Relatório Técnico de Transferência de Calor - Carga Térmica e Conforto Térmico

1 Disciplina de Transferência de Calor Prof Dr Marcos Baroncini Proença Atividade Prática de Transferência de Calor OBJETIVO Essa atividade tem como intuito aplicar na prática os conceitos abordados na disciplina de Transferência de Calor como transferência de calor por condução por convecção e por radiação bem como carga térmica aplicada ao conceito de conforto térmico no ambiente de trabalho do ou da discente MATERIAL DE CONSULTA Para a realização desta atividade prática o discente ou a discente deve consultar os Textos de leitura das Rotas de Aprendizagem e usar como material de consulta os anexos das Aulas 1 a 6 Deve também tomar como referência o Caderno de Exercícios em especial os exercícios resolvidos da Aula 6 2 Disciplina de Transferência de Calor Prof Dr Marcos Baroncini Proença ATIVIDADE RELATÓRIO TÉCNICO O ou a discente deve calcular a Carga Térmica total do seu ambiente de trabalho Para isso deve mandar um relatório técnico envolvendo a identificação de seu ambiente de trabalho podendo anexar fotos e de cada fonte de carga térmica Deve então fazer o memorial de cálculo e obter a carga térmica total A carga térmica total pode ser determinada pela seguinte expressão qT qc qI qIL qE qP qInf qV Em que qT carga térmica total ou quantidade de calor total BTUh ou W Cabe aí salientar que 1 W 3412 BTUh qC calor por condução e convecçãoW qI calor por insolação W qIL calor por iluminação W qP calor por pessoas W qE calor por equipamentos W qInf calor por infiltração W qV calor por ventilação W Os conceitos destas cargas térmicas estão na Aula 6 e exemplos de cálculos destas cargas térmicas estão no Caderno de Exercícios OBSERVAÇÃO Caso o ou a discente não esteja trabalhando no momento pode usar um cômodo de sua casa 3 Disciplina de Transferência de Calor Prof Dr Marcos Baroncini Proença TUTORIAL TRABALHO TRANSFERÊNCIA DE CALOR 1 Identificar o ambiente de trabalho ou de uso diário que selecionará para a atividade prática 2 Fazer o levantamento das fontes de carga térmica presentes no ambiente de trabalho selecionado 3 Fazer um descritivo das equações tabelas e gráficos que usará para a determinação das cargas térmicas das fontes selecionadas 4 Calcular as cargas térmicas de cada fonte 5 Calcular a carga térmica total do ambiente selecionado 6 Apresentar o memorial de cálculo com a carga térmica total em Btuh OBS para converter W para Btuh pode multiplicar o resultado em W por 341 uma vez que 1 Btuh equivale aproximadamente a 341 W 4 Disciplina de Transferência de Calor Prof Dr Marcos Baroncini Proença ESTRUTURA DO TRABALHO CAPA conforme abaixo UNINTER ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA ENGENHARIA DE PRODUÇÃO CARGA TÉRMICA ARIAL 14 Trabalho orientado pelo Professor Marcos Baroncini Proença como parte da avaliação da Disciplina de Transferência de Calor Arial 10 ALUNO A CIDADE DATA ARIAL 12 5 Disciplina de Transferência de Calor Prof Dr Marcos Baroncini Proença SUMÁRIO páginas referentes a cada título e subtítulo INTRODUÇÃO comentário sobre a localização da empresa e do ambiente de trabalho selecionado para o cálculo da carga térmica se possível com anexação de fotos FONTES DE CARGA TÉRMICA descrição de todas as fontes de carga térmica presentes no ambiente de trabalho selecionado CÁLCULO DA CARGA TÉRMICA DAS FONTES DE CALOR cálculo da carga térmica de cada fonte de calor CÁLCULO DA CARGA TÉRMICA TOTAL calcular a carga térmica total do ambiente selecionado convertendo o resultado para Btuh MEMORIAL DE CÁLCULO apresentar as cargas térmicas calculadas para cada fonte e a carga térmica total na forma de tabela UNINTER ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA ENGENHARIA DE PRODUÇÃO CARGA TÉRMICA Trabalho orientado pelo Professor Marcos Baroncini Proença como parte da avaliação da Disciplina de Transferência de Calor ALUNO A CIDADE DATA SUMÁRIO Página INTRODUÇÃO 3 AS EQUAÇÕES DAS TROCAS DE CALOR 3 CÁLCULO DA CARGA TÉRMICA TOTAL 5 MEMORIAL DE CÁLCULO 5 Calculando qc 6 Calculando qI 8 Calculando qP 8 Calculando qT 9 Conclusão 9 INTRODUÇÃO O Ambiente É uma sala de alvenaria situada na cidade de Montes ClarosMG com dimensões internas de 3 m de comprimento por 3 m de largura e 295 m de altura O teto de estrutura de concreto laje pré moldada Ainda temse um janela de 18 m de altura e 2 m de comprimento de vidro de 8 mm de espessura As paredes são todas brancas bem como o tempo Trabalho sozinho e outras pessoas não transitam por aqui A laje e a parede que contém a janela estão expostas à luz solar enquanto o restante da sala está dando acesso ao restante do imóvel Dessa forma apenas uma parede e a laje estão em contato com o mundo externo à casa Então apenas essa parede e a laje terão carga térmica com o ambiente via condução de