Análise Térmica

Definição Geral

A análise térmica é definida como “o estudo da relação entre uma propriedade da amostra e sua temperatura, enquanto a amostra é aquecida ou resfriada de maneira controlada”. Definição aprovada em 2006 pelo International Confederation for Thermal Analysis and Calorimetry (ICTAC). Lidamos rotineiramente com estudos térmicos com aplicação para resolver problemas de engenharia na ATS.

Alguns problemas térmicos comuns são: resfriamento de um chip de computador, resfriamento ou aquecimento de cargas térmicas, massa de material, de um forno, transferência de calor por radiação e convecção em uma caldeira, fornalha ou em um forno. São também avaliadas as condições de conforto térmico de ambientes industriais, de escritórios ou de aeronaves.

Em altas temperaturas, acima de 300 ˚C, a radiação começa a predominar em relação aos efeitos da convecção na transferência de calor. Ferramentas como o CFD podem ser usadas para calcular os fatores de forma de radiação infravermelha entre superfícies complexas. Isso é uma vantagem, pois as tabelas disponíveis na literatura não representam com a mesma exatidão as superfícies reais presentes na indústria. Mesmo quando a convecção natural é predomina, a radiação também é importante, podendo significar 50% da transferência de calor total de um corpo.

Como é realizada a Análise Térmica?

A análise térmica de condução é efetuada com a aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica a sólidos, líquidos ou gases, sendo mais predominante em sólidos. Se houver um escoamento sobre uma das superfícies do sólido, pode haver transferência de calor por convecção para aquecer ou resfriar o sólido com uma distribuição de temperatura. O acoplamento da transferência de calor por condução e convecção é chamado de transferência de calor conjugada. Além da convecção, pode haver trocas radiativas na faixa do infravermelho entre as superfícies, podendo resfriar ou aquecer as superfícies expostas.

Os trocadores de calor são uma aplicação especial da transferência de calor conjugada, onde convecção e condução são importantes para sua efetividade. Um tipo de trocador de calor são as aletas, que são superfícies estendidas para melhorar a troca de calor do corpo com um fluido através da convecção natural ou forçada. Outros tipos de trocadores são casco-tubo, tubos aletados, de placas, tubo-placa por exemplo. Os trocadores podem ser concorrentes ou contracorrentes.

Conforto Térmico

A análise para avaliar o conforto térmico é um serviço com uma demanda crescente nas últimas três décadas. Há o conforto global, que diz se a pessoa está com o balanço térmico numa faixa de satisfação e o conforto local, que diz se alguma parte do corpo da pessoa está exposta a uma influência de fonte de calor quente ou fria. Uma análise de conforto térmico pode ser realizada para veículos de transporte, automóveis, aeronaves, navios e trens, ou para edificações industriais e urbanas.

O projeto de isolamento térmico tem que considerar as propriedades do material do corpo ou duto e do material do isolamento. Ele geralmente é usado para evitar o decaimento ou a subida de temperatura do escoamento interno ou para proteger o material de danos estruturais, como no caso de incêndios em edificações. Há uma espessura ideal de isolamento, na qual a transferência de calor para o ambiente é reduzida.

Apesar das baixas velocidades, sistemas de ventilação enfrentam desafios como perda de carga, mas principalmente a distribuição de vazão. Por exemplo, um ar-condicionado bem balanceado vai resfriar a carga térmica ou o ambiente de forma mais uniforme.

Aplicação de CFD

A análise térmica pode ser feita analiticamente por meio de ferramentas desenvolvidas especificamente para a solução do problema em Excel ou Python. Quando a geometria tem uma forma tridimensional complexa, a análise térmica é feita utilizando o software de CFD, que calcula com precisão a transferência de calor conjugada e a radiação infravermelha, estimando todos os fatores de forma radiativos entre superfícies. Os modelos analíticos servem para fazer uma verificação de sanidade dos resultados do CFD++.

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