O que é o coeficiente geral de transferência de calor – fator U – definição

Em sistemas compostos, geralmente é conveniente trabalhar com um coeficiente geral de transferência de calor, conhecido como fator U. O fator U é definido por uma expressão análoga à lei de resfriamento de Newton

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 :

fator u - coeficiente geral de transferência de calor

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

Fator U - Coeficiente geral de transferência de calor

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.

Coeficiente geral de transferência de calor - Tubos cilíndricos

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:

condutividade térmica - definição

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.

condutividade térmica - materiais

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.

coeficiente de transferência de calor por convecção - equação

coeficiente de transferência de calor por convecção - exemplos

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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