calor As fontes de calor são o sol que irradia a parede externa e a laje as demais paredes trocam calor com o restante da casa a convecção se pensar o meio com ar em movimento e a irradiação de StefanBoltzman A carga térmica total será dada por qT qc qI qIL qE qP qInf qV qC calor por condução e convecçãoW qI calor por insolação W qIL calor por iluminação W qP calor por pessoas W qE calor por equipamentos W qInf calor por infiltração W qV calor por ventilação W Teremos as fontes sendo um computador que permanece ligado por 2 horas ao dia mas permanece ligado por pouco tempo e nem se percebe aquecimento O sol em uma parede e na laje apenas uma pessoa e trocas de convecção por mais 3 paredes com o restante da casa e o piso com o solo AS EQUAÇÕES DAS TROCAS DE CALOR Condução a quantidade de calor transferido por condução é dada pela equação de Fourier descrita como qxkA ΔT Δ x onde para o calor transferido ocorrer é necessário haver a diferença de temperatura em os dois pontos separado por uma determinada espessura Δ x Vale lembrar que a condução ocorre por meio material e ainda é preciso que exista contato Apenas para ilustrar não existe calor transferido por condução entre o Sol e os planetas No limite em que a variação de e a variação de x tendem a zero o formato de q pode ser melhorado como qxkA T x com T x sendo em alguns casos denominado de gradiente térmico É importante salientar que a unidade de q é de energia divida por tempo W A quantidade de calor transferido por unidade de área será qqx A k T x assim conhecendo o calor por unidade de área de uma superfície sabe se que o calor transferido estará determinado se conhecer a área total A aplicação prática disso seria que podese calcular o calor por área para uma região pequena e depois apenas multiplicar pela área Se parede for de um prédio de 30 andares o problema já simplifica bastante Para uma parede plana que será o caso visto aqui qk ΔT Δ x lembrando que o calor flui da temperatura maior para a temperatura menor Para paredes compostas é apropriado faz o uso da resistência térmica R dada por RΔ x kA veja que assim qx ΔT R quanto maior a resistência térmica menor será o calor transferido Concluise daqui que isolante térmico deve ter uma resistência térmica elevada para proteção de oscilações térmicas Para uma parede composta temos que qx ΔT n1 n Rn onde as resistências térmicas se somarão Nesse caso uma parede rebocada dos dois lados teremos n3 Convecção é dada pela Lei de Newton de convecção a transferência de calor de uma superfície para um fluído No nosso caso a transferência por convecção se dará por meio do ar com a parede E expressão matemática é qhA ΔT ΔTT bT f em alguns trabalhos é conhecida como lei de resfriamento de Newton Quando se tem um corpo exposto ao vento em um noite por exemplo a maior parte de troca de calor se dá pela troca de calor do corpo exposto com o ar A temperatura é a temperatura ambiante Uma aplicação dessa lei de resfriamento é da medicina legal que a utiliza para estimar o tempo decorrido de uma morte e consequentemente determinar a hora do óbito O parâmetro h é o coeficiente de transferência de calor e deve ser determinado A área A é a área da superfície de contato que será a área das paredes Radiação é a forma de transferência de calor mais importante para a vida É como o sol troca calor com os planetas assim os aquecendo Pela sua natureza essa troca de calor pode ocorrer em qualquer ambiente sem necessidade de contato O mecanismo de transporte se dá por ondas eletromagnéticas que por sua vez são absolvidas por elétrons no material Sabese que todos os corpos emitem radiação e absorvem A lei de troca de calor por radiação é denominada Lei de StefanBoltzmann dadada por Qeϵα AT b 4 onde a temperatura é a temperatura da superfície irradiante 0ϵ1 é a eficiência da superfície em irradiar denominado emissividade térmica O α56710 8 W m ² K 4 é a constante de StefanBoltzmann Como as trocas de calor por radiação ocorrem com todos os corpos quando o corpo está exposto ao ambiente como ocorre com as paredes a troca se dará por Qeϵα AT b 4T s 4 onde o ambiente que está próximo ao corpo é grande o suficiente por exemplo uma parede e o ambiente externo CÁLCULO DA CARGA TÉRMICA TOTAL A carga térmica total será dada pela soma das parciais Assim qT47396595773661123379693071954456690645466840341123453497278215856W qT34111234534972782158563830976425718716069 Btuh Finalizando a carga térmica total será de qT3831 M Btuh MEMORIAL DE CÁLCULO A carga térmica total será dada por qT qc qI qIL qE qP qInf qV qC calor por condução e convecçãoW qI calor por insolação W qIL calor por iluminação W qP calor por pessoas W qE calor por equipamentos W qInf calor por infiltração W qV calor por ventilação W Teremos que considerar qC para as paredes e a laje qI teremos em uma