A IMPORTÂNCIA DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM ALGUNS PROCESSOS INDUSTRIAIS

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Ito (2009) afirma que os inúmeros avanços nas áreas industriais, bem como as mudanças no estilo de vida das pessoas, alavancaram as áreas de aplicabilidade desses mecanismos. Para Barrosa (2004) o homem viu, com o passar do tempo, a necessidade de desenvolver novas tecnologias, bem como novos métodos para melhoria da qualidade de vida das populações. Ito (2009) relata um exemplo usual deste fenômeno que surgiu há algumas décadas atrás, devido à correria diária que fez surgir a necessidade de se acelerar os processos de preparação de alimentos, resultando na maior demanda por alimentos prontos refrigerados ou congelados. Com isso, projetaram-se o micro-ondas, que é um eletrodoméstico bastante difundido e de grande utilidade, que faz uso da transferência de calor via radiação eletromagnética para aquecer os alimentos.

Outros exemplos que evidenciam a importância e o uso da transferência de calor é o fato dela prolongar a vida útil de alguns alimentos, como o leite, a partir da pasteurização, permitir a retirada de microrganismos intrusos de determinado ambiente ou local, a partir da esterilização, permitir a rápida mudança de temperatura de fluidos empregados em processos industriais, a partir de trocadores de calor (LUZ, 2011).

Assim sendo, é importante ressaltar que a transferência de calor é uma ciência que se faz importante em todos os ramos da engenharia. Pois enquanto o engenheiro mecânico enfrenta problemas na refrigeração de motores, ventiladores, ar condicionado, o engenheiro metalúrgico não pode dispensá-la em problemas relacionados aos processos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos, o engenheiro químico necessita da mesma ciência em estudos sobre evaporação, condensação ou em trabalhos em refinarias e reatores, e até mesmo o engenheiro civil sente sua importância, quando vai elaborar os seus projetos, e consegue prever o isolamento térmico adequado que garanta o conforto dos ambientes, a partir do conhecimento que esse tema lhe garante (LUZ, 2011).

De um modo geral, a transferência de calor está presente em nosso cotidiano. Visto que o simples aquecer do corpo pela radiação solar, o resfriamento de um líquido ao acrescentar-se o gelo, o mecanismo de armazenamento de substâncias em garrafa térmica, ou caixa de isopor são exemplos evidentes deste fenômeno físico que muitas vezes passam despercebidos pelos nossos olhos (NETO, 2010; ITO, 2009; LUZ, 2011). Desta forma, este trabalho tem por objetivo conceituar os mecanismos relacionados com a transferência de calor e sua aplicabilidade, principalmente em processos industriais de interesse biotecnológico.

- Mecanismos de transferência de calor

Entende-se como transferência de calor a diferença de temperatura entre dois corpos, onde se tem uma energia em trânsito na direção de um corpo com temperatura mais elevada para um de menor temperatura, até que o equilíbrio seja atingido. Há três mecanismos de transferência de calor: condução, convecção e radiação, que são utilizados ora individualmente, ora em conjunto, tanto em atividades diárias, quanto em atividades industriais (HEWITT, 2002; ÇENGEL, 2009).

- Método por condução

A condução é caracterizada como sendo um mecanismo de transferência de calor que é resultado da interação entre as moléculas e pode ocorrer em sólidos, líquidos ou gases (ÇENGEL, 2009). O calor conduzido nos materiais pode ocorrer em nível atômico, como nos líquidos e gases, e eletrônico, tal como nos sólidos (HEWITT, 2002). Nos líquidos e gases, a condução ocorre por meio da agitação molecular na qual a energia cinética é convertida em energia térmica e transferida de átomo a átomo, por meio da colisão ou a difusão, de uma região de maior temperatura para uma de menor temperatura. Nos sólidos, o fluxo de calor é guiado através dos elétrons livres (YOUNG & FREEDMAN, 2003; ÇENGEL, 2009).

Um exemplo prático da condução é o simples aquecer de uma colher de ferro ao deixá-la por um curto intervalo de tempo em uma panela que está sob o fogo. Porém, se a colher fosse de madeira o aquecimento talvez nem fosse notado. Isso ocorre porque a condução de calor acontece de forma distinta em diferentes materiais (ferro – bom condutor e madeira – mal condutor, ou seja, bom isolante) (YOUNG & FREEDMAN, 2003; HEWITT, 2002; HALLIDAY, RESNICK & WALKER, 2009). Percebe-se ainda que mesmo que o material não esteja em contato direto com a chama, a energia é transferida de forma indireta devido à agitação molecular que permite a transferência de calor de átomo a átomo ao longo do material (YOUNG & FREEDMAN, 2003).

É válido ressaltar que a taxa de condução em um meio é dependente de diversos fatores, entre eles: geometria, espessura, tipo de material e diferença de temperatura (ÇENGEL, 2009). Isto foi comprovado de acordo com experimentos feitos, no qual se percebeu que a taxa de condução, que é a unidade de energia por unidade de tempo, era proporcional á variação de temperatura e área do meio e inversamente proporcional á sua espessura. Sabendo que para toda relação de proporção existe uma constante de proporcionalidade, neste caso denominada condutividade térmica, viu-se que a taxa de condução também é dependente do tipo de material, visto que a constante possui uma relação intrínseca com esta variável (HALLIDAY, RESNICK & WALKER, 2009; ÇENGEL, 2009).

Halliday, Resnick & Walker (2009) definiram ainda o termo resistência térmica na engenharia, que é inversamente proporcional à condutividade, ou seja, se um material possui alta condutividade significa que ele possui menor resistência térmica. Deste modo, um material é considerado bom condutor se transferir energia por condução facilmente, caso contrário é considerado bom isolante. Como os metais sólidos possuem elétrons livres como sendo responsáveis pela condução de calor, estes são considerados excelentes condutores, tendo a prata como o melhor deles, com uma altíssima condutividade térmica (HEWITT, 2002). Vale salientar que os metais puros possuem maior condutividade térmica do que as ligas metálicas, que consiste na mistura de mais de um metal (ÇENGEL, 2009).

Os líquidos e gases, por sua vez, são péssimos condutores. Mas se comparar líquidos e gases, os gases são ainda piores condutores do que os líquidos (HEWITT, 2002). Isso pode ser verificado pela propriedade isolante térmica que lãs, peles, penas, isopor e fibras de vidro possuem graças ao espaço de ar, mau condutor de calor, que há entre esses meios (HEWITT, 2002; YOUNG & FREEDMAN, 2003). Em ordem crescente de condutividade térmica,

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