Processos em Engenharia:
Sistemas Térmicos
Prof. Daniel Coutinho
[email protected]
Departamento de Automação e Sistemas – DAS
Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC
DAS 5101 - Aula 8 – p.1/53
Sumário
• Introdução
• Transferência de Calor:
• Condução
• Convecção
• Radiação
• Dispositivos para transmissão de calor
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Introdução - I
• Calor é a forma de energia na qual um sistema troca energia
com o meio ambiente, ou com outro sistema, em virtude da
diferença de temperatura.
• Desta forma, a temperatura é a variável que permite medir a
capacidade de um corpo transferir energia calórica.
• Nas aulas introdutórias da disciplina, verificou-se que para
produzir trabalho útil é geralmente necessário transformar
uma forma de energia em outra forma que seja mais
facilmente utilizável.
• Um caso típico é a geração de energia elétrica a partir da
queima de combustível (termelétrica).
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Introdução - II
• Por outro lado, em diversos processos, a própria energia
térmica é utilizada para produzir trabalho útil.
• Por exemplo, nos processos industriais onde reagentes
devem ser aquecidos (resfriados) a uma certa temperatura
para maximizar o rendimento de uma reação química.
• Ressalta-se o papel da energia térmica nos processo de
separação de líquidos, onde se aproveita da diferença de
volatilidades dos componentes individuais (coluna de
distilação).
• A energia térmica é geralmente obtida a partir da queima de
de fontes não-renováveis.
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Transferência de Calor - I
• Transferência de calor é a ciência que trata das velocidades
de intercâmbio de calor entre corpos, quente e frio,
chamados fonte e receptor.
• Termodinâmica é a ciência que trata das transições e
re-arranjos energéticos em corpos de interesse (como
calor).
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Transferência de Calor - II
• Apesar das quantidades de calor envolvidas num processo
de vaporização de uma certa massa líquida e no inverso, a
condensação da mesma massa de vapor do mesmo líquido,
em idênticas condições de pressão, é bem mais difícil e
demorado que o de vaporização.
• Em processos industriais projetados para viabilizar a troca
térmica entre fonte e receptor, busca-se na ciência de
transferência de calor obter as informações necessárias
relativas às velocidades esperadas na troca de calor.
• Existem três mecanismos básicos de transferência de calor:
condução, convecção e radiação.
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Condução - I
• Condução
• é a transferência de calor através de matéria fixa tal como a
parede estacionária na figura
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Condução - II
• A taxa de transferência de calor por condução é expressa
matematicamente pela equação de Laplace:
∂2T
∂2T
∂ 2T
1 ∂T
+
+ 2 =
2
2
∂x
∂y
∂z
α ∂t
onde α é a difusão térmica e x, y, z são as coordenadas no
plano Cartesiano.
• Em regime permanente a equação acima fica na forma:
∂ 2T
∂ 2T
∂ 2T
+
+ 2 =0
2
2
∂x
∂y
∂z
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Condução - III
• Para uma condução unidimensional (na coordenada x), a
quantidade de fluxo de calor (por condução) é dada pela
equação de Fourier:
dT
dQ = −kA
dx
onde k é a condutividade térmica, A é área normal em
relação a xe −dT /dx é conhecido como gradiente térmico.
• Integrando com relação a xleva a seguinte taxa de
transferência de calor:
A
Q=−
L
Z
T2
kdT
T1
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Condução - IV
• Em regime permanente, a temperatura é constante em
relação ao tempo e não existe acumulo de energia.
• Se a condutividade térmica é constante em relação a
temperatura T , então a taxa de transferência de calor é dada
por:
A
Q=
T1 − T2
L
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Convecção - I
• Convecção é a transferência de calor entre porções relativamente
quentes e frias de um fluido, por mistura.
• A transferência de calor por convecção é caracterizada pela Lei
de Newton de resfriamento
dQ = hc Adt ⇒ Q = hA∆T
onde hc é o coeficiente de transferência de calor (convecção).
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Convecção - II
• A convecção geralmente está associada com a transferência
de calor entre uma massa de líquido sobre uma parede fixa.
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Radiação
• Radiação é a transferência de energia radiante de uma
fonte a um receptor.
• Quando radiação é transferida de uma fonte a um receptor
parte da energia é absorvida pelo receptor e parte é refletida.
• Com base na segunda lei da termodinâmica, a velocidade à
qual uma fonte libera calor por radiação é dada por (Lei de
Stefan-Boltzmann):
4
4
4
4
dQ = σε T1 − T2 dA ⇒ Q = σεA T1 − T2
onde σ = 5.66710−8 [W/m2 K 4 ] (constante de de
Stefan-Boltzmann) e ε é a emissividade.
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Transferência de Calor - III
• A disciplina Processos de Transferência de Calor estuda as
velocidades de troca de calor, tal como elas ocorrem nos
equipamentos de transferência de calor.
