fenomenos de transporte
1. Um aquecedor elétrico possui a forma de um cilindro, com comprimento L=200 mm e diâmetro externo D=20 mm. Em condições normais de operação o aquecedor dissipa 2 kW, quando submerso em uma corrente de água a 20ºC onde o coeficiente de transferência de calor por convecção é de h = 5000W/m2K. Desprezando a transferência de calor a partir das extremidades do aquecedor, determine a sua temperatura superficial Tsup. Se o escoamento da água é inadvertidamente interrompido e o aquecedor permanece em operação, sua superfície passa a estar exposta ao ar, que também se encontra a 20ºC, mas para o qual h = 50W/m2K. Qual a temperatura superficial correspondente? Quais as consequências de tal evento?
2. A parede plana de um tanque para armazenagem de produtos químicos é constituída de uma camada interna à base de carbono (k = 10 Kcal/h.m.°C) de 40 mm de espessura, uma camada intermediária de refratário (k = 0,14 Kcal/h.m.°C) e um invólucro de aço (k =45 Kcal/h.m.°C) com 10 mm de espessura. Com a superfície interna da camada carbono a 190 oC e o ar ambiente a 30 °C, a temperatura da superfície externa do aço não deve ser maior que 60 oC por motivos de segurança do trabalhadores. Considerando que o coeficiente de película no ar externo é 12 Kcal/h.m2°C, determine:
a) a espessura mínima do refratário;
b) a temperatura da superfície externa do aço se a camada de refratário for trocada por uma de isolante (k = 0,03 Kcal/h.m.°C) de mesma espessura.
3. Um tubo de vapor, sem isolamento, passa por uma sala na qual o ar e as paredes estão a 25 ºC. O diâmetro externo do tubo é de 77 mm, a sua temperatura superficial é de 200ºC e a emissividade, 0,8. Se o coeficiente associado à transferência convectiva livre de calor da superfície para ar for de 15 W/m2K, qual será a taxa de perda de calor através da superfície do tubo por unidade de comprimento?
4. Um reator em uma indústria trabalha a 600 oC em um local onde a temperatura ambiente e da parede é 27 oC e o coeficiente de película externo é 40 Kcal/h.m2.oC. O reator foi construído de aço inox (E = 0,06) com 2 m de diâmetro e 3 m de altura. Tendo em vista o alto fluxo de calor, deseja-se aplicar uma camada de isolante (k= 0,05 kcal/h moC e E = 0,75) para reduzir a transferência de calor a 10 % da atual. Desconsiderando as resistências térmicas que não podem ser calculadas. Pede-se:
a) O fluxo de calor antes da aplicação do isolamento (considerar a área superior, inferior e lateral);
b) A parcela transferida por convecção após o isolamento, sabendo-se que a temperatura externa do isolamento deve ser 62 oC.
c) A espessura do isolante a ser usada nas novas condições.
Desprezando as resistências térmicas de convecção interna e condução na parede de aço do reator, a temperatura da superfície externa pode ser considerada a mesma do fluido.
5. No interior de uma estufa de alta temperatura os gases atingem 650 oC. A parede da estufa é de aço, tem 6 mm de espessura e fica em um espaço fechado em que há risco de incêndio, sendo necessário limitar a temperatura da superfície em 38 oC. Para minimizar os custos de isolação, dois materiais serão usados: primeiro um isolante de alta temperatura (mais caro), aplicado sobre o aço e, depois, magnésia (menos caro) externamente. A temperatura máxima suportada pela magnésia é 300 oC. Conhecendo os dados abaixo, pede-se:
a) Especifique a espessura (em cm) de cada material isolante.
b) Sabendo que o custo por cm de espessura colocado do isolante de alta temperatura é duas vezes que o da magnésia, calcule a elevação percentual de custo se fosse utilizado apenas o isolante de alta temperatura.
DADOS:
temperatura ambiente : 20 oC;
coeficiente de película interno : 490 Kcal/h.m2.oC;
coeficiente de película externo : 20 Kcal/h.m2.oC;
condutividade térmica do aço : 37,25 Kcal/h.m.oC;
condutividade térmica do isolante de alta temperatura : 0,0894 Kcal/h.m.oC;
condutividade térmica do isolante de magnésia : 0,0670 Kcal/h.m.oC.
6. A dissipação de calor em um transistor de formato cilíndrico pode ser melhorada inserindo um cilindro vazado de alumínio (k = 200 W/m.K) que serve de base para 12 aletas axiais. O transistor tem raio externo de 2 mm e altura de 6 mm, enquanto que as aletas tem altura de 10 mm e espessura de 0,7 mm. O cilindro base, cuja espessura é 1 mm, está perfeitamente ajustado ao transistor e tem resistência térmica desprezível. Sabendo que ar fluindo a 20 oC sobre as superfícies das aletas resulta em um coeficiente de película de 25 W/m2.K, calcule a taxa de transferência de calor dissipado quando a temperatura do transistor for 80 oC.
7. A parte aletada do motor de uma motocicleta é construída de uma liga de alumínio ( k=186 W/m.K ) e tem formato que pode ser aproximado como um cilindro de 15 cm de altura e 50 mm de diâmetro externo. Existem 5 aletas transversais circulares igualmente espaçadas com espessura de 6 mm e altura de 20 mm. Sob as condições normais de operação a temperatura da superfície externa do cilindro é 500 K e está exposta ao ambiente a 300 K, com coeficiente de película de 50 W/m2.K quando a moto está em movimento. Quando a moto está parada o coeficiente cai para 15 W/m2.K. Qual é a elevação percentual da transferência de calor quando a moto está em movimento. (OBS : desprezar as áreas laterais)
8. Determinar o aumento do calor dissipado por unidade de tempo que poderia ser obtido de uma placa plana usando-se por unidade de área 6400 aletas de alumínio (k = 178 Kcal/h.m.oC), tipo pino, de 5 mm de diâmetro e 30 mm de altura. Sabe-se que na base da placa a temperatura é 300 oC, enquanto que o ambiente está a 20 oC com coeficiente de película de 120 Kcal/h.m2.oC.
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