Operações Unitárias II: Transferência de Calor na Indústria de Alimentos

OPERAÇÕES UNITARIAS II OBJETIVOS Conhecer e dimensionar os equipamentos envolvidos na transferência de calor na indústria de alimentos Trocadores de calor casco e tubos passe simples múltiplos passes placas Reuso e otimização do uso da energia térmica no processamento industrial Aquecimento convencional calor específico condutividade térmica e emissividade do alimento ou dos materiais Aquecimento por microondas propriedades dielétricas dos materiais Geração e uso de calor na indústria de alimentos vapor saturado e supersaturado Caldeiras tipos dimensionamento operação e cuidados Geração e uso de frio na indústria de alimentos torres de resfriamento ciclo de compressão e expansão ideal e real sistemas de absorção amônia EMENTA Operações unitárias da indústria de alimentos envolvendo fenômenos de transferência de calor trocadores de calor evaporação refrigeração CONTEÚDO PROGRAMÁTICO INTRODUÇÃO Operações Unitárias de transferência de calor revisão dos mecanismos e equações de transferência de calor condução convecção e radiação TROCADORES DE CALOR tubulares casco e tubos placas Construção e disposição de tubos placas passes simples múltiplos fluxos concorrente contracorrente corrente cruzada EVAPORADORES Evaporadores de circulação natural Evaporadores de circulação forçada Evaporadores de simples efeito Evaporadores de Múltiplos efeitos CALDEIRAS tipos aquatubulares e flamotubulares construção e dispositivos de segurança REFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL torres de resfriamento funcionamento de refrigeradores ciclo de compressão e expansão gás refrigerante amônia Critério de avaliação Avaliações periódicas as avaliações compreenderão 3 notas distintas Prova I PI Prova II PII e Prova III PIII As provas I II e III ocorrerão com agendamento prévio com os alunos e terão o mesmo valor 10 pontos O cálculo da média será realizado de acordo com a equação MF PI PII PIII3 Onde MF média final da disciplina PI nota da Prova I PII nota da Prova II PIII nota da Prova III BIBLIOGRAFIA BÁSICA FOUST A S Princípios das Operações Unitárias LTC 2015 GOMIDE R Operações Unitárias São Paulo Edição do Autor 1983 v 1 e 3 MCCABE W L SMITH J C Operaciones Básicas de Ingenieria Química Editorial Reverté SA 1975 STOECKER W F JABARDO J M S Refrigeração Industrial 3ª Ed São Paulo Edgard Blücher 2018 TADINI C C Operações unitárias na indústria de alimentos Rio de Janeiro LTC 2019 TERRON L R Operações unitárias para químicos farmacêuticos e engenheiros fundamentos e operações unitárias de escoamento de fluidos Rio de Janeiro LTC 2019 BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR BLACKADDER D A NEDDERMAN R M Manual de Operações Unitárias São Paulo Hemus 1982 KEEV R B Introduction to Industrial Drying Operations Pergamon Press 1978 KING D Procesos de Separación Editorial Reverté 1980 CALORQ Forma deenergiaquesepropagadeumcorpoparaoutro oumesmopartesdeummesmo corpopordiferençadetemperatura Unidadedecalor JouleJ TRANSFERÊNCIADECALOR Ciênciaqueestudaasleiseprincípios queregemapropagaçãodecalor OPERAÇÕES UNITARIAS II TRANSFERÊNCIADECALOR A transferência de calor estuda a transferência de energia entre dois corpos que ocorre devido a uma diferença de temperatura determinando quanta energia é transferida e em quetaxaestaenergiaétransferida MASOQUEÉATRANSFERÊNCIADECALORECOMOSEPROCESSA Atransferência de calor é a energia emtrânsito devido a umadiferença de temperatura E sempre que existir esta diferença de temperatura em um meio ou entre meios ocorrerá transferênciadecalor OPERAÇÕES UNITARIAS II Por exemplo se dois corpos a diferentes temperaturas são colocados em contato ocorrerá uma transferência de calor do corpo de temperatura maiselevada para ocorpo de menor temperatura até que haja equivalência de temperatura entre eles ou seja o equilíbriotérmico A transferência de calor cessa quando não existemais umadiferençadetemperatura OPERAÇÕES UNITARIAS II RELAÇÃOENTREATERMODINÂMICAEATRANSFERÊNCIADECALOR ATermodinâmicatrata da relação entre o calor eas outras formasde energia Aenergia pode ser transferida através de interações entre o sistema e suas vizinhanças Estas interaçõessãodenominadascalorQetrabalhoW CALOR energia transferida para ou de um sistema unicamente por diferença de temperatura A1ªLeidaTermodinâmicagovernaquantitativamenteestasinterações ΔUU2 U1 QW Ou seja a variação da energia interna de um