DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO

Disciplina: Transferência de Calor e Massa

Código: 30-281

Carga Horária: 80h (Teórica: 60h) (Prática: 20h)

Créditos: 04

Pré-Requisitos: 10-153, 30-272

EMENTA

Modos de transferência de calor: condução, convecção e radiação. Regime permanente e transiente. Trocadores de calor.

OBJETIVOS

A disciplina visa desenvolver habilidades para compreensão, interpretação, operação e aplicação dos conceitos e modelos nos quais a energia e a massa podem ser transferidas, capacitando o acadêmico para a análise de sistemas de transferência de calor (difusivo – convectivo - radiativo), a fim de desenvolver as competências fundamentais para avaliação e o dimensionamento de problemas de engenharia térmica aplicada. Buscando-se atender estas competências alguns objetivos específicos são delineados:

- Compreender as origens físicas dos vários mecanismos de transporte de energia e massa;

- Ser capaz de modelar e avaliar processos que utilizam a transferência de calor e massa;

- Verificar e validar modelos através de aplicação prática;

- Realizar dimensionamentos de sistemas simples envolvendo transferência de calor e massa;

- Aplicar as modelagens e conceitos trabalhados em problemas reais de engenharia térmica, a serem trabalhados nas disciplinas profissionalizantes relacionadas à área de fenômenos de transporte, como refrigeração industrial, ventilação e ar condicionado, instalações industriais e caldeiras e vasos de pressão;

- Aprender de forma autônoma e lidar com situações e contextos complexos.

CONTEÚDOS CURRICULARES

UNIDADE DE ENSINO 01 – CONCEITOS FUNDAMENTAIS

Apresentar os conceitos fundamentais de transferência de calor e massa fazendo uma introdução da disciplina às origens físicas relacionadas as taxas de transferência de calor (condução, convecção e radiação) e massa (difusão e convecção), a fim de que o acadêmico desenvolva as competências para compreender e avaliar preliminarmente sistemas térmicos por meio de balanços de massa e energia.

Atividade prática 01: Realização de exercícios de fixação dos conteúdos trabalhados.

TDE 01 – Solução de um problema real envolvendo transferência de calor por condução, convecção e radiação térmica. O objetivo será, a partir dos conceitos fundamentais, elencar um problema térmico e fazer as simplificações necessárias para sua solução por balanço de massa e de energia, visando a aplicação das modelagens trabalhadas.

UNIDADE DE ENSINO 02 – CONDUÇÃO UNIDIMENSIONAL EM REGIME ESTACIONÁRIO

Trabalhar as modelagens fundamentais de transferência de calor (Fourier) e massa (Fick) por condução para os regimes estacionário sobre sistemas simples em coordenadas retangulares e cilíndricas (parede plana e composta), envolvendo balanços de energia e resistências térmicas equivalentes, além de avaliar sistemas de isolamento térmico e dissipação de energia em sistemas aletados, a fim de que o acadêmico desenvolva as competências para avaliar sistemas envolvendo transferência de calor e massa por meio de resistências térmicas equivalentes, bem como os sistemas de isolamento de dissipação de calor.

Atividade prática 02: Realização de exercícios de fixação dos conteúdos trabalhados.

TDE 02 – Solução de um problema real envolvendo transferência de calor por condução em regime estacionário. O objetivo será, a partir das modelagens trabalhadas, elencar um problema térmico e fazer as simplificações necessárias para sua solução, visando a aplicação das modelagens trabalhadas e o desenvolvimento de competências para análise e avaliação de sistemas de transferência de calor/massa.

UNIDADE DE ENSINO 03 – CONDUÇÃO BIDIMENSIONAL EM REGIME ESTACIONÁRIO

Apresentar e aplicar as soluções analíticas e por diferenças finitas da equação da difusão do calor bidimensional para o regime estacionário sobre um sistema simples em coordenadas retangulares, visando desenvolver competências para aplicação de soluções analíticas complexas e sua solução por meio de métodos numéricos.

TDE 03 – Solução de um problema bidimensional estacionário envolvendo transferência de calor por condução aplicando o método analítico e o método das diferenças finitas. O objetivo será o de avaliar um problema 2D e apresentar os resultados em formato de um artigo científico ou relatório técnico, visando trabalhar, além das competências acima listadas, também as competências para comunicação técnica.

UNIDADE DE ENSINO 04 – CONDUÇÃO EM REGIME TRANSIENTE

Apresentar e aplicar as soluções analíticas e por diferenças finitas da equação da difusão do calor unidimensional para o regime transiente sobre um sistema simples. São trabalhadas as soluções da equação da difusão de calor transiente 1D sem fonte de energia por métodos analíticos e por diferenças finitas, visando desenvolver competências para aplicação de soluções analíticas complexas e sua solução por meio de métodos numéricos.

Atividade prática 03: Realização de exercícios de fixação dos conteúdos trabalhados.

UNIDADE DE ENSINO 05 – INTRODUÇÃO À CONVECÇÃO

Apresentar ao aluno os conceitos relacionados à convecção de calor e de massa sobre superfícies partindo-se da avaliação por similaridade das camadas limites tanto para o regime laminar como o turbulento, envolvendo os principais parâmetros adimensionais e sua importância para os problemas convectivos dominantes, visando desenvolver competências para interpretação e simplificação de problemas envolvendo transferência de calor por convecção.

Atividade prática 04: Realização de exercícios de fixação dos conteúdos trabalhados.

