Notas de Aulas Fenomenos de Transporte FEM.UNICAMP EM-524, ES-406, ES-506

Notas de Aulas Fenomenos de Transporte FEM.UNICAMP EM-524, ES-406, ES-506

ES-506 Fenômenos de Transporte, 2001.S1

Prof.Dr. Sérgio Bordalo, DEP-FEM-UNICAMP

LISTA 2

1. Um bloco de cobre, 30 x 30 x 5 cm, inicialmente a Ti = 260 oC, é imerso em um meio fluido a Tf = 35 oC. O coeficiente de convecção vale hc = 25 W/m2.oC. As propriedades do cobre são:  = 8.900 kg/m3, c = 380 J/kg.oC e k = 370 W/m.oC. Quanto tempo é necessário para que a temperatura do bloco caia para 100 oC ?

2. Uma esfera de 5,5 kg de alumínio ( = 2.700 kg/m3, c = 850 J/kg.oC e k = 230 W/m.oC), inicialmente a Ti = 290 oC, é imersa em meio um fluido a Tf = 15 oC. O coeficiente de convecção vale hc = 120 W/m2.oC. Quanto tempo é necessário para que a temperatura da esfera caia para 90 oC ?

3. Duas peças de mesma massa, 1 kg, sendo uma de cobre e outra de alumínio, inicialmente a 450 oC e 50 oC, respectivamente, são colocadas em contacto, trocando calor apenas entre si, segundo uma condutância (UA) de 200 W/oC. Calcule a temperatura de equilíbrio, e quanto tempo leva para que a diferença de temperatura caia para 10 oC ?

4. Um pequeno refrigerador portátil, para transporte de amostras biológicas, vacinas etc., contém uma unidade de refrigeração controlada por sensores térmicos, que ligam e desligam o sistema quando a temperatura interna atinge valores acima de TH e abaixo de TL, respectivamente. Calcule os períodos toff e ton em que o sistema permanece desligado e ligado, respectivamente, durante um funcionamento cíclico estável.

Dados: volume interno, V = 0,125 m3, densidade e calor específico do ar interno,  = 1,2 kg/m3 e c = 1.000 J/kg.oC, área total e coeficiente global de transmissão de calor com o ar externo, A = 1,5 m2 e U = 0,008 W/m2.oC, tempertura externa, Te = 25 oC, potência de refrigeração  = 1,5 W, temperaturas internas máxima e mínima permitidas, TH = 10 oC e TL = 5 oC.

5. Um termômetro de mercúrio, marcando inicialmente Ti = 25 oC, é colocado numa sala onde a temperatura do ar está a Ta = 15 oC. Quanto tempo irá decorrer até que o termômetro indique T = 16 oC ?

Dados: densidade e calor específico do mercúrio,  = 13.600 kg/m3 e c = 140 J/kg.oC, raio do bulbo (esférico) do termômetro, R = 2 mm, coeficiente de convecção entre o bulbo e o ar hc = 120 W/m2.oC.

6. Um sanduíche de queijo, de 10 cm x 10 cm de superfície, é colocado entre duas chapas quentes, a Tq = 120 oC. Estime quanto tempo leva para o queijo, inicialmente a Ti = 20 oC, começar a derreter.

Dados: densidade e calor específico do queijo,  = 1.200 kg/m3 e c = 2.000 J/kg.oC, temperatura de fusão T* = 60 oC, espessura da fatia de queijo,  = 3 mm, condutividade do pão, k = 2,5 W/m.oC, espessura das fatias de pão,  = 1,5 cm.

Nota - despreze a capacitância do pão, considerando-o apenas como uma resistência passiva; despreze a resistência do queijo, considerando-o apenas como uma capacitância.

