ATPS

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Autores:

Alencar Aparecido Lunardello RA 2121206611 Eng. Mecânica. 6º S alencar_lunar@yahoo.com.br

Bruno Rodrigues de Oliveira RA 2121198870 Eng. Mecânica. 6º S bruno_rphr@hotmail.com

Ronivaldo Gomes de Abreu RA 2144233244 Eng. Mecânica. 6º S roni_abreu@hotmail.com

Fábio José Cicotte RA 2137220160 Eng. Mecânica. 6º S fabio_cicotte@praxair.com

Estela Marina Dechechi Araujo RA 2147241573 Eng. Mecânica. 6º S esteladechechi@terra.com.br

Professor: Wesley

Ribeirão Preto, 31 de Maio de 2013.

ETAPA 01

PASSO 02

Os mecanismos de transferência de calor, contendo no mínimo: definição dos mecanismos de transferência de calor.

Há três mecanismos conhecidos para transferência de calor: radiação, condução e convecção.

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.

A condução - Ocorre dentro de uma substância ou entre substâncias que estão em contato físico direto.

Na condução a energia cinética dos átomos e moléculas (isto é, o 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. Os sólidos são melhores condutores que líquidos e líquidos são

melhores condutores que gases. Num extremo, metais são excelentes condutores de calor e no outro extremo, o

ar é um péssimo condutor de calor. Conseqüentemente, a condução só é importante entre a superfície da Terra e

o ar diretamente em contato com a superfície. Como meio de transferência de calor para a atmosfera como um

todo condução é o menos significativo e pode ser omitido na maioria dos fenômenos meteorológicos.

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 ganho na camada mais baixa da atmosfera através de

radiação ou condução é mais freqüentemente transferido por convecção. A convecção ocorre como conseqüência

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. Ar quente é menos denso que o ar frio de modo que 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.

Desta forma, a circulação convectiva do ar transporta calor verticalmente da superfície da Terra para a

troposfera, sendo responsável pela redistribuição de calor das regiões equatoriais para os pólos. O calor é

também transportado horizontalmente na atmosfera, por movimentos convectivos horizontais. O

termo convecção é usualmente restrito à transferência vertical de calor na atmosfera.

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Isolamentos térmicos, tipos, aplicações, vantagens e desvantagens.

 Isolamento térmico é o material ou estrutura que dificulta a 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 é o vácuo, mas devido à grande dificuldade para obter-se e manter condições

de vácuo, é empregado em muito poucas ocasiões, limitadas em escala. Na prática se utiliza 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. Entretanto, o fenômeno deconvecção que se origina nas câmaras de ar aumenta

sensivelmente sua capacidade de transferência térmica. Além disso o ar deve estar seco, sem umidade, o que é

difícil de conseguir nas câmaras de ar.

Por estas razões são utilizados como isolamento térmico materiais porosos ou fibrosos, capazes de

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

As vantagens na instalação dos isolamentos térmicos são:

Minimiza pontes térmicas e reduz a perda de calor através da fundação,

Protege o revestimento de impermeabilização de danos que possam surgir pela acumulação de água da

chuva,

Pode servir como uma ruptura capilar evitando assim a penetração de humidade,

Pode proteger a fundação da casa dos efeitos causados pelo ciclo de congelamento e descongelamento, em

climas extremos,

Reduz o potencial de condensação em superfícies na cave,

Reduz a perda de espaço interior, ao invés de isolamento interior aplicado à fundação

Conserva o tamanho da cave, em relação à instalação de isolamento interior.

As desvantagens na instalação dos isolamentos térmicos são:

A Instalação de isolamento exterior é cara para uma casa que já está construída, a menos que também esteja

a ser instalado um sistema de drenagem do perímetro da casa,

Muitos dos materiais de isolamento exterior são susceptíveis à infestação de insectos, e muitos empreiteiros

não estão familiarizados com os procedimentos corretos,

Muitos dos empreiteiros entendidos acham que a melhor maneira de ter uma cave seca é isolar a parte

exterior das paredes exteriores com um tipo de ‘tapete’ de fibra de vidro rígido. Debaixo do ‘tapete’ é colocado

um revestimento de impermeabilização, sobre toda a fundação. Para locais com drenagem do solo deficiente

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recomenda-se um sistema de drenagem do perímetro cuidadosamente projectado, composto por cascalho lavado,

tubo de plástico perfurado, e tecido de filtro também é fortemente recomendado,

Alguns isolamentos de espuma são impregnados com ácido bórico para evitar a infestação de insectos.  No

entanto, o produto químico muitas vezes estraga, lentamente, a maioria dos materiais quando expostos a águas

subterrâneas.