parede e na laje qIL é o calor devido a uma lâmpada qP é o calor devido a uma pessoa qE é o calor devido a um computador e qInf 0 pois não há infiltração e qV0 pois não temos ventilação forçada Então qT qc qI qIL qE qP A temperatura dentro da sala é mantida a 18 C e a temperatura externa média temperatura ambiente é 23C A temperatura do solo é 22C Os demais cômodos estão à 20 C em média Aqui o cuidado será identificar a área e as constantes qck A T foraT dentro Δ x hAT foraT dentro veja que a troca de calor será positiva pois dentro da sala está a uma temperatura menor que fora da sala Para a convecção natural que é nosso caso h15 W m ²K Por insolação terei a laje e uma parede que estão expostas ao sol será qIϵα AT sol 4 onde a temperatura em questão é da superfície do sol qIL será desconsiderado pois temos apenas uma lâmpada de led o que torna sua contribuição de calor desprezível Assim qTqcqI qEqP qE é o calor do equipamento sendo aqui tendo contribuição do computador como o computador é ligado por pouco tempo e sua temperatura não varia de forma perceptível ultra book vou desprezar esse calor Assim temos que qTqcqI qP Agora o calor que uma pessoa emite será qPkA T corpoT sala Δ x ϵα AT corpo 4 hAT corpoT sala veja que aqui já foram consideradas as condições de forma que o calor recebido pela sala será positivo Finalmente temos que a carga térmica total para a sala será dada por qTqcqI qP Calculando qc Quando o valor for positivo indica que a sala está recebendo energia na forma de calor O calor por condução na estrutura da sala primeira parte da equação vai ocorrer em toda a estrutura O que ocorre é que precisamos detalhar cada pedaço qck A T foraT dentro Δ x hAT foraT dentro Contato com o ambiente externo laje área3 m x 3m 9 m² uma parede 295 m x 3 m885 m² sendo que nela tem uma janela de 18 mx 2 m36 m² Superfície Áream² xm Temperatura interna K Temperatura externaK piso 9 0078 291 295 laje 9 0135 291 296 2 paredes 177 0165 291 293 parede 525 0165 291 296 janela 36 0008 291 296 Apenas para a janela teremos aplicação simples da fórmula Nos demais casos usaremos qc1T foraTdentro R material KWmK xm gesso branco e areia 022 0005 tijolo comum 072 014 cimento e areia 072 002 vidro 08 0008 porcelanato 16 0008 concreto 0575 005 e 013 ar 12 Piso com 5 cm de concreto 2 cm de contra piso e porcelanato de 8 mm qc pisocondução 295291 005 90575 002 90072 0008 916 97367217613 W qc pisoconvecção159295291540W qc pisoqcpiso conduçãoqc pisoconvecção97367217613540637367217613 W qc piso637367217613W A laje possui 5 mm de reboco interno de gesso com areia e 13 cm de concreto qclajecondução 296291 0005 9022 013 90575 18085782367W por convecção temos qclajeconvecção159296291675W qclajeqclajeconduçãoqclaje convecção1808578236767585585782367W qclaje85585782367W Para as duas pareces que possuem reboco externo de 2 cm e interno com revestimento de gesso já especificado com 5 mm Ainda possui a espessura de 14 cm de tijolo qc2 paredescondução 293291 0005 177022 014 177072 002 177072 144519587629W qc2 paredesconvecção15177293291531W qc2 paredesqc2 paredesconduçãoqc2paredes convecção144519587629531675519587629W qc2 paredes675519587629W A parede que possui a janela possui tijolo de 14 cm reboco de 2 cm e parte interna revestida de composição de gesso de 5 mm qc paredecondução 296291 0005 525022 014 525072 002 525072 107164948454W qc paredeconvecção1552529629139375W qc paredeqc paredeconduçãoqc paredeconvecção10716494845439375500914948454W qc parede500914948454W Finalmente para a janela temos que a espessura é 8 mm qc janela0836 296291 0008 15362962912070W qcqc pisoqclajeqc2 paredesqcparedeqc janela qc637367217613855857823676755195876295009149484542070 qc4739659577366W A carga térmica qc total será qc4739659577366W Calculando qI Apenas a laje e a parede externa que contém a janela vão receber essa energia qIϵα AT sol 4 A área será a soma das áreas da laje parede e janela qI156710 89525365772 41123379693071954456W qI1123379693071954456W Calculando qP Vale lembrar que a pessoa vai trocar calor com a sala Em todos os casos ela vai ceder calor para a sala pois possui temperatura maior que a da sala A temperatura do corpo humana é 36 5 ou seja 309 5 K A condutividade térmica da pele é 38 WmK e emissividade térmica 098 Assim considerando a área da pele de 075 m² e a espessura média em 077 mm temos que qPkA T corpoT sala Δ x ϵα AT corpo 4 hAT corpoT sala qP380753095291 07710 3 09856710 80753095 4150753095291 qP69064546684034W Calculando qT Finalizando qTqcqI qP agora basta fazer a soma qTqcqIqP qT47396595773661123379693071954456690645466840341123453497278215856W Conclusão Pelos cálculos executados temse que a energia decorrente de condução por contato mesmo é a de menor intensidade Sendo que as contribuições de irradiação e convecção predominam de forma bem acentuada