Os Mecanismos de Transferência de Calor

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- Convecção

A convecção é a transferência de calor que ocorre de uma superfície para um fluido, em estado estacionário ou em movimento. A convecção ocorre desde que a superfície e o fluido possuam temperaturas distintas (MORAN et al., 2014).

A convecção é proporcional ao movimento do fluido, ou seja, quanto mais rápido for o movimento, maior será a transferência de calor por convecção. Quando não houver movimento da massa ou do fluido a transferência de calor entre a superfície e o fluido estático se dá por condução (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).

A natureza e o tipo de escoamento determinam se a convecção é livre ou forçada, sendo que a Figura 3 ilustra os dois tipos de convecção existentes. Quando o escoamento é causado por meios mecânicos ou vento atmosférico a convecção é forçada, já na convecção livre o escoamento provém das forças de empuxo, que são originadas devido à diferença de densidade. O escoamento pode ser interno ou externo, sendo interno em tubos ou dutos e externo sobre placas, cilindros e lâminas (MORAN et al., 2014).

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Figura 3: Processos de transferência de calor por convecção (a) Convecção forçada. (b) Convecção natural. Fonte: INCROPERA, et al., 2013.

O fluxo por convecção pode ser positivo ou negativo, sendo positivo quando o calor é transferido a partir da superfície e negativo quando o calor é transferido para a superfície (INCROPERA et al., 2013).

A equação da taxa por convecção é conhecida como lei de resfriamento de Newton e independe da natureza do processo, conforme Moran et al. (2014):

q” = h.(Ts- T∞)

(3)

Onde: q”= fluxo térmico por convecção, h = coeficiente de transferência de calor por convecção, Ts=temperatura na superfície e T∞ = temperatura longe da superfície.

Na Tabela 1 são indicados valores de coeficientes de película determinados experimentalmente com base em diversos processos.

Tabela 1: Valores típicos do coeficiente de transferência de calor por convecção

Tipo de convecção

h, W/m2.K

Convecção livre de gases

Convecção livre de líquidos

Convecção forçada de gases

Convecção forçada de líquidos

Ebulição e condensação

2 - 25

10 - 1000

25 - 250

50 – 20.000

2500 - 100.000

Fonte: ÇENGEL; GHAJAR, 2012.

O coeficiente convectivo de transferência de calor deve ser determinado experimentalmente, uma vez que não é propriedade do fluido, ele depende da geometria da superfície, natureza do escoamento, das propriedades do fluido, ou seja, de todas as variáveis do processo (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).

- Radiação

A radiação térmica é outro modo de transferência de calor, ela é emitida pela matéria com temperatura diferente de zero. Pode ser irradiada por sólidos, líquidos e gases, e, independentemente da sua forma, ocorre devido a mudanças nas configurações eletrônicas das moléculas e átomos que constituem a matéria (INCROPERA et al., 2013).

As ondas eletromagnéticas são responsáveis pelo transporte da radiação térmica. Diferente da condução e da convecção, a radiação não se propaga apenas na presença de um meio material, sendo mais eficiente no vácuo (MORAN et al., 2014).

A taxa pela qual a energia de radiação é liberada é denominada de poder emissivo, descrita por Moran et al. (2014), sendo determinada pela lei de Stefan Boltzmann:

E = σ Ts4

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Onde: E = poder emissivo, σ = constante de Stefan Boltzmann e Ts = temperatura absoluta (kelvin).

A equação acima é considerada para radiadores ideais, chamados de corpo negro, porém, superfícies reais possuem menor fluxo térmico radiante do que corpos negros, a uma mesma temperatura. O fluxo térmico real é determinado por (MORAN et al., 2014):

E=ε.σ.Ts4

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Onde: E= poder emissivo, ε = emissividade,