LISTA 2 FENÔMENOS DE TRANSPORTE

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” – UNESP 
Faculdade de Engenharia de Bauru – Departamento de Engenharia Mecânica 
Lista de Exercícios 2 – Fenômenos de Transporte – Prof. Dr. Délson Luiz Módolo 
 
01) O vidro traseiro de um automóvel é desembaçado 
pela passagem de ar quente sobre a sua superfície 
interna. 
Se o ar quente está a 40º C e o coeficiente de 
transferência de calor por convecção é de 
30W/(m2.K), quais as temperaturas das superfícies 
interna e externa do vidro, que tem 4mm de 
espessura, se a temperatura do ar ambiente externo 
for igual a -10º C e o coeficiente convectivo 
associado for 65W/(m2.K)? 
 
Resp.: 4,9º C 
02) A parede de um forno de secagem é construída com 
a colocação de um material isolante de condutividade 
térmica k=0,05 W/(m.K) entre folhas finas de metal. 
O ar no interior do forno está a 300º C e o 
coeficiente convectivo correspondente é 30 
W/(m2.K). A superfície interna da parede absorve 
um fluxo radiante de 100 W/m2 vindo de objetos 
quentes no interior do forno. A temperatura no 
ambiente externo do forno é 25º C e o coeficiente 
total para convecção e a radiação na superfície 
externa é 10 W/(m2.K). 
 
 
 
a) Desenhe o circuito térmico para a parede e 
identifique todas as temperaturas, taxas de 
transferência de calor e resistências 
térmicas. 
b) Qual espessura L do isolante é necessária 
para manter a superfície externa da parede a 
uma temperatura segura para o toque de 40º 
C? 
Resp.: 86 mm 
 
03) Uma casa possui uma parede composta com camadas 
de madeira, isolamento a base de fibra de vidro e 
placa de gesso, conforme indicado no desenho. Em 
um dia frio de inverno, os coeficientes de 
transferência de calor por convecção são de he=60 
W/m2.K e hi=30 W/m2.K. A área total da superfície 
da parede é de 350m2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
kgesso=0,17W/(m.K); kfibra vidro=0,038W/(m.K); kmadeira=0,12W/(m.K) 
 
a) Para as condições dadas, determine uma 
expressão simbólica para a resistência 
térmica total da parede, incluído os efeitos 
da convecção térmica nas superfícies interna 
e externa da parede. 
b) Determine a perda total de calor através da 
parede. 
c) Se o vento soprasse violentamente, 
aumentando o valor de he para 300 
W/m2.K, determine o aumento percentual 
na perda de calor. 
d) Qual é a resistência que controla o processo 
térmico, ao ser a mais importante na 
determinação da quantidade de calor que 
atravessa a parede? 
 
Resp: (b) 4,21 kW; (c) aprox. 0,5%; (d) fibra de vidro 
 
04) A seção de evaporação de uma unidade de 
refrigeração é formada por tubos de 10mm de 
diâmetro com paredes delgadas, através dos quais 
escoa a substância refrigerante a uma temperatura de 
-18º C. Ar é refrigerado à medida que passa sobre os 
tubos, mantendo um coeficiente convectivo na 
superfície de 100 W/(m2.K) Posteriormente o ar é 
direcionado para a câmara fria. 
a) Para as condições anteriores e a uma 
temperatura do ar de -3º C, qual é a taxa na 
qual o calor é retirado do ar, por unidade de 
comprimento dos tubos? 
b) Se a unidade de descongelamento do 
refrigerador apresentar defeito, lentamente 
haverá acúmulo de gelo sobre a superfície 
externa do tubo. Avalie o efeito da 
formação de gelo na capacidade de 
refrigeração de um tubo em função da 
espessura da camada formada na faixa 
0δ4mm. A condutividade térmica de gelo 
pode ser considerada igual a 0,4 W/(m.K). 
c) O refrigerador é desligado após a unidade 
de descongelamento apresentar defeito e a 
camada de gelo formada possui uma 
espessura de 2mm. Se os tubos estiverem 
em um ar ambiente a 20º C e a convecção 
natural mantiver um coeficiente de 
transferência de calor de 2 W/m2.K), 
quanto tempo irá levar para que todo o gelo 
derreta? O gelo pode ser considerado com 
uma densidade de 700kg/m3 e um calor 
latente de fusão de 334 kJ/kg. 
 