PASSO 03

Introdução ao estudo de transferência de calor

Transferência de Calor é a energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura. Sempre que

existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios ocorrerá transferência de calor.

Por exemplo, se dois corpos a diferentes temperaturas são colocados em contato direto, ocorrera uma

transferência de calor do corpo de temperatura mais elevada para o corpo de menor temperatura até que haja

equivalência de temperatura entre eles.

Os diferentes processos de transferência de calor são referidos como mecanismos de transferência de

calor. Existem três mecanismos, que podem ser reconhecidos assim.

Quando a transferência de energia ocorrer em um meio estacionário, que pode ser um sólido ou um

fluido, em virtude de um gradiente de temperatura, usamos o termo transferência de calor por condução.

Quando a transferência de energia ocorrer entre uma superfície e um fluido em movimento em virtude

da diferença de temperatura entre eles, usamos o termo transferência de calor por convecção.

Quando, na ausência de um meio interveniente, existe uma troca líquida de energia (emitida na forma

de ondas eletromagnéticas) entre duas superfícies a diferentes temperaturas, usamos o termo radiação.

ETAPA 02

PASSO 03 e 04

EXPERIMENTO – CONDUÇÃO

Para verificar o processo de transferência de calor por condução são necessários os seguintes materiais:

barra metálica, lamparina ou similar, pano grosso ou alicate, vela e percevejos ou alfinetes. Todavia, o manuseio

é melhor quando se usa os alfinetes. Já os metais que são fáceis de encontrar (e que apresentam boa

condutibilidade térmica) são: cobre, alumínio, latão, ferro e aço.

Para montagem, acende uma vela, pingando gotas de parafina derretida, na barra. Em cada gota, coloca-se

um percevejo ou alfinete. Em seguida, deve-se segurar a barra horizontalmente com o auxílio de um alicate ou

pano, com a posição dos alfinetes voltada para baixo. Finalmente, com a chama da lamparina aquece a

extremidade livre da barra.

Ao aquecer a extremidade livre da barra, há um aumento do estado de agitação dos átomos do metal que

compõe a barra. Tal agitação (ou vibração) é transmitida aos átomos vizinhos que vai sendo transferida

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gradativamente para toda a barra. À medida que a energia na forma de calor é transferida ao longo da barra,

atingindo a parafina, onde está preso o alfinete, esta se derrete e daí tem-se a queda do mesmo. Observa-se que

os alfinetes caem sucessivamente a partir da extremidade aquecida (extremidade onde está a fonte de calor),

exibindo o processo de transmissão de calor por condução. Como recomendação, os alfinetes devem ser

colocados próximos entre si e o conjunto dos alfinetes próximo da fonte de calor, pois o calor pode se dissipar

para o meio ambiente.

ETAPA 03

PASSO 03 e 04

TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONDUÇÃO

A transferência de calor por condução em um meio fluido (gasoso ou liquido) ocorre devido às

interações entre as moléculas e o seu movimento aleatório. A temperatura em um determinado ponto do fluido é

associada ao movimento de translação aleatório e movimentos internos de rotação e de vibração das moléculas.

Portanto quando moléculas vizinhas se chocam há uma transferência de energia da mais energética para

a menos energética, ocorrendo assim à condução na direção da diminuição de temperatura. E devido ao

movimento aleatório destas moléculas há também uma transferência liquida de energia na direção da maior para

a menor temperatura, ou seja, uma difusão de energia. Nos meios líquidos as interações são mais fortes e mais

freqüentes do que nos gases, devido à proximidade entre as moléculas. Em um meio sólido a condução ocorre

por ondas na estrutura de retículos induzidas pelo movimento atômico. Em um não condutor elétrico, a

transferência de energia térmica ocorre exclusivamente através dessas ondas; em um condutor, a transferência

também ocorre em função do movimento de translação dos elétrons livres.

