(Parte 7 de 25)

Þ

Exercício 3.10. Uma camada de material refratário ( k=1,5 kcal/h.m.oC ) de 50 mm de espessura está localizada entre duas chapas de aço ( k = 45 kcal/h.moC ) de 6,3 mm de espessura. As faces da camada refratária adjacentes às placas são rugosas de modo que apenas 30 % da área total está em contato com o aço. Os espaços vazios são ocupados por ar ( k=0,013 kcal/h.m.oC ) e a espessura média da rugosidade de 0,8 mm. Considerando que as temperaturas das superfícies externas da placa de aço são 430 oC e 90 oC, respectivamente; calcule o fluxo de calor que se estabelece na parede composta.

OBS : Na rugosidade, o ar está parado (considerar apenas a condução)

O circuito equivalente para a parede composta é :

Cálculo das resistências térmicas ( para uma área unitária ) :

A resistência equivalente à parede rugosa ( refratário em paralelo com o ar ) é :

A resistência total, agora, é obtida por meio de uma associação em série :

Um fluxo de calor é sempre o (DT)total sobre a Rt , então :

Þ

EXERCÍCIOS PROPOSTOS :

Exercício 3.11. Um tubo condutor de vapor de diâmetro interno 160 mm e externo 170 mm é coberto com duas camadas de isolante térmico. A espessura da primeira camada é 30 mm e a da segunda camada é 50 mm. As condutividades térmicas R1, R2, R3 do tubo e das camadas isolantes são 50, 0,15 e 0,08 kcal/h.m.oC, respectivamente. A temperatura da superfície interna do tubo de vapor é 300 oC e a da superfície externa do segundo isolante é 50 oC. Calcular :

a) O fluxo de calor por unidade de comprimento do tubo.

b) A temperatura nas interfaces das camadas.

Exercício 3.12. Um reservatório esférico destinado a encerrar oxigênio líquido, tem raio interno igual a 1,5 m e é feito de vidro com espessura igual a 0,03 m ( k = 0,6 kcal/h.m.oC ). O reservatório é revestido externamente por uma camada de lã de vidro de espessura igual a 0,35 m ( k = 0,03 kcal/h.m.oC ). A temperatura na face interna do vidro é -180 oC e na face externa do isolamento é 10oC. Calcular :

a) fluxo de calor através da parede

b) temperatura na interface vidro/isolante

Exercício 3.13. Em uma indústria farmacêutica, pretende-se dimensionar uma estufa. Ela terá a forma cúbica de 1 m de lado e será construída de aço (k = 40 kcal/h.moC), com 10 mm de espessura, isolada com lã de vidro (k= 0,08 kcal/h.moC) e revestida com plástico (k= 0,2 kcal/h.moC) de 10 mm de espessura. O calor será inteiramente gerado por resistências elétricas de 100 W, pelas quais passará uma corrente de 10 A . Não pode ser permitida uma perda de calor superior a 10 % do calor gerado. Sabendo-se que as temperatura nas faces das paredes, interna e externa, são respectivamente 300 oC e 20 oC, pede-se :

a) a resistência térmica exigida;

b) a espessura da lã de vidro.

Exercício 3.14. Um forno de formato cúbico, com altura de 5 ft, está isolado com 4" de um material isolante ( k=1 Btu/h.ftoF ). Nele são inseridas 1500 Ib/h de uma liga metálica, que se funde a 1100 oF, com calor latente de fusão da liga de 300 Btu/Ib. O forno se encontra em um ambiente onde a temperatura é 75 oF e o coeficiente de película é 2 Btu/h.ft.oF. Desprezando-se a resistência térmica do forno e admitindo-se que a liga já entre a 1100 oF, pede-se :

a) o fluxo de calor pelas 6 faces do forno

b) quantos HP são necessários para fundir a liga e compensar as perdas ?

Exercício 3.15. Um forno de 6 m de comprimento, 5m de largura e 3 m de altura tem sua parede constituída de 3 camadas. A camada interna de 0,4 m é de tijolos refratários ( k=1,0 kcal/h.m.oC ). A camada intermediária de 0,30 m tem a metade inferior de tijolos especiais ( k=0,20 kcal/h.moC ) e a metade superior de tijolos comuns ( k=0,40 kcal/h.m.oC). A camada externa de 0,05m é de aço ( k=30 kcal/hm C). Sabendo-se que a superfície interna está a 1700 oC e a superfície externa está a 60 oC . Pede-se :

a) o fluxo de calor pela parede

b) considerando que após, alguns anos o fluxo de calor aumentou 10 % devido ao desgaste da camada de refratários. Calcular este desgaste supondo que o mesmo foi uniforme em todo o forno.