Resp.: (a) 47,1 W/m; (c) 11690 s (3,25 h) 
 
05) Uma tubulação de aço com parede delgada e 0,20m 
de diâmetro é usada para transportar vapor d’água 
saturado a uma pressão de 20 bar através de uma sala 
onde a temperatura do ar é de 25º C e o coeficiente 
de transferência de calor por convecção na superfície 
externa da tubulação é de 20 W/(m2.K). 
a) Qual é a perda de calor por unidade de 
comprimento para o tubo nu (sem 
isolamento)? Estime a perda de calor por 
unidade de comprimento, se uma camada 
isolante (magnésia 85%) com 50mm de 
espessura for instalada. O aço e a magnésia 
podem ser considerados com uma 
emissividade igual a 0,8 e a resistência 
convectiva no lado do vapor pode ser 
desprezada. 
b) Os custos associados à geração do vapor e à 
instalação do isolante equivalem a $4/109 J 
e $100/m de comprimento do tubo 
respectivamente. Se a linha de vapor deve 
operar a 7500 h/ano, quantos anos são 
necessários para que se tenha o retorno do 
investimento inicial no isolamento? 
Dado: Magnésia 85% (T392K): k = 0,058 W/(m.K) 
 
Resp.: (a) 3727 W/m ; 163 W/m; (b) 1 ano 
 
 
06) Um tanque de armazenamento possui uma seção 
cilíndrica, com comprimento e diâmetro interno de 
L=2m e Di=1m, respectivamente, e duas calotas 
hemisféricas nas extremidades. O tanque é fabricado 
em vidro (Pyrex) com 20mm de espessura e 
encontra-se exposto ao ar ambiente, no qual a 
temperatura é de 300K e o coeficiente convectivo é 
de 10 W/(m2.K). O tanque é usado para armazenar 
óleo aquecido, que mantém a temperatura interna a 
uma temperatura de 400K. Determine a potência 
elétrica que deve ser fornecida a um aquecedor 
suberso no óleo, se as condições especificadas devem 
ser mantidas. Efeitos da radiação térmica podem ser 
desprezados e a condutividade térmica do Pyrexpode 
ser suposta igual a 1,4 W/(m.K). 
 
Resp.: 8668W 
 
07) Um tanque esférico para armazenar oxigênio líquido 
no ônibus espacial deve ser construído em aço 
inoxidável com 0,80m de diâmetro externo e 5mm de 
espessura de parede. O ponto de ebulição e o calor 
latente de vaporização do oxigênio líquido são 90K e 
213 kJ/kg respectivamente. O tanque será instalado 
em um grande compartimento cuja temperatura deve 
ser mantida em 240K. Projete um sistema de 
isolamento térmico que irá manter as perdas de 
oxigênio devidas a ebulição abaixo de 1 kg/dia. 
Na solução deste exercício considere: 
 Para o aço inox, a condutividade térmica é igual 
a 9,2 W/(m.K). 
 Materiais e Sistemas de Isolamento Refletores: 
Folhas de alumínio separando mantas de flocos 
de vidro; 10 a 12 camadas, em vácuo; para 
aplicações criogênicas (150K)  k = 0,00016 
W/(m.K). 
 O fluxo de calor perdido é o produto da vazão 
mássica pelo calor latente de vaporização 
 
Resp.: a espessura de isolamento mínimo é de 2,1 mm 
 
08) Um vaso esférico usado como um reator para 
produzir fármacos, tem uma parede de aço 
inoxidável (k=17W/(m.K) com 10mm de espessura e 
diâmetro interno de 1m. A superfície externa do vaso 
é exposta ao ar ambiente a 25º C, na qual um 
coeficiente convectivo de 6 W/(m2.K) pode ser 
admitido. 
a) Durante uma operação em regime 
estacionário, uma temperatura da superfície 
interna de 50º C é mantida pela geração 
interna de energia no interior do reator. 
Qual é a perda de calor no reator? 
b) Se uma camada de 20mm de isolante de 
fibra de vidro (k=0,040W/(m.K)) for 
aplicada no exterior do vaso e a taxa de 
geração de energia térmica permanecer 
inalterada, qual será a temperatura na 
superfície interna do vaso? 
 
Resp.: (a) 489 W; (b) 120º C