UNIDADE DE ENSINO 06 – CONVECÇÃO DE CALOR E MASSA EM ESCOAMENTOS INTERNOS E EXTERNOS

Avaliar problemas de transferência de calor e de massa para escoamentos internos e externos a superfícies, considerando-se os sistemas envolvendo a parede plana, o cilindro e o banco de tubos. Trabalhar as principais correlações aplicáveis a estes problemas através da análise de problemas reais de transferência de calor e massa, visando a aplicação das modelagens trabalhadas e o desenvolvimento de competências para análise e avaliação de sistemas de convecção de calor e massa em escoamentos internos e externos.

Atividade prática 05: Realização de exercícios de fixação dos conteúdos trabalhados.

TDE 03 – Solução de um problema real envolvendo convecção de calor utilizando-se o software de análise integral, como o IHT – Iteractive Heat Transfer, por exemplo. O objetivo será, a partir das modelagens trabalhadas, avaliar a transferência de calor por convecção em um problema de engenharia real, visando desenvolver competências para implementações simples de modelos matemáticos em softwares específicos de engenharia.

UNIDADE DE ENSINO 07 – CONVECÇÃO NATURAL

Avaliar problemas de transferência de calor para escoamentos em convecção natural ou livre, considerando-se os sistemas envolvendo a parede plana e o cilindro. Trabalhar as principais correlações aplicáveis a estes problemas através da análise de problemas reais de transferência de calor, visando a aplicação das modelagens trabalhadas e o desenvolvimento de competências para análise e avaliação de sistemas de convecção de calor e massa em escoamentos em convecção natural.

Atividade prática 06: Realização de exercícios de fixação dos conteúdos trabalhados.

UNIDADE DE ENSINO 08 – RADIAÇÃO TÉRMICA

Apresentar ao aluno os conceitos relacionados à radiação térmica envolvendo os conceitos fundamentais relacionados à intensidade de radiação e sua relação com à emissão, à irradiação e à radiosidade, bem como seus modelos fundamentais. Resolver problemas de radiação em superfícies ideais (negras) e reais (abordando a absorção, reflexão e transmissão do calor), visando a aplicação das modelagens trabalhadas e o desenvolvimento de competências para análise e avaliação de sistemas de transferência de calor por radiação térmica.

Atividade prática 07: Realização de exercícios de fixação dos conteúdos trabalhados.

UNIDADE DE ENSINO 09 – INTRODUÇÃO AOS MÉTODOS DE AVALIAÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE TROCADORES DE CALOR

Apresentar ao aluno os principais tipos de trocadores de calor aplicados em processos térmicos e fazer uma introdução aos métodos de avaliação e dimensionamento de trocadores de calor MLDT e ?-NUT, visando desenvolver competências para análises e dimensionamentos preliminares de trocadores de calor.

TDE 04 – Solução de um problema real envolvendo um trocador de calor. O objetivo será, a partir das modelagens trabalhadas, avaliar ou dimensionar um trocador de calor para um processo térmico real, visando a capacitação para avaliação e dimensionamento de trocadores de calor.

METODOLOGIA

Visando desenvolver as competências apresentadas, as aulas são desenvolvidas de forma variada e tem como metodologias: a tradicional (expositivo-dialogadas com estudos dirigidos), a ativa e a sócio-interacionista. No intuito de desenvolver as competências inerentes à disciplina, podem ser utilizados recursos de multimídia como projetores de imagem e vídeo, materiais concretos e softwares matemáticos, e a contextualização ocorre através da resolução de problemas reais. Os alunos desenvolverão Trabalhos Discente Efetivos – TDEs no total de 20h, envolvendo resolução de exercícios e problemas reais com e sem auxílio de softwares específicos com a aplicação dos conceitos trabalhados na área da engenharia térmica.

AVALIAÇÃO

A avaliação da disciplina propõe verificar se as competências pretendidas neste plano de ensino foram adquiridas pelo acadêmico, por meio dos seguintes instrumentos de avaliação: provas escritas e Trabalhos Discentes Efetivos, estes últimos valendo 20% da média parcial.

As avaliações serão realizadas ao longo do semestre e distribuídas uniformemente de acordo com o plano de ensino. Numa aula que antecede uma avaliação serão dadas orientações a respeito da sistemática a ser adotada e os conteúdos exigidos, bem como os critérios específicos da avaliação. No instrumento de avaliação haverá de forma explícita e por escrito quanto valerá cada questão.

BIBLIOGRAFIA BÁSICA

INCROPERA, F. P. et al. Fundamentos de transferência de calor e de massa. 6ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008.

BEJAN, A.; ZERBINI, E. J. Transferência de Calor. São Paulo: Edgard Blücher, 2004.

MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N.; MUNSON, B. R.; DEWITT, D. P.; SILVA, C. A. B. Introdução a engenharia de sistemas térmicos: termodinâmica, mecânica dos fluídos e transferência de calor. Rio de Janeiro: LTC, 2005.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR

SHIMIDT, F. W.; HENDERSON, R. E.; WOLGEMUTH, C. H.; MOREIRA, J. R. S. Introdução as ciências térmicas: termodinâmica dos fluídos e transferência de calor. São Paulo: Edgard Blücher, 1996.

HOLMAN, J.P. Heart Transfer. 9.ed Boston: MC Graw-Hill, 2002.

MALISKA, C. R.. Transferência de calor e mecânica dos fluidos computacional. 2.ed. São Paulo: LTC, 2004.

COSTA, E. C.. Ventilação. Edgard Blücher, 2005.

COSTA, E. C. Refrigeração. 3.ed. São Paulo: Edgard Blücher, 1994.