Exercício 3.16. Duas substancias são misturadas, reagindo entre si e liberando calor dentro de um tubo de diâmetro interno 7,62 cm e espessura igual a 0,5 cm (k= 32 kcal/h.m.oC). O comprimento do tubo é 10 m. Todo o calor gerado na reação é cedido ao ambiente, de modo que a temperatura da mistura, 180 oC, permanece constante. Por motivo de segurança, será necessário isolar a tubulação, de modo que a temperatura na face externa do isolante ( k = 0,06 kcal/h.moC ) não ultrapasse 50 oC. O ar externo está a 25 oC, com coeficiente de película 12 kcal/h.m2.oC. O coeficiente de película da mistura é 90 kcal/h.m2.oC. Pede-se a espessura mínima necessária do isolante, para atender a condição desejada.

Exercício 3.17. A parede de um forno é constituída de uma camada de 30 cm de um refratário cuja condutividade térmica é uma função da temperatura ( k = 0,15 + 0,0001T ) . A temperatura na face interna do refratário é 1050 oC e na face externa é 250 oC. Calcular o fluxo de calor através da parede.

4. FUNDAMENTOS DA CONVECÇÃO

4.1. LEI BÁSICA PARA CONVECÇÃO

O calor transferido por convecção, na unidade de tempo, entre uma superfície e um fluido, pode ser calculado através da relação proposta por Isaac Newton :

( eq. 4.1 )

onde, = fluxo de calor transferido por convecção ( kcal/h);

= área de transferência de calor (m2);

DT = diferença de temperatura entre a superfície (Ts) e a do fluido em um local bastante

afastado da superfície (TT) (oC). A figura 4.1 ilustra o perfil de temperatura e ¦T para o caso

de um fluido escoando sobre uma superfície aquecida;

h = coeficiente de transferência de calor por convecção ou coeficiente de película.

[ figura 4.1 ]

A simplicidade da equação de Newton é ilusória, pois ela não explícita as dificuldades envolvidas no estudo da convecção, servindo apenas como uma definição do coeficiente de película (h). O coeficiente de película é, na realidade, uma função complexa do escoamento do fluido, das propriedades físicas do meio fluido e da geometria do sistema. Seu valor numérico não é, em geral, uniforme sobre a superfície. Por isto utiliza-se um valor médio para a superfície. A partir da equação 4.1 , podem ser obtidas as unidades do coeficiente de película. No sistema prático métrico, temos :

(eq. 4.2)

Analogamente, nos sistemas Inglês e Internacional, temos :

A tabela 4.1 mostra, para diversos meios, ordens de grandeza do coeficiente de película em unidade do sistema prático métrico :

Tabela 4.1 - Ordens de grandeza do coeficiente de película ( h )

Meio

kcal/h.m2.oC

Ar, convecção natural

5-25

Vapor, convecção forçada

25-250

Óleo, convecção forçada

50-1500

Água, convecção forçada

250-10000

Água convecção em ebulição

2500-50000

Vapor, em condensação

5000-100000

4.2. CAMADA LIMITE

Quando um fluido escoa ao longo de uma superfície, seja o escoamento em regime laminar ou turbulento, as partículas na vizinhança da superfície são desaceleradas em virtude das forças viscosas. A porção de fluido contida na região de variação substancial de velocidade, ilustrada na figura 4.2, é denominada de camada limite hidrodinâmica.

[ figura 4.2 ]

Consideremos agora o escoamento de um fluido ao longo de uma superfície quando existe uma diferença de temperatura entre o fluido e a superfície. Neste caso, O fluido contido na região de variação substancial de temperatura é chamado de camada limite térmica. Por exemplo, analisemos a transferência de calor para o caso de um fluido escoando sobre uma superfície aquecida, como mostra a figura 4.3. Para que ocorra a transferência de calor por convecção através do fluido é necessário um gradiente de temperatura ( camada limite térmica ) em uma região de baixa velocidade ( camada limite hidrodinâmica ).

[ figura 4.3 ]

O mecanismo da convecção pode então ser entendido como a ação combinada de condução de calor na região de baixa velocidade onde existe um gradiente de temperatura e movimento de mistura na região de alta velocidade. Portanto :

¨ região de baixa velocidade è a condução é mais importante

¨ região de alta velocidade è a mistura entre o fluido mais quente e o mais frio contribui substancialmente para a transferência de calor

Na camada limite térmica tem-se portanto elevados gradientes de temperatura e pode-se dizer que o estudo do fenômeno da convecção se reduz ao estudo da condução através da mesma. Portanto, considerando a camada limite térmica como uma "parede" hipotética de espessura dt e condutividade térmica kt, temos :

( eq. 4.3 )

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