• Esta abordagem permite focalizar a importância da
diferença de temperatura entre fonte e receptor, que é a
força motora pela qual a transferência de calor é realizada.
• Um problema típico dos processos de transferência de
calor, relaciona-se: (i) as quantidades de calor a serem
transferidas; (ii) as velocidades de transferência dessas
quantidades de calor; (iii) o potencial necessário; e (iv) a
área e a forma da superfície de separação entre fonte e
receptor.
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Exemplo: transferência de calor
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Dispositivos para Transmissão de Calor - I
• Existe uma grande variedade de dispositivos de transmissão
de calor, desde o aquecedor elétrico de um chuveiro até as
gigantescas caldeiras das centrais térmicas.
• A seguir, apresentam-se brevemente alguns equipamentos
utilizados na transmissão de calor na indústria de processos.
• Fatores importantes na classificação desses equipamentos:
a) a forma de transmissão do calor
b) a função
c) a tamanho
d) a faixa de operação
e) a fases (estados) presentes, etc.
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Dispositivos para Transmissão de Calor - II
• Classificação pela função do dispositivo:
(i) Dispositivos de produção de vapor de água a elevada
pressão e temperatura para efeitos de aquecimento em
outros processos ou produção de força motriz: Caldeiras.
(ii) Dispositivos de troca de calor sem mudança de fase:
Trocadores de calor, que podem ser: líquido/líquido;
líquido/gás e gás/gás.
(iii) Dispositivos de troca de fase: Condensadores e
Evaporadores (fundamentalmente usados para a
concentração de soluções).
(iv) Dispositivos de resfriamento (torres de resfriamento).
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Caldeiras - I
• Os dispositivos de produção de vapor são habitualmente denominados
caldeiras.
• As caldeiras operam em condições de elevadas temperaturas e pressões,
portanto devem ser cuidadosamente projetadas para atender às
especificações de funcionamento.
• Durante a revolução industrial, onde as máquinas e meios de transporte
(trens e embarcações) funcionavam impulsionadas por vapor produzido
por caldeiras, o desenho das caldeiras era artesanal e empírico, e
freqüentemente era motivo de acidentes graves.
• Com o avanço da tecnologia, existiu uma grande evolução em relação
as propriedades dos materiais e de sua resistência a esforços de pressão
e temperatura.
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Caldeiras - II
• Classificações:
a) uso: força ou aquecimento,
b) estacionarias (fixas) ou móveis (caldeiras marinhas ou locomotivas);
c) pressão de trabalho: baixa pressão (< 1 kg/cm2, para calefação) ou
alta pressão (até 350 kg/cm2, para geração de força)
d) materiais de que são construídas (aço, ferro fundido, etc.)
e) tamanho
f) conteúdo dos tubos: aquotubulares (quando a água circula pelos
tubos) ou de ”tubos de fumaça” (quando é o ar quente que circula pelos
tubos);
g) sistema de aquecimento;
h) sistema de circulação;
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Vapor d’água - I
• O objetivo da caldeira consiste na transformação de água
em vapor, pela absorção de calor obtido (em geral) pela
queima de combustível.
• Quando o calor é fornecido a uma certa massa de água à
pressão constante, observa-se o aumento da temperatura da
água líquida até que se inicie o processo de vaporização.
• A partir deste ponto, não é observada mudança de
temperatura até que a vaporização se complete, quando,
então, qualquer transferência de calor adicional implicará
no superaquecimento do vapor.
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Vapor d’água - II
• Processo de vaporização da água na pressão atmosférica:
• Trecho 0 – 1 (0o C e 100o C): tem-se a água no estado de
líquido sub resfriado. O calor fornecido é denominado calor
sensível, pois é utilizado somente no aquecimento da água.
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Vapor d’água - III
• No ponto 1, a água está na temperatura de saturação (100o C
a 1 atm) – líquido saturado.
• A quantidade de calor necessária à vaporização total da
água se denomina calor latente de vaporização. Na pressão
de 1 atm, 1 kg de água requer 539 kcal para se transformar
em vapor.
• Trecho 1 – 2: a água está parcialmente vaporizada, ou seja,
trata-se de uma mistura de líquido + vapor saturados.
• No ponto 2, toda a água se transformou em vapor,
constituindo o vapor saturado seco, ou seja, sem a presença
de gotículas de líquido.
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Vapor d’água - IV
• Acima do ponto 2, o calor adicional fornecido é usado no
aumento da temperatura (calor sensível), constituindo o
vapor superaquecido.
• A diferença entre a temperatura do vapor e a temperatura de
saturação (ou vaporização), na mesma pressão, é
denominada de grau de superaquecimento (GSA) do vapor.
• Quando a água começa a vaporizar, o volume aumenta
muito devido à formação do vapor d’água.
