Atps tansferencia calor etapas 1 e 2

Atps tansferencia calor etapas 1 e 2

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Diego Eugênio QuintilhanoRA 1102001131
Tiago SeremRA 2505000645

Carla Mª Ramos Tolentino RA 2504089324 Carlos Eduardo Koshevnikoff RA 1108353191 José Humberto Rêgo Ferreira RA 1108432005 Curso: Engenharia Mecânica

Relatório – Transferência de Calor

Trabalho em grupo apresentado à Faculdade Anhanguera de Jundiaí, como requisito para disciplina de Transferência de Calor.

Avaliador (a): Ricardo Boulos Elias

Sumário
INTRODUÇÃO-Transferência de Calor3
ETAPA 1
Passo 1 - Mecanismo de Transferência de Calor4
- Condução5
- Convecção6
- Radiação8
Tabela 01 Definição dos Mecanismos de Transferência de Calor1
Conceitos de Isolamento Térmico12
Tipos de Isolantes Térmicos13 14 e 15
Tabela 02 de Classificação dos Isolantes Térmicos16
Conclusão17

3 Referências bibliográficas 18

1. INTRODUÇÃO

Este documento tem como objetivo apresentar o estudo realizado para a elaboração das Atividades Práticas Supervisionadas pertinentes a matéria de Transferência de Calor, abordando os conceitos básicos dos mecanismos de transferência de calor e suas propriedades térmicas da matéria em específico, isolantes térmicos. Observando as vantagens e desvantagem dos isolantes térmicos estudados.

2-TRANSFERÊNCIA DE CALOR

2.1- CONCEITO

É o processo de propagação de calor no qual a energia térmica é transmitida de partícula para partícula do meio, sempre do ponto de maior temperatura para o ponto de menor temperatura. O calor pode ser transmitido, transferido ou propagado por três tipos de processos:

Processos: i. Condução; i. Convecção; i. Radiação.

3. MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

O estudo de transferência de calor consiste em analisar os efeitos da transmissão de energia em forma de calor, dentre os efeitos ressalta-se a variação da taxa temporal de transmissão de calor, variável não considerada na Termodinâmica. Existem três mecanismos conhecidos para transferência de calor: condução, convecção e radiação; conforme é possível ser analisado através das Figuras descrito abaixo.

Figura 01 - Condução Através de um Sólido ou Fluído Estacionário. Fonte: Incropera 2011 pag. 2

Figura02 - Convecção de uma Superfície para um Fluído em Movimento Fonte: Incropera 2011 pag. 2

Figura03 - Troca Líquida de Calor por Radiação entre duas Superfícies . Fonte: Incropera 2011 pag. 2

4.CONDUÇÃO A CONDUÇÃO ocorre dentro de uma substância ou entre substâncias que estão em contato físico direto. Na condução a energia cinética dos átomos e das moléculas (isto é chamado de calor), é transferida por colisões entre átomos e moléculas vizinhas, o calor flui das temperaturas mais altas (moléculas com maior energia cinética) para as temperaturas mais baixas (moléculas com menor energia cinética). A capacidade das substâncias para conduzir calor (condutividade) varia consideravelmente, de maneira geral os sólidos são melhores condutores que os líquidos e os líquidos são melhores condutores que os gases. O processo de CONDUÇÃO pode ser analisado através da Figura 04 - abaixo.

- Figura 04 – Associação da transferência de calor Fonte: Incropera 2011 pag. 3

Pela Lei de Fourier tem-se que:

Figura 05 – Transferência de calor por condução unidimensional. Fonte: Incropera 2011 pag. 3

O fluxo de calor q”x (W/m²) é a taxa de transferência de calor na direção (X), por esta um unidade de área perpendicular à direção de trânsito. Constante de proporcionalidade k é uma propriedade de transporte conhecida por Condutividade Térmica (W/mK) e é Característica do material da parede em estudo. Equação da Taxa de Emissão:

Segundo INCROPERA, 2011, ”o mecanismo físico da condução é mais facilmente explicado através da consideração de um gás e do uso de idéias familiares vindas do seu conhecimento da termodinâmica.”

