3 aula TCM (1)

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FANOR
ASSOCIAÇÃO DE PAREDES PLANAS EM PARALELO
Considerando um sistema de paredes planas associadas em paralelo, submetidas a uma fonte de calor , de temperatura constante e conhecida, de um lado e a um sorvedouro de calor do outro lado, também de temperatura constante e conhecida, do outro lado.
Haverá transferência de um Fluxo de Calor contínuo no regime permanente através da parede composta.
Considere um sistema de paredes planas associadas em paralelo, como na figura abaixo, submetidas a uma diferença de temperatura constante e conhecida.
- Todas as paredes estão sujeitas a mesma diferença de temperatura;
- As paredes podem ser de materiais e/ou dimensões diferentes;
- O fluxo de calor total é a soma dos fluxos por cada parede individual.
O fluxo de calor que atravessa a parede composta pode ser obtido em cada uma das paredes planas individualmente
O fluxo de calor total é igual a soma dos fluxos
q
Portanto, para o caso geral em que temos uma associação de n paredes planas associadas em paralelo o fluxo de calor é dado por :
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)
CONDUÇÃO DE CALOR ATRAVÉS DE CONFIGURAÇÕES CILÍNDRICAS
Consideremos um cilindro vazado submetido à uma diferença de temperatura entre a superfície interna e a superfície externa, como pode ser visto na figura
Se a temperatura da superfície interna for constante e igual a T1, enquanto que a temperatura da superfície externa se mantém constante e igual a T2, teremos uma transferência de calor por condução no regime permanente.
Considere a transferência de calor em um tubo de comprimento L que conduz um fluido em alta temperatura
O fluxo de calor que atravessa a parede cilíndrica pode ser dado por:
= é o gradiente de temperatura na direção radial
= Para configurações cilíndricas a área é uma função do raio
Aplicando na equação de cima
Fazendo a separação de variáveis e integrando entre T1 em r1 e T2 em r2, tem-se:
Aplicando-se propriedades dos logaritmos, obtemos
O fluxo de calor através de uma parede cilíndrica será então
Suponhamos que o engenheiro responsável pela operação de uma caldeira necessita reduzir o consumo energético através da redução das perdas térmicas na tubulação que conduz vapor até uma turbina. O que o engenheiro, pode fazer considerando a equação acima.
O conceito de resistência térmica também pode ser aplicado à parede cilíndrica. Devido à analogia com a eletricidade, um fluxo de calor na parede cilíndrica também pode ser representado como :
T é o potencial térmico; e R é a resistência térmica da parede
Então para a parede cilíndrica
Eliminado o ΔT na equação, obtemos a resistência térmica de uma parede cilíndrica
Para o caso geral em que temos uma associação de n paredes cilíndricas associadas em paralelo, por analogia com paredes planas, o fluxo de calor é dado por
Um tubo de aço (k=22 Btu/h.ft.oF) de 1/2" de espessura e 10" de diâmetro externo é utilizado para conduzir ar aquecido. O tubo é isolado com 2 camadas de materiais isolantes: a primeira de isolante de alta temperatura (k=0,051 Btu/h.ft.oF) com espessura de 1” e a segunda com isolante à base de magnésia (k=0,032 Btu/h.ft.oF) também com espessura de 1". Sabendo que estando a temperatura da superfície interna do tubo a 1000 oF a temperatura da superfície externa do segundo isolante fica em 32 oF, pede-se o fluxo de calor por unidade de comprimento do tubo. Sabe-se que tubo tem 1 ft de comprimento.
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CONDUÇÃO DE CALOR ATRAVÉS DE UMA CONFIGURAÇÃO ESFÉRICA
Consideremos uma esfera oca submetida à uma diferença de temperatura entre a superfície interna e a superfície externa, como pode ser visto.
O fluxo de calor através de uma parede esférica será então
consideremos um exemplo prático, suponhamos que o engenheiro responsável por um reservatório esférico necessita reduzir as perdas térmicas pela parede por razões econômicas. Considerando a equação acima engenheiro tem quais condições.
Resistência térmica na parede esférica
Um tanque de aço ( k = 40 Kcal/h.m.oC ), de formato esférico e raio interno de 0,5 m e espessura de 5 mm, é isolado com 1½" de lã de rocha ( k = 0,04 Kcal/h.m.oC ). A temperatura da face interna do tanque é 220 oC e a da face externa do isolante é 30 oC. Após alguns anos de utilização, a lã de rocha foi substituída por outro isolante, também de 1½" de espessura, tendo sido notado então um aumento de 10% no calor perdido para o ambiente ( mantiveram-se as demais condições ). Determinar :
a) fluxo de calor pelo tanque isolado com lã de rocha;
b) o coeficiente de condutividade térmica do novo isolante;
c) qual deveria ser a espessura ( em polegadas ) do novo isolante para que se tenha o mesmo fluxo de calor que era trocado com a lã de rocha.