sistema é igual à diferença entre o calor transferido para o sistema eotrabalho executadopelo sistema OPERAÇÕES UNITARIAS II RELAÇÃOENTREATERMODINÂMICAEATRANSFERÊNCIADECALOR A 1ª Lei da Termodinâmica pode ser enunciada assim A variação líquida de energia de um sistema é sempre igual a transferência líquida de energia na forma de calor e trabalho A 2ª Lei da Termodinâmica pode ser enunciada assim É impossível o processo cujo único resultado seja a transferência líquida de calor de uma região fria para uma região quente Porém existe uma diferença fundamental entre a transferência de calor e a termodinâmica Embora a termodinâmica trate das interações docalor e o papel que ele desempenha na primeira e na segunda leis ela não leva em conta nem o mecanismo detransferêncianemosmétodosdecálculodataxadetransferênciadecalor OPERAÇÕES UNITARIAS II RELAÇÃOENTREATERMODINÂMICAEATRANSFERÊNCIADECALOR A termodinâmica trata comestados de equilíbrio da matéria onde inexiste gradientes de temperatura Embora a termodinâmica possa ser usada para determinar a quantidade de energia requerida na forma de calor para um sistema passar de um estado de equilíbrio para outro ela não pode quantificar a taxa velocidade na qual a transferênciadocalor ocorre A disciplina de transferência de calor procura fazer aquilo o que a termodinâmica é inerentementeincapazdefazer OPERAÇÕES UNITARIAS II MECANISMOSFUNDAMENTAIS DETRANSFERÊNCIADECALOR CONDUTIVIDADE TÉRMICAk Diferentes materiais armazenam calor de modo distinto e definimos a propriedade calor específico cp como a medida da capacidade do material de armazenar energia térmica Por exemplo cp 418 kJkg C para a água e cp 045 kJkg C para o ferro em temperatura ambiente o que indica que a água pode armazenarquase10vezes maisenergiadoqueoferro porunidadedemassa Damesmaforma a condutividade térmicak éa medidada capacidadedeum dadomaterial conduzircalor Por exemplo k0607Wm Cparaaáguae k 802Wm C paraoferro emtemperaturaambienteoquesignificaqueoferro conduz calor cemvezesmaisrápidodoqueaágua OPERAÇÕES UNITARIAS II MECANISMOSFUNDAMENTAIS DETRANSFERÊNCIADECALOR CONDUTIVIDADE TÉRMICAk Logo dizemos que a água é umpobre condutor de calor em relação ao ferro entretantoaáguaéumexcelentemeioparaarmazenarenergiatérmica A equação para a taxa de transferência de calor por condução sob condições permanentes também pode ser visualizada como uma equação que define a condutibilidadetérmica x 2 x 1 q kA T1 T2 MECANISMOSFUNDAMENTAIS DETRANSFERÊNCIADECALOR CONDUTIVIDADE TÉRMICAk Mecanismos de condução de calor em diferentesfasesdeumasubstância OPERAÇÕES UNITARIAS II MECANISMOSFUNDAMENTAIS DETRANSFERÊNCIADECALOR A CONDUÇÃO meioestacionário BCONVECÇÃO superfície efluído C RADIAÇÃO ausência de um meio interveniente OPERAÇÕES UNITARIAS II MECANISMOSFUNDAMENTAIS DETRANSFERÊNCIADECALOR A CONDUÇÃO A condução é umprocesso pelo qual o calor flui de uma região de temperatura mais alta para uma região de temperatura mais baixa dentro de um meio sólido líquido ou gás ou entre meios diferentes em contato físico direto Na condução a energia é transmitida por comunicação molecular direta sem apreciável deslocamento das moléculas Ofluxo de calor por condução ocorre via as colisões entre átomos e moléculas deumasubstânciaeatransferênciadeenergiacinética OPERAÇÕES UNITARIAS II MECANISMOSFUNDAMENTAIS DETRANSFERÊNCIADECALOR A CONDUÇÃO Vamos considerar duas substâncias a diferentes temperaturas separadas por umabarreira queéremovida subitamentecomomostra afiguraabaixo Quando a barreira é removida os átomos quentes colidem com os átomos frios Em tais colisões os átomos rápidos perdem alguma velocidade e os mais lentos ganham velocidade Logo os mais rápidos transferem alguma de sua energia para os mais lentos Esta transferência de energia do lado quente para o ladofrio échamadadefluxodecalor por condução OPERAÇÕES UNITARIAS II MECANISMOSFUNDAMENTAIS DETRANSFERÊNCIADECALOR A CONDUÇÃO EquaçãoFundamental Lei deFourier Onde qfluxodecalor emW Aáreadaseção perpendicularaofluxo emm2 TxgradientedetemperaturaemºCm kcondutividadetérmicadomaterialemWmºCouWmK x q kA T x q kA T x 2 x 1 q kA T1 T2 T1 T2 X2 X1 L MECANISMOSFUNDAMENTAIS DETRANSFERÊNCIADECALOR B CONVECÇÃO A convecção é umprocesso de transporte de energia pela ação combinada de condução de calor armazenamento de energia e movimento de mistura A convecção é importante principalmente como mecanismo de transferência de energia entre uma superfíciesólidaeumlíquidoougás