O fluxo de calor por condução ocorre via as colisões entre átomos e moléculas de uma substância e a 

subsequente transferência de energia cinética. Vamos considerar duas substâncias a diferentes temperaturas

separadas por uma barreira que é removida subitamente.

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Quando a barreira é removida, os átomos "quentes" colidem com os átomos "frios". Em tais colisões os

átomos rápidos perdem alguma velocidade e os mais lentos ganham velocidade. Logo, os mais rápidos

transferem alguma de sua energia para os mais lentos. Esta transferência de energia  do lado quente para o lado

frio é chamada de fluxo de calor por condução. Materiais diferentes transferem calor por condução com 

diferentes velocidades. Esta é uma medida da  condutividade térmica.

ETAPA 04

TROCADORES DE CALOR CASCO E TUBO

Trocador de calor é o dispositivo usado para realizar o processo da troca térmica entre dois fluidos em

diferentes temperaturas. Este processo é comum em muitas aplicações da Engenharia. Podemos utilizá-los no

aquecimento e resfriamento de ambientes, no condicionamento de ar, na produção de energia, na recuperação de

calor e no processo químico. Em virtude das muitas aplicações importantes, a pesquisa e o desenvolvimento dos

trocadores de calor têm uma longa história, mas ainda hoje busca-se aperfeiçoar o projeto e o desempenho de

trocadores, baseada na crescente preocupação pela conservação de energia.

Os trocadores ou permutadores de calor do tipo tubular constituem o grosso do equipamento de

transferência de calor com ausência de chama, nas instalações de processos químicos.

Os mais comuns são os trocadores de calor em que um fluido se encontra separado do outro por meio de

uma parede, através da qual o calor se escoa, estes tipos de trocadores são chamados recuperadores. Existem

várias formas destes equipamentos, variando do simples tubo dentro de outro, até os condensadores e

evaporadores de superfície complexa. Entre estes extremos, existe um vasto conjunto de trocadores de calor

comuns tubulares. Essas unidades são largamente utilizadas, devido à possibilidade de serem construídas com

grande superfície de transferência, em um volume relativamente pequeno, além de possibilitar a fabricação com

ligas metálicas resistentes à corrosão e, são apropriados para o aquecimento, resfriamento, evaporação ou

condensação de qualquer fluido.

O projeto completo de um trocador de calor pode ser dividido em três partes principais:

Análise Térmica - se preocupa, principalmente, com a determinação da área necessária à transferência de

calor para dadas condições de temperaturas e escoamentos dos fluidos.

Projeto Mecânico Preliminar – envolve considerações sobre as temperaturas e pressões de operação, as

características de corrosão de um ou de ambos os fluidos, as expansões térmicas relativas e tensões térmicas e, a

relação de troca de calor.

Projeto de Fabricação – requer a translação das características físicas e dimensões em uma unidade, que

pode ser fabricada a baixo custo (seleção dos materiais, selos, involucros e arranjo mecânico ótimos) , e os

procedimentos na fabricação devem ser especificados.

Para atingir a máxima economia, a maioria das indústrias adota linhas padrões de trocadores de calor.

Os padrões estabelecem os diâmetros dos tubos e as relações de pressões promovendo a utilização de desenhos e

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procedimentos de fabricação padrões. A padronização não significa entretanto, que os trocadores possam ser

retirados da prateleira, porque as necessidades de serviço são as mais variadas. O engenheiro especialista em

instalações de trocadores de calor em unidades de energia e métodos de instalação, é solicitado frequentemente

para selecionar a unidade de troca de calor adequada a uma aplicação particular. A seleção requer uma análise

térmica, para determinar se uma unidade padrão (que é mais barata!) de tamanho e geometria especificados,

pode preencher os requisitos de aquecimento ou resfriamento de um dado fluido, com uma razão especificada,

neste tipo de análise deve ser levado em conta, no que diz respeito ao custo, a vida do equipamento, facilidade de

limpeza e espaço necessário, além de estar em conformidade com os requisitos dos códigos de segurança da

ASME.

Componentes básicos de trocador casco e tubos:

- Casco (1)

- Feixe de tubos

- Espelhos (2)

- Defletores (ou chicanas) (5)

- Cabeçotes (3 - carretéis e 4 - tampo)

- Tirantes (6)

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Trocador de Calor casco e tubos com um passe no casco e um passe nos tubos (Contracorrente).

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