Fator U – Coeficiente geral de transferência de calor
Muitos dos processos de transferência de calor encontrados na indústria envolvem sistemas compostos e até envolvem uma combinação de condução e convecção . Com estes sistemas compostos, muitas vezes é conveniente trabalhar com um coeficiente de transferência de calor, em geral, conhecida como um factor-L . O fator U é definido por uma expressão análoga à lei do resfriamento de Newton :
O coeficiente geral de transferência de calor está relacionado à resistência térmica total e depende da geometria do problema. Por exemplo, a transferência de calor em um gerador de vapor envolve a convecção do volume do líquido de arrefecimento do reator para a superfície do tubo interno do gerador de vapor, condução através da parede do tubo e convecção (ebulição) da superfície do tubo externo para o fluido lateral secundário.
Nos casos de transferência combinada de calor para um trocador de calor, existem dois valores para h. Existe o coeficiente de transferência de calor por convecção (h) para o filme fluido dentro dos tubos e um coeficiente de transferência de calor por convecção para o filme fluido fora dos tubos. A condutividade térmica (k) e a espessura (Δx) da parede do tubo também devem ser levadas em consideração.
Coeficiente geral de transferência de calor – Parede plana
Coeficiente geral de transferência de calor – Tubos cilíndricos
A transferência de calor constante através de invólucros cilíndricos ou esféricos de múltiplas camadas pode ser manuseada como paredes planas de múltiplas camadas.
Condutividade térmica
As características de transferência de calor de um material sólido são medidas por uma propriedade chamada condutividade térmica , k (ou λ), medida em W / mK . É uma medida da capacidade de uma substância de transferir calor através de um material por condução. Observe que a lei de Fourier se aplica a toda matéria, independentemente de seu estado (sólido, líquido ou gás); portanto, também é definida para líquidos e gases.
A condutividade térmica da maioria dos líquidos e sólidos varia com a temperatura. Para vapores, isso também depende da pressão. Em geral:
A maioria dos materiais é quase homogênea, portanto, geralmente podemos escrever k = k (T) . Definições semelhantes estão associadas a condutividades térmicas nas direções y e z (k y , k z ), mas para um material isotrópico a condutividade térmica é independente da direção da transferência, k x = k y = k z = k.
A partir da equação anterior, segue-se que o fluxo de calor de condução aumenta com o aumento da condutividade térmica e aumenta com o aumento da diferença de temperatura. Em geral, a condutividade térmica de um sólido é maior que a de um líquido, que é maior que a de um gás. Essa tendência se deve em grande parte às diferenças no espaçamento intermolecular para os dois estados da matéria. Em particular, o diamante tem a mais alta dureza e condutividade térmica de qualquer material a granel.
Coeficiente de transferência de calor por convecção
Como pode ser visto, a constante de proporcionalidade será crucial nos cálculos e é conhecida como coeficiente de transferência de calor por convecção , h . O coeficiente de transferência de calor por convecção, h, pode ser definido como:
A taxa de transferência de calor entre uma superfície sólida e um fluido por unidade de superfície e por diferença de temperatura da unidade.
O coeficiente de transferência de calor por convecção depende das propriedades físicas do fluido e da situação física. O coeficiente de transferência de calor por convecção não é uma propriedade do fluido. É um parâmetro determinado experimentalmente, cujo valor depende de todas as variáveis que influenciam a convecção, como a geometria da superfície , a natureza do movimento do fluido , as propriedades do fluido e a velocidade do fluido a granel .
Tipicamente, o coeficiente de transferência de calor por convecção para fluxo laminar é relativamente baixo comparado com o coeficiente de transferência de calor por convecção para fluxo turbulento . Isto é devido ao fluxo turbulento que possui uma camada de filme fluido estagnada mais fina na superfície de transferência de calor.
Deve-se notar que essa camada de filme fluido estagnado desempenha papel crucial para o coeficiente de transferência de calor por convecção. Observa-se que o fluido para completamente na superfície e assume velocidade zero em relação à superfície. Esse fenômeno é conhecido como condição antiderrapante e, portanto, na superfície, o fluxo de energia ocorre puramente por condução. Porém, nas próximas camadas, ocorrem movimentos de condução e difusão-massa no nível molecular ou no nível macroscópico. Devido ao movimento de massa, a taxa de transferência de energia é maior.
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