente, em equilíbrio térmico com um terceiro corpo “C” , então “A” e “B” es t ão em e q uilí b r io térmico e n t r e si P r ime ira Lei (P rin cípio da Conservação da Energia) A v a r iação d a e n e r g i a em um s is t em a é s em p r e igual a t r a n s f e r ê nci a lí q u ida n a f or m a de calor e trabalho A TEMPERATURA é utilizada para verificação do equilíbrio térmico T K  T C  27 3 , 15 9 C F T  5 . ( T  3 2 ) K 9 T  5 .º R   Q   W dt dt dt dE sist

19. Terceira Lei Quando um sistema de aproxima da temperatura de zero absoluto (0 K), cessam todos os processos, e a entropia (S) assume um valor mínimo dQ  S  S f  S i   dt Segunda Lei A qtde de entropia (desordem) de qlqr sistema isolado termicamente tende a aumentar com o tempo até alcançar um valor máximo f Termodinâmica: área que estuda as relações entre as propriedades de um sistema e as trocas de calor e trabalho com a vizinhança i Entropia: variável de estado de um sistema em equilíbrio termodinâmico

20. Calor Forma de energia que é transferida em função de uma diferença de temperatura (J) C a p a ci d ad e Té rmica (C) Quociente entre a quantidade de calor (Q) fornecida ao corpo e a correspondente variação de temperatura Calor Latente (L) Qtde de calor transferido por unidade de massa du r ante a m u dança de f as e ( Δ T = ; T = ct e ) Calor Específico (c) Qtde de calor recebido por unidade de massa e por unidade da correspondente variação da temperatura da substâncias Calor Específico a volume constante (cv) Calor Específico a pressão constante (cp)  T C  Q ; ( J / K ) m  dT  v v c  1   Q    c p    m  dT  p 1   Q  Para líquidos: cv = cp Para sólidos cv ≠ cp m L  Q

21. Transferência de Calor Estuda trâ ns i t o . a e ne r gia em O c o r r e do me i o de temperatura mais elevada para o de temperatura menos elevada até que se estabeleça o equilíbrio térmico Fluxo d e C a lor ou T axa d e Tra n sferê nc i a de Calor (Q) Qtde de calor que é transferida por unidade de tempo (J/s = W) Densi d ad e d e Fluxo de Calor (q) Qtde de calor que é transferida por unidade de tempo e por unidade de área (W/m²) A q  Q

22. Relação entre Transferência de Calor e Termodinâmica A Primeira Lei da Termodinâmica, também conhecida como princípio da conservação de energia, estabelece que: “ A energia não pode ser criada nem destruída durante um processo; pode apenas mudar de forma”. A energia pode ser transferida para o sistema ou do sistema, por meio de calor , trabalho e fluxo de massa . Já a energia total de um sistema simples e compressível é a soma das energias cinética , potencial e interna ;  

23. Desta forma, o balanço de energia para qualquer sistema pode ser escrito como: Ou na forma de taxas, como:   Energia líquida transferida por calor, trabalho e massa Mudança da energia interna, cinética e potencial Taxa líquida de transferência por calor, trabalho e massa Taxa de mudança da energia interna, cinética e potencial

24. A 2ª Lei da Termodinâmica pode ser enunciada assim : "É impossível o processo cujo único resultado seja a transferência líquida de calor de um região fria para uma região quente.” Porém existe uma diferença fundamental entre a transferência de calor e a termodinâmica ; Embora a termodinâmica trate das interações do calor e o papel que ele desempenha na primeira e na segunda leis, ela não leva em conta nem o mecanismo de transferência nem os métodos de cálculo da taxa de transferência de calor .

25. Mecanismos de Transferência de Calor É necessário o entendimento dos mecanismos físicos que permitem a transferência de calor de modo a poder quantificar a energia transferida na unidade de tempo (taxa); Os mecanismos são: Condução Radiação Convecção Dependem de um Δ T (Variação de Temperatura) Depende de um Δ T e transporte de massa

26. Transferência de Calor por Condução Transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas menos energéticas por contato direto; Necessita obrigatoriamente de meio material para se propagar; Característicos de meios estacionários .