7. Um ambiente isolado na base e no topo, delimitado por 4 paredes de 10 m de largura por 3 m de altura, está envolvido por uma atmosfera cuja temperatura média é de 20 oC, variando senoidalmente com uma amplitude de 5 oC num ciclo de 24 hs. O coeficiente global de transmissão de calor do ar interno com o ar externo vale U = 5 W/m2.oC. Determine, para o ar interno ( = 1,2 kg/m3 e c = 1.000 J/kg.oC), a média, a amplitude e a frequência do seu ciclo de temperatura, e a defasagem em relação ao ciclo do ar externo.

8. Deseja-se aquecer água líquida (c = 4.200 J/kg.oC) à vazão de 200 kg/h, de 35 oC para 95 oC, utilizando-se um fluxo de óleo (c = 2.100 J/kg.oC) disponível a 175 oC, à vazão de 400 kg/h. Determine a temperatura de saída do óleo.

9. Deseja-se resfriar 100 kg/h de óleo de 95 oC para 35 oC, usando-se água líquida à vazão de 400 kg/h, disponível a 20 oC. Determine o comprimento do trocador de calor tubular mostrado na figura, sendo o coeficiente global de transmissão de calor entre as duas correntes U = 500 W/m2.oC. O óleo flui por dois tubos de diâmetro d = 10 cm, enquanto a água flui pelo casco.

10. Um trocador de calor tubular simples (um casco - um tubo, correntes paralelas de mesmo sentido), com área total e coeficiente global de transmissão de calor entre as correntes A = 5 m2 e U = 300 W/m2.oC, deverá ser usado para aquecer água inicialmente a 20 oC, usando-se os gases quentes (c = 1.300 J/kg.oC) da exaustão de um combustor, disponíveis a 250 oC, à vazão de 0,45 kg/s. Exige-se que a temperatura da água jamais poderá ultrapassar 90 oC. Nesse caso, calcule a vazão de água. Os gases fluem no tubo e a água no casco.

11. Um condensador de vapor d'água (tubular simples) deve condensar 0,5 kg/min de vapor, à pressão de 100 kPa (veja as tabelas termodinâmicas para determinar as entalpias). Dispõe-se de água líquida a 10 oC, que não deve ser aquecida acima de 50 oC. O coeficiente global de transmissão de calor entre as correntes vale U = 3.400 W/m2.oC. Calcule a área total de transmissão de calor e a vazão de água necessária. O vapor flue no tubo e a água no casco.

12. Óleo sai de um poço submarino à Ti = 60 oC, percorrendo um longo duto sob o mar, cuja água está à Tw = 5 oC. Admitindo que a precipitação de parafinas no óleo pode ocorrer a temperaturas abaixo de Tpp = 20 oC, determine a partir de que distância xp a partir da cabeça do poço este fenômeno poderá ocorrer.

Dados: óleo ‑ vazão = 50 L/min, densidade e calor específico  = 900 kg/m3 e c = 3.000 J/kg.oC; duto ‑ diâmetro D = 20 cm, coeficiente global de transmissão de calor U = 400 W/m2.oC.

13. Um aquecedor nuclear compacto, possui uma barra de material radioativo gerando calor com uma potência volumétrica de = 1.500 W/m3, encamisada por um cilindro protetor, ao longo do qual flui água na fase líquida a alta pressão (para evitar evaporação). (a) Calcule a temperatura de saída da água; (b) encontre expressões analíticas para (b.1) a temperatura da água, (b.2) a temperatura externa do cilindro, (b.3) a temperatura interna do cilindro, ao longo do aquecedor, como funções de "x" ­ Tw(x), Tse(x) e Tsi(x).

Dados: barra ‑ comprimento L = 100 cm, diâmetro D = 2 cm; camisa ‑ raios interno e externo ri = 1 cm e re = 1,5 cm, condutividade k = 10 W/cm.oC; água ‑ vazão = 1,5 kg/s, calor específico c = 4.000 J/kg.oC, temperatura de entrada Tw(0) = 20 oC, coeficiente de convecção forçada entre a água e a camisa hc = 4 W/cm2.oC.

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