IDENTIFICAÇÃO DE PROCESSOS:
Ao analisar o desempenho de um sistema térmico, o engenheiro deve ser
capaz de identificar os processos de transferência de calor relevantes.
Somente após a correta identificação de tais processos é que o
comportamento do sistema pode ser apropriadamente quantificado.
(a) Identifique os processos de transferência de calor que determinam a
temperatura de um pavimento de asfalto em um dia de verão.
Escreva um balanço de energia para a superfície do pavimento.
Observe que os processos relevantes são:
1. q”rs = Radiação solar incidente, uma larga porção desta radiação será
absorvida pela superfície;
2. q”rad = Radiação emitida pela superfície para o ar;
3. q”conv = Calor transferido por convecção para o ar (Tsup > T∞);
4. q”cond = Calor transferido por condução para o interior da camada
asfáltica.
Aplicando um balanço de energia na superfície:
q”rs - q”rad - q”conv = q”cond
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(b) Em um típico coletor solar plano, a energia é coletada por um fluido de
trabalho que é circulado através de tubos que estão em íntimo contato com
a face inferior da chapa absorvedora. A parte inferior do coletor é isolada
termicamente da vizinhança. A chapa absorvedora recebe a radiação solar
sobre a sua face superior, que usualmente é coberta por uma ou mais placas
transparentes. Identifique os processos de troca de calor relevantes,
inicialmente para o caso da chapa absorvedora sem qualquer placa de
cobertura e, em seguida, para a chapa absorvedora coberta por uma placa
única.
(a)
(b)
Indique nas figuras os vetores correspondentes aos processos relevantes,
que são:
1 – Radiação solar incidente, uma grande porção desta radiação será
absorvida pela placa absorvedora. Esta absorção é reduzida com a
colocação da placa de cobertura, devido à reflexão.
2 – Convecção para o fluido de trabalho no interior dos tubos.
3 - Taxa líquida de radiação entre a chapa absorvedora e o ambiente (a)
4 – Taxa líquida de radiação entre a placa de cobertura e o ambiente (b)
5 – Taxa líquida de radiação entre a chapa absorvedora e a placa (b)
6 - Convecção da chapa absorvedora (a) e da placa de cobertura (b) para a
vizinhança.
7 – Convecção através do ar contido entre a chapa de absorção e placa
8 – Condução através do isolante.
Note que a cobertura transparente atua reduzindo significativamente as
perdas de calor por convecção e por radiação da chapa absorvedora para a
vizinhança.
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(c) A junta de um termopar é usada para medir a temperatura de uma
corrente de ar quente que escoa através de um canal. A superfície do canal
é resfriada de modo que sua temperatura é bem inferior à do gás.
Identifique os processos de transferência de calor associados à superfície da
junta do termopar. A junta do termopar estará (medirá) a uma temperatura
inferior, igual ou superior à temperatura do gás? Um pequeno tubo,
envolvendo a junta do termopar e com extremidades abertas de modo a
permitir a passagem do gás, forma, nesta situação, o que se chama de
barreira de radiação. Como o uso de tal barreira melhora a precisão na
medida de temperatura do gás?
Assuma que a junta é pequena em relação às paredes do canal; condições
de regime permanente e que o calor transmitido por condução aos cabos do
termopar é desprezível.
Os processos relevantes são:
qrad = Taxa líquida de transferência por radiação entre a junta e as paredes.
qconv = Transferência por convecção do gás para a junta.
Um balanço de energia na superfície da junta fornece:
qconv = qrad
ou
hA(Tjunta – Tgas) = εAσ(T4junta – T4canal)
o que implica que: Tcanal < Tjunta < Tgás
Isto quer dizer que a junta estará a uma temperatura que é menor que a do
gás.
O erro de medição (Tgás – Tjunta) pode ser reduzido com a barreira de
radiação. A junção troca radiação com a blindagem, cuja temperatura será
bem maior que a das paredes do canal. A perda por radiação na junta é
reduzida e sua temperatura ficará mais próxima da do gás.
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