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Vapor d’água - V
• Evolução do volume da água à medida que a temperatura é
aumentada, partindo do estado sólido (ponto A):
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Vapor d’água - VI
• Pressão e Temperatura de Saturação:
• Vaporização em pressões mais elevadas
• A pressão na qual a água se vaporiza é denominada pressão
de saturação, enquanto que a temperatura de vaporização é
chamada de temperatura de saturação.
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Caldeiras - III
• Classificação de caldeiras quanto a pressão de operação:
1. Baixa pressão (6 a 16 kgf/cm2 )
2. Média pressão (22 a 39 kgf/cm2 )
3. Alta pressão (60 kgf/cm2 )
• Classificação quanto a montagem:
1. Compactas (é embarcada pelo fornecedor
completamente montada com: queimadores,
ventiladores, controles e acessórios).
2. Montadas parcialmente no local
3. Montadas totalmente no local
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Caldeiras Compactas - I
• A fonte primaria de energia era carvão ou madeira,
queimando na parte inferior do equipamento, para produzir
calor que, por mecanismos de radiação (principalmente na
região da queima) e convecção, era transmitido à água que
seria evaporada.
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Caldeiras Compactas - II
• Caldeiras verticais: tubos de fumaça
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Caldeiras Flamotubulares - I
• Estas caldeiras caracterizam-se pela passagem dos gases
quentes por dentro de tubos, geralmente em três passes
antes de saírem para a chaminé.
• Todo este conjunto de tubos, por onde passam os gases está
imerso na água a ser vaporizada.
• São empregadas para baixas pressões (até 10 kg/cm2 ),
baixas capacidades (até 15 t/ h) e onde possa ser utilizado
vapor saturado (título normal 80/90 % ).
• São os equipamentos mais baratos, compactos e que
requerem menos cuidados de operação e manutenção.
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Caldeiras Flamotubulares - II
• Exemplos e formas construtivas:
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Caldeiras Flamotubulares - III
• Exemplos de uma caldeira completa:
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Caldeiras Aquotubulares - I
• Estas caldeiras caracterizam-se pela combustão em uma
câmara denominada fornalha, enquanto a água a ser
vaporizada circula no interior de tubos que cobrem as
paredes da fornalha.
• Nos modernos projetos industriais, são usados, quase
completamente, caldeiras tipo tubo de água, dando ensejo,
a que se produzam grandes quantidades de vapor e elevadas
pressões e temperaturas.
• A produção de vapor, nestes tipos de caldeiras atinge até
750 toneladas vapor/hora com pressões que já ultrapassam
200 kg/cm2 .
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Caldeiras Aquotubulares - II
• Essas caldeiras operam a partir do princípio natural de
circulação d’água.
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Caldeiras Aquotubulares - III
• Estruturas construtivas:
a) longitudinal
b) cruzado
c) tubo de Bent
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Trocadores de Calor - I
• Trocadores de calor são equipamentos onde fonte e receptor participam
do processo de transferência de calor através de uma superfície de
separação, sem que haja mudança de estado de nenhum deles.
• Eles podem ser classificados baseados em:
a) confinamento, ou não, de ambos os fluídos intervenientes;
b) circulação por convecção natural ou forçada para àqueles em que um
dos fluidos não é confinado;
c) circulação em correntes paralelas, cruzadas, em contracorrente, ou,
ainda, combinações destas para dispositivos de mais de uma passada,
quando ambos os fluídos são confinados;
d) forma e dimensão dos tubos nos trocadores de calor de carcassa
(camisa) e tubos;
e) número de passadas dos fluídos de camisa e tubos (número de vezes
que cada um dos fluídos percorre o comprimento do trocador;
f) tipo de fluídos envolvidos (não-corrosivos, corrosivos,...), etc.
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Trocadores de Calor - II
• Trocador de camisa e tubos, em contracorrente, de uma passada nos
tubos e uma na camisa, com ”baffles” para favorecer a troca térmica,
com junta de expansão toroidal e cabeçotes flutuantes para acomodar
diferenças nos coeficientes de dilatação térmica dos distintos materiais
componentes do equipamento.
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Trocadores de Calor - III
• Arranjos de fluxo:
a) Paralelo: os dois fluídos entram no trocador no mesmo ponto e
circulam em paralelo.
b) Contra-corrente: os fluídos trafegam em fluxos perpendiculares.
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Trocadores de Calor - IV
• Trocador tubular: consiste de uma série de tubos. Um conjunto desses
tubos contém o líquido a ser aquecido (ou resfriado). O segundo
conjunto de tubos contém o líquido que circula através do primeiro
conjunto de tubos.