5.CONVECÇÃO

A CONVECÇÃO somente ocorre em líquidos e gases, consiste na transferência de calor dentro de um fluído através de movimentos do próprio fluído. O calor recebido na camada mais baixa da atmosfera terrestre através de radiação ou condução é mais frequentemente transferido por convecção. A convecção ocorre como consequência de diferenças na densidade do ar. Quando o calor é conduzido da superfície relativamente quente para o ar sobrejacente, este ar torna-se mais quente que o ar vizinho. Como o ar quente é menos denso que o ar frio, o ar frio e denso desce e força o ar mais quente e menos denso a subir. O ar mais frio é então aquecido pela superfície e o processo é repetido. O processo de CONVECÇÃO pode ser analisado através da Figura 06 - abaixo, essas imagens exemplificam o processo, outros exemplos podem ser observados no flambar de uma chama, em fenômenos meteorológicos, em sistemas de refrigeração e em um simples aquecimento de água no exemplo da Figura 07.

Figura 6 – Desenvolvimento da camada limite na transferência convectiva de calor. Fonte: Incropera 2011 pag. 5

Exemplo1 Tome tubos de vidro encurvados e ligue-os por tubos de borracha como indica a

Figura 07. Encha os tubos com água e deixe cair uma gota de tinta em A. Ponha um bico de Bunsen no ramo esquerdo. A água desse ramo recebe energia calorífica da chama, o que faz as moléculas se moverem mais rapidamente; a água nele se dilatará e ficará mais leve, ou melhor, menos densa, do que no ramo direito. A água mais fria, sendo mais pesada, mover-se-á para baixo no ramo direito, fazendo a água circular. À água em movimento leva energia calorífica do ramo esquerdo para o ramo direito. É a transferência de calor pela matéria em movimento.

Aquecendo-se a água em AB ela se expande e fica menos densa. A água mais fria e mais densa, em CD, desce então. A água em circulação transfere o calor por convecção. Na convecção, o calor é transferido juntamente com a matéria. Figura 07.

Figura 07

5.1 Convecção forçado A convecção é denominada forçada quando o escoamento for provocado por meios externos, como podemos observar na (Figura 08), por exemplo, um ventilador ou ainda uma bomba.

Figura 08 – Convecção forçada. Fonte: Incropera 2011 pag. 5

5.2 Convecção Livre

Por sua vez, na convecção livre (Figura 09), o escoamento é provocado pelas forças de empuxo que se originam das diferenças de densidade do fluído, as quais são redefinidas como uma difusividade térmica, ou seja, diferença de temperatura.

Figura 09 – Convecção livre. Fonte: Incropera 2011 pag. 5

de Newton do Resfriamento, que tem a forma:

Na convecção, o processo de transferência de calor é quantificado através da Lei

“INCROPERA, 2011, A transferência de calor por convecção pode ser classificada de acordo com a natureza do escoamento do fluído. Referindo-se a convecção forçada, quando o escoamento é causado por meios externos, tais como um ventilador, uma bomba, ou ventos atmosféricos”.

6. RADIAÇÃO

A RADIAÇÃO consiste de ondas eletromagnéticas viajando com a velocidade da luz. Como a radiação é a única que pode ocorrer no espaço vazio, esta é a principal forma pela qual o sistema Terra-Atmosfera recebe energia do Sol e libera energia para o espaço. O processo pode ser analisado através das equações e (Figura 1), abaixo, as imagens ilustram o processo de Radiação/Irradiação o qual exemplifica o fenômeno, outros exemplos são a propagação do calor do SOL e a aproximação de um ferro incandescente. A energia do campo de radiação é transportada pelas ondas eletromagnéticas e não exige um meio material para que ocorra, sendo mais eficiente quando no vácuo. O fluxo máximo (W/m2) que pode ser emitido por uma superfície radiante é dado pela Lei de Stefan-Boltzmann:

Onde (Ts) é a temperatura absoluta (K) da superfície e σ é a constante de Stefan- Boltzmann (σ = 5,67.10-8 W/m2.K4). Essa superfície radiante é ideal é também é chamada de corpo negro. O fluxo de calor emitido por uma superfície real é menor que o emitido por um radiador ideal e é dado por:

Onde (ε) é uma propriedade radiativa da superfície, a emissividade. Tal quantia, cujo valor está entre 0 ≤ ε ≤ 1, fornece uma medida da capacidade de emissão da energia de

designada por G, irradiação”

um corpo real em comparação com um corpo negro (radiador ideal). A radiação também pode incidir sobre uma superfície a partir de sua vizinhança, conforme acima conforme (Figura 09), abaixo. A taxa na qual a radiação incide sobre uma superfície unitária é