27. Transferência de Calor por Condução T 1 > T 2 Condução em sólidos Condução em gás confinado A transmissão de calor ocorre, partícula a partícula , somente através da agitação molecular e dos choques entre as moléculas do meio .

28. Lei de Fourier Considere, a transferência de calor através de uma barra de ferro com uma das extremidades aquecidas e com a área lateral isolada termicamente, como mostra a figura ao lado:    

29. Lei de Fourier A razão do sinal menos na equação de Fourier é que a direção do aumento da distância x deve ser a direção do fluxo de calor positivo. Como o calor flui do ponto de temperatura mais alta para o de temperatura mais baixa (gradiente negativo), o fluxo só será positivo quando o gradiente for positivo (multiplicado por -1). O fator de proporcionalidade k ( condutividade térmica ) que surge da equação de Fourier é uma propriedade de cada material e vem exprimir a maior ou menor facilidade que um material apresenta à condução de calor

30. Condutividade Térmica de algumas substâncias

31. Condução em uma parede plana A plicando a LEI DE FOURIER:  

32. Exercício Um equipamento condicionador de ar deve manter uma sala, de 15 m de comprimento, 6 m de largura e 3 m de altura a 22ºC. As paredes da sala, de 25 cm de espessura, são feitas de tijolos com condutividade térmica de 0,14 Kcal/ h.m.ºC e a área das janelas podem ser consideradas desprezíveis. A face externa das paredes pode estar até a 40 oC em um dia de verão. Desprezando a troca de calor pelo piso e pelo teto, que estão bem isolados, pede-se o calor a ser extraído da sala pelo condicionador ( em HP ). OBS : 1 HP = 641,2 Kcal/h

33. Área = 2 x 6 x 3 + 2 x 15 x 3 = 126 m² Sala 6 m de largura 15 m de comprimento 3m de altura

34. = 1,979 HP  

35. Transferência de Calor por Convecção Transferência de energia entre a superfície sólida e um fluido (líquida ou gás) adjacente, que está em movimento , e que envolve efeitos combinados de condução e de movimento de fluido; Na ausência de movimento da massa líquida, a transferência entre a superfície sólida e o fluido adjacente se dará exclusivamente por condução. Transporte de calor típico de meios fluidos.

36. Introdução A transferência de calor por convecção, que ocorre com o contato entre um fluido em movimento e a superfície, estando os dois a diferentes temperaturas. O calor é transferido para a camada de ar adjacente a superfície da parede por condução; Esse calor é então transportado para longe da superfície por convecção.

37. Convecção Natural e Forçada Na convecção natural , ou livre, o escoamento do fluido é induzido por forças de empuxo , que vem de diferenças de densidade causadas por variação de temperatura do fluido. Na convecção forçada o fluido é forçado a circular sobre a superfície por meios externos , como uma bomba, um ventilador, ventos atmosféricos. CONVECÇÃO NATURAL CONVECÇÃO FORÇADA

38. Aplicações da convecção Conforto em ambientes; Refrigeração de circuitos elétricos; Conservação de alimentos; Aquecimento de fluidos de processos, nas industrias.

39. R ad iaç ã o Consiste na transferência de energia por radiação térmica e não é necessário um meio material Tem eficiência máxima através do vácuo absoluto Em um corpo negro (ideal)  Lei de Stefan – Boltzmann Para condições reais 4 s q   . T q: densidade de fluxo de energia radiante emitida pela superfície (W/m²) σ: constrante de Stefan – Boltzmann = 5,6697.10 -8 W/m².K 4 Ts : tempe r at u r a absolu t a da su per f ície sóli d a (K ) ; ε: emissividade da superfície 0<ε<1 s q   .  . T 4 ε = 1: corpo negro ε = 0: refletores (espelhos)

40. Mecanismos Combinados S i t u ações r e a i s nas qua i s os três mec a ni s mo s de t r ans f e r ênci a d e calor oco r r e m simultaneamente

41. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17