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Trocadores de Calor - V
• Exemplos de tubos utilizados em trocadores tubulares:
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Trocadores de Calor - VI
• Trocador do tipo placa: consiste de múltiplas (finas e ligeiramente
separadas) placas que possuem um grande área por onde passam os
líquidos para transferência de calor.
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Condensadores e Evaporadores - I
• São trocadores de calor modificados para lidar com o fato
de haver mudança de fase nos fluídos intervenientes.
• Ressalta-se que diferenças importantes de desenho são
introduzidas nos evaporadores onde o efeito desejado é o de
concentrar soluções.
• Nestes casos os desenhos prestam especial atenção à
necessária separação dos vapores da solução concentrada
resultante.
• Na próxima figura, apresenta-se um refervedor de tipo
marmita, normalmente associado às colunas de destilação.
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Condensadores e Evaporadores - II
• Objetivo: evaporar a mistura líquida a ser separada. Para tal, usa-se
vapor de água produzido por uma caldeira ingressando no dispositivo
pela entrada superior a esquerda, circulando pelos tubos em duas
passadas e saindo, condensado, pela parte inferior esquerda.
• A alimentação da mistura a ser evaporada ingressa pela entrada inferior
ao centro, sendo que o vapor produzido sai pela parte superior e o
liquido em excesso sai pela parte inferior direita.
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Condensadores e Evaporadores - III
• Exemplo 2: evaporadores cuja missão é a de concentrar soluções
evaporando o dissolvente. Observar que a fonte de calor em ambos os
casos é vapor de água, circulando por fora dos tubos e cedendo calor
latente até condensar completamente, enquanto a solução a ser
concentrada ferve dentro dos tubos.
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Torres de resfriamento - I
• Quando um dado fluído, geralmente água de resfriamento
(foi usada para resfriar e aqueceu), deve ser restituído à
natureza, é aconselhável, por motivos ecológicos, que sua
temperatura seja próxima da do sistema receptor.
• Para tal, utilizam-se torres de resfriamento onde o fluido
pulverizado em fina chuva é esfriado por contato com
corrente de ar ascendente (convecção devida ao gradiente
térmico) a grande velocidade.
• Defletores são utilizados nas torres de resfriamento para
orientar a corrente de ar ascendente e para reduzir ainda
mais o tamanho das gotas de água descendente.
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Torres de resfriamento - II
• Torre de resfriamento e detalhe dos defletores
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Medição de temperatura - I
• A temperatura é uma grandeza fundamental em processos
térmicos.
• Existem vários métodos e instrumentos disponíveis para
medição de temperatura.
• Os mais importantes são aqueles capacitados para a
transmissão remota sem perda apreciável no transporte e,
consequentemente com maior exatidão.
1. termopares
2. termômetros de resistência
3. termístores
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Medição de temperatura - II
• Referências de temperatura mais utilizadas:
• 0o C – ponto de fusão da d’água
• 100o C – ponto de ebulição d’água
• −273, 16o C – zero absoluto
• Elementos primários de medição:
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Termopares - I
• O termopar é o elemento primário mais utilizado na
medição de temperatura em ambientes industriais.
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Termopares - II
• Existem várias junções metálicas para termopares:
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Termopares - III
• Para uso em meio agressivo termopares e outros
dispositivos de medição são condicionados em ”jaquetas”
de material resistente que os protegem (entretanto, isto
degrada a medição pela introdução de um material
intermediário).
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Termoresistor - I
• O principio de medição repousa no fato que a resistência elétrica de um
fio de metal puro varia proporcionalmente com a temperatura.
• Exemplo: fio de platina
R(T2 ) = R(T1 ) 1 + A(T2 − T1 ) + B(T2 − T1 )
2
∼
= R(T1 ) [1 + A(T2 − T1 )]
onde A (no caso do fio de platina, 0, 392 × 10−2 ) e B (0, 588 × 10−6 )
são coeficientes que dependem do material, T1 é uma temperatura
conhecida e T2 é a temperatura que se deseja medir.
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Termoresistor - II
• Forma de utilização: i = v/R, para v = cte, tem-se que ∆R ⇒ ∆i.
• Vantagens:
• alta precisão
• boa sensibilidade
• não necessita de junta de compensação fria.
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Termístores
• Termı́stores são óxidos metálicos (cobalto, níquel, manganês),
semicondutores, cuja resistência diminui quando a temperatura
aumenta.
• Os termístores também são chamados de ”Negative Temperature
Coefficient” ou NTC.
• Relação matemática
R(T2 ) = R(T1 ) 1 + A(∆T )(T2 − T1 )
sendo A(∆T ) é não linear (exponencial).
• Principais características: tamanho pequeno (resposta rápida), alto
coeficiente de temperatura, maior sensibilidade para quedas de
temperatura, não necessita de correção de junção, baixo custo, não
linear, pouca estabilidade para temperaturas elevadas.
DAS 5101 - Aula 8 – p.53/53
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