Figura 1 – Troca radiativa entre uma superfície de emissividade ε e absortividade α a uma temperatura Ts. Fonte: Incropera 2011 pag. 6

A taxa na qual a energia é absorvida pela unidade de área superficial pode ser determinada mediante o conhecimento de uma propriedade denominada absortividade α. A taxa na qual a energia radiante é absorvida por uma superfície é determinada por:

G abs=αG

Com valores na faixa entre 0 ≤ α ≤ 1, a absortividade fornece uma medida do poder de reflexão ou de transmissão da energia radiante não absorvida. Por outro lado, um caso particular é aquele em que a superfície e as vizinhanças estão separadas por um gás que não tem efeito sobre a transferência de radiação, (Figura 12).

Figura 12 – Troca radiativa entre uma superfície pequena e cinza e uma grande vizinhança isotérmica Fonte: Incropera 2011 pag. 6

Neste caso, a irradiação G pode ser aproximada pela emissão de um corpo negro à temperatura Tviz, conforme:

A taxa líquida de troca de radiação térmica entre a superfície e as suas vizinhanças, expressa por unidade de área da superfície, é:

Em que (A) é a área da superfície, ε é a emissividade e (Tviz), é a temperatura das vizinhanças. Esta expressão fornece a diferença entre a energia térmica que é liberada devido à emissão de radiação e aquela que é ganha devido à absorção de radiação Em muitas aplicações, é conveniente exprimir a troca líquida de radiação térmica na forma:

Em que:

A superfície imersa nas vizinhanças também pode transferir calor, simultaneamente, por convecção para o gás circulante. A transferência (taxa) de calor de superfície é então igual à soma das taxas térmicas devido aos dois modos:

ou

INCROPERA, 2011, nos diz, “A radiação que é emitida pela superfície tem sua origem na energia térmica da matérias delimitada pela superfície e a taxa na qual a energia é liberada por unidade de área (W/m²) é conhecida como poder

emissivo que é determinado pela lei de Stefan-Boltzman”:

Tabela 01- Definição dos Mecanismos de Transferência de Calor

Modo LEI de

Mecanismo Equação do fluxo térmico

Coeficiente de transporte

CONDUÇÃO Fourier

Difusão de energia devido ao movimento molecular aleatório k

CONVECÇÃO Newton do

Resfriamento

Acrescido da transferência de energia em função do movimento macroscópico

RADIAÇÃO Stefan-

Boltzmann

Transferência de energia por ondas eletromagnéticas

ε

hr (W/m2K)

7. ISOLANTES TÉRMICOS Isolante térmico é o nome dado a um material ou estrutura que dificulta a

de imobilizar o ar seco e confiná-lo no interior de células mais ou menos estanques

dissipação de calor, usado na construção e caracterizado por sua alta resistência térmica. Estabelece uma barreira à passagem do calor entre dois meios que naturalmente tenderiam rapidamente a igualarem suas temperaturas. O melhor isolante térmico conhecido é o vácuo, mas devido à grande dificuldade para obter-se e manter condições de vácuo, é empregado em muito poucas ocasiões, em escala. Na prática se utiliza o ar, que graças a sua baixa condutividade térmica e um baixo coeficiente de absorção da radiação, constitui um elemento muito resistente à passagem de calor. Por várias razões são utilizados como isolamento térmico materiais porosos ou fibrosos, capazes Ainda que na maioria dos casos o gás enclausurado seja ar comum, em isolantes de células fechadas (formados por bolhas não comunicantes entre si, como no caso do poliuretano projetado), o gás utilizado como agente espumante é o que fica finalmente enclausurado. Também é possível utilizar outras combinações de gases distintas, mas seu emprego é muito pouco extenso. Há vários tipos de materiais sólidos que podem ser bons isolantes, isso depende da utilidade dada, a temperatura de trabalho, ao local de instalação entre outros. Podem-se utilizar como isolantes térmicos: Desses isolantes pesquisados, podemos ressaltar oito (8) tipos que são os mais utilizados nas indústrias. 1.Lã de rocha; 2. Fibra de vidro; 3. Hidrossilicato de cálcio; 4. Manta de fibra cerâmica; 5. Vidro celular; 6. Poliestireno expandido (EPS); 7. Poliestireno extrudado; 8. Espuma de poliuretano; 9. Cortiça;

