Lista 1 de exercícios (1)

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Lista 1 de exercícios 
 
OBS 1: A resolução correta desta lista de exercícios será contabilizada como critério de 
avaliação para a AV1 conforme combinado no início do semestre e deverá ser entregue via 
Ambiente Virtual de Aprendizagem (AVA) até 15/04/2020. 
OBS 2: Será necessário demonstrar todos os cálculos e contas com clareza. 
OBS 3: Pontuação igual para todas as questões 
 
 
1. Vapor saturado a uma pressão de 20,9 psig (pressão barométrica, que corresponde a 
2,45 bar) escoa no interior de uma tubulação de aço carbono (condutividade térmica 
50 W/m.K) com diâmetro de 2 in sch 40 (2 polegadas e schedule 40). Os coeficientes 
de convecção interno e externo são 5680 W/(m2.K) e 25 W/(m2.K), respectivamente. 
O ar exterior está a 25 oC. Desconsiderando os efeitos da radiação térmica, determinar 
a taxa de transferência de calor perdida para o ambiente por unidade de comprimento 
do tubo. 
 
2. Considere agora que o tubo do exemplo 1 anterior está recoberto com uma camada 
de isolamento térmico de 3 cm de espessura e condutividade térmica 0,07 W/(m.K). 
Determinar o percentual de redução da taxa de transferência de calor. 
 
3. Um pequeno tanque cilíndrico com aquecimento elétrico será construído por sobre 
uma estrutura metálica suspensa em uma planta piloto, objetivando o 
armazenamento de um aditivo de polimerização a 80 oC. As dimensões do tanque são 
1 m de diâmetro e 1,5 m de altura, construído em chapa de aço carbono 
(condutividade térmica 50 W/(m.K) de 0,5 cm de espessura. Este tanque receberá 
uma camada de isolamento térmico de 2 cm de espessura e condutividade térmica 
0,1 W/(m.K). Estimando o coeficiente de convecção no interior do tanque igual a 100 
W/(m2.K) e no interior igual a 20 W/(m2.K) e a temperatura ambiente na unidade 
industrial igual a 30 oC, dimensionar a potência do dispositivo de aquecimento a ser 
instalado. 
 
4. Considere um forno industrial construído com uma parede de espessura de 30 cm, 
cujo material tem condutividade térmica de 1,7 W/(m.oC). Durante a operação, em 
regime permanente, medidas efetuadas revelam temperaturas de 1500 K na parede 
interna e 1200 K, na externa. Determinar a taxa de calor perdida em uma parede com 
dimensões de 1,0 x 3,0 m. 
 
5. Uma tubulação de aço carbono (condutividade térmica: 46,2 W/(m.K), com diâmetro 
interno de 80 mm e diâmetro externo de 90 mm, é isolada termicamente com uma 
camada de lã de rocha (condutividade térmica: 0,04 W/(m.K)) com espessura de 25 
mm. A tubulação transporta um fluido a 150 oC e a temperatura ambiente é 25 oC. Os 
coeficientes convectivos de transferência de calor envolvidos são: superfície interna 
do tubo, 210,6 W/(m2.K), superfície externa do isolamento térmico, 6,2 W/(m2.K). 
Calcule a taxa de calor perdido por metro de tubulação isolada. 
 
 
6. Em um estudo de segurança de processo, deseja-se estimar a temperatura em que a 
superfície de uma tubulação enterrada em uma planta alcançará após um certo 
intervalo de tempo com um incêndio ocorrendo no exterior. Considere que 
inicialmente o piso esteja a 30 oC e, repentinamente, o incêndio levaria a temperatura 
da superfície a 800 oC e este permaneceria queimando durante 3 horas. Dados: 
profundidade da tubulação: 1 m, massa específica do solo: 2000 kg/m3, capacidade 
térmica: 2500 J/(kg.K), condutividade térmica: 0,5 W/(m.K). 
 
7. Em um processo industrial, pequenas partículas poliméricas, na forma de um cilindro 
com 5 mm de altura e 3 mm de diâmetro, devem ser curadas através de um ciclo de 
aquecimento e resfriamento. No início do processo, as partículas estão a temperatura 
ambiente e, após o aquecimento, a temperatura deverá alcançar 80 oC. No final do 
processo de resfriamento sua temperatura não poderá ser superior a 10 oC em relação 
à temperatura do ambiente. Considerando que o equipamento opera em batelada, 
determinar quanto tempo durará o ciclo de aquecimento e o de resfriamento. Dados: 
Temperatura ambiente: 30 oC, Temperatura do sopro de aquecimento: 100 oC, 
Temperatura do sopro de resfriamento: 30 oC, Coeficiente de película no sopro: 100 
W/(m2.K), Condutividade térmica do polímero: 1,0 W/(m.K), Capacidade térmica do 
polímero: 2000 J/(kg.K), Massa específica do polímero: 1900 kg/m3. 
 
8. Um critério de segurança para tubulações que podem ser tocadas por operadores 
indica que a sua temperatura superficial não deve ultrapassar 50 oC, de modo a evitar 
queimaduras. Uma tubulação com um diâmetro de 0,05 m e espessura de parede 
desprezível, transporta vapor saturado a uma temperatura de 130 oC através de um 
ambiente cuja temperatura é de 30 oC. Esta tubulação encontra-se isolada 
termicamente com uma camada de 0,04 m de espessura de um isolante de 
condutividade térmica igual a 1,5 W/(m.K). Verifique se o critério de segurança 
apresentado é satisfeito determinando a temperatura da superfície externa da 
camada de isolante, demonstrando os cálculos. Considere que: (i) a superfície externa 
do isolante é coberta por uma película com baixa emissividade, de tal forma que os 
efeitos da radiação térmica podem ser desprezados no equacionamento da taxa de 
transferência de calor presente no sistema; (ii) nos cálculos, a resistência térmica 
convectiva no interior da tubulação é desprezível, e o coeficiente de transferência de 
calor (coeficiente de película) na superfície externa da tubulação é igual a 10 
W/(m2.K). 
 
9. Um tubo de ¼ in de diâmetro transporta um fluido refrigerante a 0 oC em um 
laboratório com temperatura ambiente igual a 25 oC. Inicialmente, este tubo se 
encontra sem isolamento térmico e, visando reduzir a taxa de transferência de calor 
do ambiente para o fluido, propõe-se o recobrimento do tubo com uma camada de 
isolamento de 1 cm de espessura com condutividade térmica 0,15 W/(m.K). 
Estimando o coeficiente de convecção para o ambiente externo igual a 10 W/(m2.K), 
analisar a viabilidade da solução proposta, calculando a variação no fluxo térmico 
transferido. Considerar que as resistências, convectiva interna e condutiva da parede 
do tubo, são desprezíveis. 
 
10. Indique se o comentário abaixo é verdadeiro ou falso justificando sua resposta. 
Suponha que a parede de um equipamento seja plana, que a sua superfície interna 
seja mantida a 200 oC e que a sua superfície externa, em contato com o ambiente, seja 
mantida a 50 oC. Se a espessura da parede do equipamento for aumentada para um 
valor igual ao dobro do original, mas as temperaturas nas superfícies interna e externa 
da parede forem as mesmas do primeiro caso, então o fluxo de calor através da parede 
será igual nos dois casos.