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Exercícios resolvidos de convecção em escoamento externo

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7.1 – Escoamento de óleo quente sobre placa plana
Óleo de motor a 60 °C escoa ao longo da superfície superior de uma placa plana de 5 m de comprimento cuja temperatura é 20 °C, com velocidade de 2 m/s (Fig. abaixo). Determine a força total de arrasto e a taxa de transferência de calor por unidade de largura de placa.


7.2 Descongelamento de gelo fino do para-brisa de um automóvel
Para descongelar o gelo fino acumulado na superfície externa do para-brisa de um automóvel, ar quente é soprado sobre a superfície interna do para-brisa. Considere um para-brisa de automóvel (kw = 1,4 W/m٠K) com altura total de 0,5 m e espessura de 5 mm (Fig. abaixo). O ar externo (1 atm) à temperatura ambiente é -20 °C, e a velocidade média do fluxo de ar sobre a superfície externa do para-brisa é 80 km/h, enquanto a temperatura ambiente no interior do automóvel é 25 °C. Determine o valor do coeficiente de transferência de calor por convecção para o ar quente soprado sobre a superfície interna do para-brisa, necessário para derreter o gelo fino acumulado. Considere a superfície do para-brisa como uma placa plana.


7.3 – Resfriamento de folhas plásticas com ar forçado
A seção de produção de uma fábrica de plásticos coloca uma folha continua de plástico de 1,2 m de largura e 0,1 cm de espessura a uma velocidade de 9 m/min. A temperatura da folha de plástico é 95 °C quando exposta ao ar circundante, e a seção de 0,6 m de comprimento da folha de plástico é submetida ao fluxo de ar a 25 °C e velocidade de 3 m/s em ambos os lados ao longo de suas superfícies normais à direção do movimento da folha, como mostrado na Fig.7–15. Determine (a) a taxa de transferência de calor da folha de plástico para o ar por convecção forçada e radiação e (b) a temperatura da folha de plástico no final da seção de resfriamento. Considere a densidade, o calor especifico e a emissividade da folha de plástico como r = 1.200 kg/m3, cp = 1,7 kJ / kg٠°C, e ε = 0,9.


7.4 – Força de arrasto agindo sobre um tubo em um rio.
Um tubo de 2,2 cm de diâmetro externo atravessa a distância de 30 m de um rio completamente imerso na água (Fig. abaixo). A velocidade média do escoamento de água é 4 m/s, e a temperatura da água é 15 °C. Determine a força de arrasto exercida sobre o tubo.


7.5 Perda de calor a partir do tubo de vapor para ar ventoso
Um longo tubo de vapor de 10 cm de diâmetro, cuja temperatura da superfície externa é 110 °C, está localizado em uma área aberta sem proteção contra vento (Fig. 7–23). Determine a taxa de perda de calor do tubo por unidade de comprimento quando o ar está a 1 atm de pressão e 10 °C e o vento está́ soprando sobre o tubo com velocidade de 8 m/s.


7.6 Resfriamento de uma bola de aço por ar forçado
Uma bola de aço inoxidável (r = 8.055 kg/m3, cp = 480 J/kg٠K) de 25 cm de diâ- metro é retirada do forno a uma temperatura uniforme de 300 °C (Fig. abaixo). A bola é então resfriada por ar a 1 atm de pressão e 25 °C com velocidade de 3 m/s. A temperatura da superfície da bola finalmente cai para 200 °C. Determine o coeficiente médio de transferência de calor por convecção durante esse processo de resfriamento e estime quanto tempo levará o processo.


7.7 Preaquecimento do ar pela energia geotérmica da água em banco de tubos
Em uma instalação industrial, o ar deve ser aquecido antes de entrar no forno por energia geotérmica da água a 120 °C fluindo através dos tubos de um banco de tubos localizado em um duto. O ar entra no duto a 20 °C e 1 atm a uma velocidade média de 4,5 m/s e escoa sobre os tubos na direção normal. O diâmetro externo dos tubos é de 1,5 cm e eles estão dispostos no arranjo em linha com passos longitudinal e transversal SL = ST = 5 cm. Há seis fileiras na direção do escoamento com dez tubos em cada uma, como mostrado na Fig. abaixo. Determine a taxa de transferência de calor por unidade de comprimento dos tubos e a queda de pressão em todo o banco de tubos.


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Os trocadores de calor de superfície raspada são similares aos trocadores de duplo tubo. Seu diferencial está no eixo rotativo no centro do tubo in...

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Para descongelar o gelo fino acumulado na superfície externa do para-brisa de um automóvel, ar quente é soprado sobre a superfície interna do para-brisa. Considere um para-brisa de automóvel (kw = 1,4 W/m٠K) com altura total de 0,5 m e espessura de 5 mm (Fig. abaixo). O ar externo (1 atm) à temperatura ambiente é -20 °C, e a velocidade média do fluxo de ar sobre a superfície externa do para-brisa é 80 km/h, enquanto a temperatura ambiente no interior do automóvel é 25 °C. Determine o valor do coeficiente de transferência de calor por convecção para o ar quente soprado sobre a superfície interna do para-brisa, necessário para derreter o gelo fino acumulado. Considere a superfície do para-brisa como uma placa plana.


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