Cortiça É o material isolante térmico de uso mais antigo. Normalmente é usado na forma de aglomerados, formando painéis. Deve ser tratado contra o ataque de fungos, pois é um material orgânico (de origem biológica). Sua maior vantagem é a inércia térmica que apresenta. Lã de Rocha A lã de rocha é um material isolante térmico, incombustível e imputrescível. Este material se diferencia de outros isolantes pois é um material resistente ao fogo, com um ponto de fusão superior aos 1.200 °C. Conformações da Lã de Rocha Manta Se trata de fibras de lã de rocha entrelaçadas. É adequada para isolar elementos construtivos horizontais, sempre que seja colocada na parte superior. Na vertical necessita de amarramento ou o grampos paraevitar que acabe embolsando na parte inferior do elemento e na parte inferior de um elemento horizontal não fixado. Podem vir normalmente protegida por papel kraft, papel betumado ou malha de metal leve.

Painéis Rígidos Se tratam de painéis aglomerados com alguma resina epóxi, que lhe confere uma certa rigidez. Serve para elementos construtivos verticais e horizontais pela parte inferior, de maneira a se obter um coeficiente de condutividade ligeiramente inferior ao da manta.

Lã de vidro Quando se tem um telhado de telhas com um forro em à madeiramento e se deseja isolá-lo com lã de vidro deve-se usar um produto para tal fim, que é uma lã de vidro em painéis com maior densidade, hidrófugo e higroscópico. Quando se tem um teto de folha de chapa, a linha de produto que se deve utilizar é o revestimento com uma folha de alumínio reforçado em uma face para que atue para o aumento da resistência mecânica, como barreira de vapor e como material refletivo.

Lã Natural de Ovelha Este isolamento é a versão natural e ecológica dos isolamentos lanosos.

Diferentemente da lã de rocha ou da lã de vidro, a lã de ovelha é obtida de forma natural e não necessita, obviamente, de tratamento a altas temperaturas para ser produzida. É muito resistente e um regulador de umidade muito eficiente, fato que contribui enormemente no conforto no interior das edificações.

Vidro Expandido Embora atualmente seja relativamente pouco usado, é um material muito interessante, devido que além de um isolante térmico é uma barreira de vapor muito eficiente, o que não é normal nos isolantes térmicos. É constituído por vidro reciclado e geralmente colorido suavemente, pois não existem problemas com a cor do produto, com o qual é feita uma espuma a quente, deixando células estanques com gás enclausurado, que atuam como meio isolante. Como mencionado, ele funciona adequadamente como uma barreira de vapor, o que torna este material muito adequado para o isolamento de pontes térmicas na construção, como pilares em paredes. Sua rigidez torna-se mais adequada do que outros isolante para cobri-lo de gesso. Poliestireno Expandido (EPS) O material de espuma de poliestireno, mais conhecido em Portugal como Esferovite e no Brasil como Isopor, é um isolante derivado do petróleo e do gás natural do qual se obtém o polímero plástico do estireno na forma de grânulos. Para construir um bloco de, por exemplo, um (1) m³, se incorpora num recipiente metálico uma certa quantidade do material que tem relação com a densidade final do mesmo e ao injetar vapor d'água se expandem os grânulos até formar um bloco. Este é cortado em placas da espessura desejada para sua comercialização mediante um arame metálico quente. EPS.

Espuma celulósica Material isolante constituído de espuma de celulose possui um poder isolante térmico aceitável e é um bom absorvedor de som. Ideal para ser aplicado pela parte inferior de galpões por ser um material 100% hidrófugo de cor branca e por sua rapidez ao ser colocado. Espuma de Polietileno A espuma de polietileno se caracteriza por ser econômica, hidrófuga e fácil de ser colocada. Com respeito a seu rendimento térmico pode-se dizer que é de caráter médio. É comercializada na forma de folhas, blocos ou bastões e tubos, já adequados ao isolamento de tubulações. Espuma de Polipropileno. Devido a limitações das temperaturas nas quais pode operar a espuma de polietileno, a similar espuma de polipropileno pode ser empregada com propriedades químicas similares e muito maiores resistência térmica, útil no isolamento de tubos de aço em processos químicos industriais.

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