Omecanismo de convecção se caracteriza pela transferência de calor causada pelodeslocamentodemassafluida Em um fluido em movimento onde existe uma distribuição nãouniforme de temperatura o calor é transferido pelo transporte de massa fluida e também por conduçãodevidoaosgradientesdetemperatura OPERAÇÕES UNITARIAS II MECANISMOSFUNDAMENTAIS DETRANSFERÊNCIADECALOR B CONVECÇÃO Ofluxo de calor por convecção é diretamente proporcional à diferença entre as temperaturas da superfície sólida e do fluido e é determinada por meio da equação conhecidacomoalei deNewtonparaoresfriamento q hATP T q fluxo de calor em W h coeficiente de convecção em Wm2ºC A área do sólido em contato com o fluido em m2 TP temperatura da superfície ou parede sólida em ºC T temperatura do fluido em ºC MECANISMOSFUNDAMENTAIS DETRANSFERÊNCIADECALOR B CONVECÇÃO Este mecanismo não envolve transferência microscópica de calor por átomos ou moléculas Convecção é o fluxo de calor devido a um movimento macroscópico carregandopartesdasubstânciadeumaregião quenteparaumaregiãofria Suponhaque tenhamosumaregião dear que se aquece Àmedidaque o ar se aquece as moléculas de ar se espalham fazendo com que esta região se torne menos densa que o ambiente emtorno o ar não aquecido Sendo menosdenso ele se elevará este movimento de ar quente para uma região mais fria é chamada de transferência de calorporconvecção OPERAÇÕES UNITARIAS II MECANISMOSFUNDAMENTAIS DETRANSFERÊNCIADECALOR B CONVECÇÃO Umbomexemplodeconvecçãoéoaquecimentodeumapaneladeágua OPERAÇÕES UNITARIAS II MECANISMOSFUNDAMENTAIS DETRANSFERÊNCIADECALOR C RADIAÇÃO É um processo pelo qual o calor é transmitido de um corpo a alta temperatura para um corpo a baixa temperatura mesmo quando tais corpos estão separados no espaço vácuo O termo radiação geralmente é aplicado a todas as espécies de fenômenos com ondas eletromagnéticas mas na TC são de interesse apenas os efeitos decorrentesdadiferençadetemperaturaenergia radiante A transferência de calor por radiação consiste no transporte de energia por radiação térmica Uma das características é que além de não necessitar de um meio material para a transferência de calor o transporte de energia térmica tem eficiência máximaatravésdovácuoabsoluto OPERAÇÕES UNITARIAS II MECANISMOSFUNDAMENTAIS DETRANSFERÊNCIADECALOR C RADIAÇÃO Qualquer superfície com temperatura acima de zero kelvin emite radiação térmica Definese como corpo negro uma superfície que absorve totalmente a radiação queincidesobreela Umradiador ideal corpo negro emite radiação térmica com uma densidade de fluxodadapelaleideStefanBoltzmannLeiFundamentaldaRadiação OPERAÇÕES UNITARIAS II MECANISMOSFUNDAMENTAIS DETRANSFERÊNCIADECALOR MECANISMOSCOMBINADOS Na maioria das situações práticas ocorrem ao mesmo tempo dois ou mais mecanismosdetransferênciadecaloratuandoaomesmotempo Nos problemas da engenharia quando um dos mecanismos domina quantitativamente soluções aproximadas podem ser obtidas desprezandose todos excetoomecanismodominante Entretanto deve ficar entendido que variações nas condições do problema podemfazercomqueummecanismo desprezadosetorne importante OPERAÇÕES UNITARIAS II MECANISMOSFUNDAMENTAIS DETRANSFERÊNCIADECALOR MECANISMOSCOMBINADOS Como exemplo de um sistema onde ocorrem ao mesmo tempo vários mecanismodetransferênciadecalorconsideremos umagarrafatérmica Neste caso podemos ter a atuação conjunta dos seguintes mecanismos esquematizadosnafigura OPERAÇÕES UNITARIAS II MECANISMOSFUNDAMENTAIS DETRANSFERÊNCIADECALOR MECANISMOSCOMBINADOS q1 convecção natural entre ocafé eaparede do frasco plástico q2 conduçãoatravés daparede dofrascoplástico q3 convecçãonatural dofrascoparaoar q4 convecçãonatural doarpara acapaplástica q5 radiação entre assuperfícies externa dofrascoeinterna dacapaplástica q6 condução atravésdacapaplástica q7 convecçãonatural dacapaplásticapara oarambiente q8 radiação entre asuperfície externa dacapaeasvizinhanças OPERAÇÕES UNITARIAS II MECANISMOSFUNDAMENTAIS DETRANSFERÊNCIADECALOR MECANISMOSCOMBINADOS Melhoriasestãoassociadascom usodesuperfícies aluminizadasbaixa emissividadeparaofrasco eacapademodo areduziraradiação evacuaçãodoespaçocomarparareduziraconvecçãonatural OPERAÇÕES UNITARIAS II MECANISMOSFUNDAMENTAIS DETRANSFERÊNCIADECALOR MECANISMOSCOMBINADOS Emrelaçãoaocalortransferidoasseguintesunidadessãousualmenteusadas qfluxodecalortransferidopotênciaWBtuhKcalh Qquantidadedecalortransferidoenergia JBtuKcal OPERAÇÕES UNITARIAS II