Exercicios Transcal

QUESTÃO 01 Selecione uma aplicação industrial que utilize os fundamentos de transferência de calor a Explique com detalhes o funcionamento da aplicação apresente desenhos técnicos croquis e diagramas b Qual o modo de transferência de calor predominante na aplicação selecionada c Proponha a modelagem da aplicação com base nos fundamentos de transferência de calor QUESTÃO 02 Aponte e discorra sobre pelo menos três formas de melhorar o isolamento térmico de paredes na construção civil Ao discorrer justifique utilizando os fundamentos aprendidos em aula QUESTÃO 03 A resistência de contato muitas vezes é desprezada nos cálculos de resistência térmica total No entanto é possível evidenciar diversas aplicações onde esse conceito é utilizado em diferentes contextos a Explique com detalhes o funcionamento da aplicação apresente desenhos técnicos croquis e diagramas b Detalhe como o conceito de resistência de contato afeta a aplicação escolhida Questão 1 a O equipamento escolhido para embasar teoricamente o conceito de fundamentos de transferência de calor é o aquecedor elétrico Este equipamento é utilizado nas mais diversas aplicações industriais onde se deseja elevar a temperatura de um fluido por meio da conversão de energia elétrica em energia térmica Figura 1 Exemplo de um aquecedor elétrico industrial Fonte Anluz O princípio de funcionamento básico de um aquecedor elétrico está baseado no efeito Joule onde a energia elétrica é dissipada em um resistor e em seguida transformada em calor Neste equipamento a resistência elétrica é inserida em tubos metálicos que podem estar imersos em água óleo ou outro fluido A corrente elétrica percorre o resistor gerando calor por efeito Joule que é então transferido do componente resistivo para o fluido Algumas aplicações industriais que fazem utilização do aquecedor elétrico estão listadas logo abaixo Indústria química e petroquímica Aquecimento de óleos e solventes Setor alimentício Aquecimento de água e fluidos de processo Lavanderias industriais Aquecimento de água Processos farmacêuticos e laboratoriais b O aquecedor elétrico está sujeito aos 3 modos de transferência de calor Condução convecção e radiação O calor que é gerado no fio resistivo é conduzido através do material metálico do tubo do aquecedor este é um processo importante no entanto ocorre apenas na parte interior do equipamento desta forma a condução não é o meio de transferência de calor mais relevante no equipamento selecionado A depender do meio em que está instalado o aquecedor elétrico também pode está sujeito a trocas de calor por radiação no entanto esta também não é a parcela de calor mais relevante na nossa aplicação Por fim o aquecedor elétrico também está sujeito a trocas de calor por convecção uma vez que o calor chega a superfície externa do equipamento ele é transferido diretamente ao fluido de trabalho principalmente por convecção Desta forma podemos afirmar que o mecanismo de transferência de calor predominante na aplicação selecionada é a convecção c Agora vamos propor a modelagem matemática para a aplicação selecionada Abaixo temos um croqui do equipamento com as variáveis pertinentes Figura 2 Representação esquemática do aquecedor elétrico Fonte Transferência de calor e massa Çengel Para nossa modelagem vamos supor que a troca de calor por condução é desprezível Estamos interessados em calcular a taxa total de transferência de calor envolvida no processo Para isso temos o seguinte 𝑄 𝑇 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣 𝑄𝑟𝑎𝑑 Onde a transferência de calor por convecção e radiação são dadas respectivamente pelas seguintes equações 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣 ℎ𝐴𝑇𝑠 𝑇 𝑄𝑟𝑎𝑑 𝜖𝐴𝜎𝑇𝑠 4 𝑇 4 Substituindo ambas equações na taxa de calor total 𝑄 𝑇 ℎ𝐴𝑇𝑠 𝑇 𝜖𝐴𝜎𝑇𝑠 4 𝑇 4 É importante destacar que a equação obtida acima pode ser rearranjada para obter por exemplo o coeficiente de transferência de calor por convecção ℎ ou a temperatura da superfície do aquecedor elétrico 𝑇𝑠 Parâmetros como a área de troca de calor temperatura do ambiente ou do fluido emissividade do material do equipamento geralmente são dados conhecidos Questão 2 Uma primeira medida para melhorar o isolamento térmico de paredes na construção civil é selecionar materiais com baixa condutividade térmica Para explicar melhor vamos utilizar a equação de transferência de calor por condução que é o mecanismo mais relevante neste caso 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 𝑘𝐴 𝑇 𝐿 Observando a equação acima percebemos que a taxa de transferência de calor por condução é diretamente proporcional a condutividade térmica 𝑘 desta forma quanto menor for a condutividade térmica do material de isolamento menor será a taxa de calor transferida Alguns materiais que possuem baixa condutividade térmica e são suscetíveis para a aplicação Lã de vidro lã de rocha isopor painéis de poliuretano ou poliisocianurato Outra medida que pode ser tomada de modo a melhorar o isolamento térmico é a criação de camadas de ar ou paredes duplas esta medida é útil pois o ar quando em repouso possui baixa condutividade térmica Aplicando este método reduz se a condução direta de calor entre o ambiente externo e interno além disso a presença da câmara de ar também diminui a convecção interna desde que o espaço seja suficientemente pequeno para evitar correntes de ar Por fim outra medida que pode ser adotada de modo a melhorar o isolamento térmico é a aplicação de revestimento refletivo ou pinturas de cores claras Materiais com baixa emissividade e alta refletividade reduzem a absorção de radiação solar Da equação de transferência de calor por radiação 𝑄𝑟𝑎𝑑 𝜖𝐴𝜎𝑇𝑠 4 𝑇 4 Percebemos que a emissividade é diretamente proporcional a taxa de transferência de calor por radiação desta forma a redução da emissividade da parede também diminui a taxa de calor transferido para o meio interno Questão 3 a Para este problema será proposto a seguinte aplicação Montagem de componentes eletrônicos em dissipadores de calor Esta é uma aplicação prática do conceito de resistência térmica de contato onde componentes como processadores transistores ou módulos de potência transferem calor para o dissipador que então dissipa para o ambiente por convecção e radiação Figura 3 Componente elétrico com dissipador de calor Fonte Rapid direct Para exemplificar melhor o processo vamos imaginar um chip este gera calor durante seu funcionamento este calor flui diretamente para o dissipador que geralmente é composto de um material com alta condutividade térmica b Entre a superfície do chip e o dissipador há uma interface de contato que nunca é perfeita Mesmo as superfícies aparentemente planas possuem microrugosidades que são preenchidas por ar Figura 4 Distribuição de temperatura e linhas de fluxo de calor entre duas placas Fonte Transferência de calor e massa Çengel Esses micros espaços que conseguimos observar bem na figura acima b reduzem o contato real entre as superfícies criando uma resistência térmica de contato que limita a transferência de calor do componentes eletrônico para o dissipador Referências ÇENGEL Yunus A Transferência de calor uma abordagem prática 2 ed Nova York McGrawHill 2003 INCROPERA Frank P DEWITT David P BERGMAN Theodore L LAVINE Adrienne S Fundamentos de transferência de calor e de massa 7 ed Hoboken John Wiley Sons 2011 ANLUZ Aquecimento Industrial Aquecedor elétrico industrial Disponível em httpswwwanluzcombraquecedoreletricoindustrial Acesso em 4 nov 2025 RAPIDDIRECT Otimize o projeto do dissipador de calor princípios e dicas práticas Disponível em httpswwwrapiddirectcomptblogheatsinkdesign Acesso em 4 nov 2025