Fundamentos da troca de calor
Imagine sair para correr em um dia quente. Durante a corrida, a temperatura corporal sobe. Uma das maneiras de se refrescar é ficar na frente de um ventilador. O processo de redução da temperatura corporal usando o fluxo de ar de um ventilador é chamado de resfriamento de ar.
Da mesma forma, a energia térmica é produzida durante a operação de todos os sistemas mecânicos e eletrônicos. O calor é geralmente considerado um produto residual e deve ser removido do sistema para garantir uma operação confiável. O processo de mover o calor de um ponto a outro é chamado de transferência de calor e o dispositivo usado para o processo de transferência de calor é chamado de trocador de calor .
Princípio de transferência de calor
A transferência de calor (ou fluxo de calor) sempre ocorre de um ponto de temperatura mais quente para um ponto de temperatura mais frio. Portanto, quando o calor deve ser removido de um sistema, ele deve ser transferido para uma região do espaço que seja mais fria do que o próprio sistema. Para muitos sistemas de engenharia, o ar local ao redor do sistema é a região mais conveniente para remover o calor, uma vez que o ar está presente em todos os lugares, é gratuito e, na maioria dos casos, mais frio do que o próprio sistema operacional (consulte a Figura 1). Há exceções em que o calor pode ser movido para um líquido resfriado ou mesmo para a terra, mas para esta lição não consideraremos essas situações.
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A quantidade de fluxo de calor de um sistema quente para o ar ambiente mais frio (ou ar ambiente) depende de três fatores:
- A diferença de temperatura entre o sistema e o ar ambiente
- A área do sistema exposta ao ar ambiente.
- Um parâmetro chamado coeficiente de transferência de calor, que depende principalmente da velocidade do fluxo do ar ambiente ao redor do sistema.
Isso é expresso na forma de equação como Q = hx A x DT , onde Q é a quantidade de calor transferido por unidade de tempo, h é o coeficiente de transferência de calor e A é a área do sistema exposta ao ar, e DT é o diferença de temperatura. Portanto, pode-se observar que a taxa de transferência de calor aumenta com o aumento da área exposta ao ar.
Trocadores de Calor
Um trocador de calor tem duas finalidades:
- Mova esse calor de dentro de um sistema para uma superfície que seja exposta ao ar ambiente. Este processo é denominado transferência de calor por condução .
- Mova o calor da superfície para o ar ambiente. Este processo é chamado de transferência de calor por convecção e é aqui que o aumento da área de superfície é importante.
A figura abaixo mostra um esquema e um exemplo de um trocador de calor simples (geralmente chamado de dissipador de calor) usado para resfriar chips eletrônicos. O conjunto de estruturas em formato de pino pequeno na figura é chamado de aletas e serve para aumentar a área de superfície do trocador de calor. Em muitas situações, um ventilador pode ser usado para soprar ar sobre o dissipador de calor para aumentar a taxa na qual o calor é removido do sistema. Aumentar o fluxo de ar aumenta o coeficiente de transferência de calor, h, e, portanto, aumenta a taxa de transferência de calor.
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Projeto do trocador de calor
Para projetar um trocador de calor, você precisa conhecer os seguintes parâmetros:
- Quanto calor por unidade de tempo você deseja remover de um sistema, ou seja, Q?
- Qual é a temperatura do sistema e ambiente? Isso permite calcular o DT, ou seja, a diferença de temperatura entre o sistema e o ambiente.
- Se o sistema pode usar um ventilador ou não. Dependendo se você pode usar um ventilador ou não, um valor do coeficiente de transferência de calor pode ser determinado.
Conhecer os três parâmetros acima permitirá que você calcule a área necessária para mover o calor necessário e, portanto, o tamanho e a forma do dissipador de calor.
Os trocadores de calor resfriados a ar são amplamente utilizados em sistemas HVAC, em resfriamento de eletrônicos, em motores e controladores industriais, aviônicos e várias outras aplicações comerciais.
Resumo da lição
Trocadores de calor são usados para remover o calor de um sistema, de modo que a temperatura do sistema possa ser mantida nos níveis permitidos. Existem duas etapas para trocadores de calor refrigerados a ar. O primeiro é levar o calor à superfície do sistema e o segundo transferi-lo para o ar circundante. O calor total que pode ser transferido de um sistema depende do coeficiente de transferência de calor, da diferença de temperatura entre o sistema e o ambiente, bem como a área do sistema exposta ao ambiente. Os trocadores de calor são amplamente usados em muitos sistemas mecânicos e eletrônicos.