Lista 02b Conforto

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EXERCÍCIOS DE CONFORTO TÉRMICO – TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Exercícios de troca de calor por condução, radiação e convecção
Exercício 1– A parede Norte de uma casa aquecida eletricamente tem 6 m de comprimento, 3 m de altura e 0,3 m de espessura e é construída com tijolos cuja condutividade térmica é 0,72 W/m.oC. Em uma noite de inverno, as temperatura interna e externa da parede são medidas em torno de 17oC e -4oC, respectivamente, por um período de 8 h. Determine: a) a taxa de perda de calor pela parede; b) o custo da perda de calor para o proprietário da casa, considerando que o custo da eletricidade é de R$ 0,07/kWh.
Exercício 2– Uma corrente elétrica de 5 A passa através de um resistor que tem tensão de 6 V. O resistor é cilíndrico, com 2,5 cm de diâmetro e 15 cm de comprimento, e tem temperatura uniforme de 90oC, enquanto a temperatura ambiente é de 20oC. Assumindo que a troca de calor por radiação é desprezível, determine o coeficiente de troca por convecção.
Exercício 3– Uma superfície com área 0,5 m2, emissividade igual a 0,8 e temperatura de 150oC é colocada no interior de uma grande câmara de vácuo cujas paredes são mantidas a 20oC. Qual a taxa de emissão de radiação pela superfície?. Qual a taxa radiante líquida trocada entre a superfície e as paredes da câmara?.
Exercício 4- Considere uma caixa eletrônica selada de 20 m de altura, com área de base de 50 cmx 50 cm, colocada em uma câmara de vácuo. A emissividade da superfície externa da caixa é de 0,95. Os componentes eletrônicos na caixa dissipam o total de 100 W de potência. A temperatura da superfície externa da caixa não pode exceder 55 oC. Determine a temperatura na qual as superfícies ao redor devem ser mantidas se a caixa for resfriada apenas por radiação. Assuma que a transferência de calor da superfície inferior da caixa para o suporte seja insignificante.
Exercícios de trocas de calor combinadas
Exercício 5– Uma superfície cuja temperatura é mantida a 400 oC está separada de uma corrente de ar por uma camada de isolante térmico com espessura de 25 mm e condutividade térmica de 0,1 W/m.oC. Se a temperatura do ar é de 35oC e o coeficiente de transferência de calor por convecção entre o ar e a superfície é de 500 W/m2.oC, qual a temperatura da superfície externa do isolamento? 
Exercício 6– Um experimento para determinar o coeficiente de transferência de calor por convecção associado ao escoamento de ar sobre a superfície de um espesso lingote de aço envolve a inserção de termopares no seu interior a distâncias de 10 e 20 mm da superfície, ao longo de uma linha hipotética perpendicular à superfície do lingote. A condutividade térmica do aço é 15 W/m.oC. Se os termopares medem temperaturas de 50 e 40oC no aço enquanto a temperatura do ar é de 100oC, qual o valor de h?.
Exercício 7– Uma chapa de alumínio com 4 mm de espessura é colocada em posição horizontal, estando sua superfície inferior isolada termicamente. Um fino revestimento especial é aplicado sobre a superfície superior, de tal modo que ela absorve 80% da radiação solar incidente, enquanto sua emissividade é 0,25. A densidade e o calor específico do alumínio é 2700 kg/m3 e 900 J/kgoC, respectivamente. Considere condições em que a placa encontra-se inicialmente a uma temperatura de 25oC, quando, de repente, sua superfície superior é exposta ao ar ambiente a 20oC e à radiação solar de 900 W/m2. O coeficiente de convecção é 20 W/m2.oC. Qual a taxa inicial de variação da temperatura na superfície?. Qual será a temperatura de equilíbrio da chapa quando o processo atingir condições de regime permanente?.
Exercício 8– Considere um coletor de placa plana colocado horizontalmente sobre o telhado de uma casa. O coletor mede 1,5 m de largura por 4,5 m de comprimento, e a temperatura média da superfície é 38oC. A emissividade é 0,9. Determine a taxa de perda de calor do coletor por convecção e radiação durante um dia calmo quando a temperatura do ar ambiente é de 20oC e a do céu 10oC. Considere h = 15 W/m2.oC.
Exercício 9– Um fluxo de radiação solar de 700 W/m2 incide sobre um coletor solar plano que é usado para aquecer água. A área do coletor é de 3 m2, e 90% da radiação solar passam através da cobertura de vidro e são absorvidos pela chapa absorvedora. Os 10% restantes são refletidos para fora do coletor. A água escoa através dos tubos que se encontram presos na superfície inferior da chapa absorvedora e é aquecida da temperatura de alimentação Te até uma temperatura de saída Ts. A cobertura de vidro, que opera a uma temperatura de 30oC, possui uma emissividade de 0,94 e troca calor por radiação com o céu que está a – 10oC. O coeficiente de transferência de calor por convecção entre a cobertura de vidro e o ar ambiente e 25oC é de 10 W/m2.oC.
Exercício -10 A pressão atmosférica numa localidade a 1610 m de altitude é 80,4 kPa. Ar a esta pressão e temperatura de 20oC escoa com velocidade de 8 m/s sobre uma placa a 140oC de dimensões 1,5 m x 6 m. Determine a taxa de transferência de calor: Ao longo dos 6 m e ao longo dos 1,5 m.
Exercício 12 – Uma parede de metal recebe uma corrente de ar a 4,5 m/s e temperatura de 30oC e uma radiação solar de 400 W/m2. O comprimento da parede na direção do vento é de 10 m e a emissividade 0,93. O coeficiente de absorção de radiação na parede é 1,0. Calcule a temperatura da superfície da parede, sabendo – se que a parte inferior é isolada com EPS.
Exercício 13 – O telhado de uma casa é constituído de laje de concreto (k = 2 W/m. K) de 15 cm de espessura, 15 m de largura e 20 m de comprimento. O coeficiente de transferência de calor por convecção na superfície interna do telhado é 5 W/m2.K. Em uma noite clara de inverno, o ar ambiente está a 10oC, enquanto a temperatura do céu noturno é 100 K. A casa e as superfícies internas da parede são mantidas a uma temperatura constante de 20oC. A emissividade de ambas as superfícies do telhado de concreto é 0,9. Considerando tanto a transferência de calor por radiação quanto por convecção, determine a taxa de transferência de calor através do telhado com o vento soprando a 60 km/h.
Se a casa for aquecida por um forno que queima gás natural com eficiência de 85% e o preço do gás natural for US$ 1,20/Therm, determine o dinheiro perdido devido ao telhado naquela noite durante o período de 14 horas.