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5S.1 Representação Gráfica da Condução Unidimensional Transiente na Parede Plana, no Cilindro Longo e na Esfera Nas Seções 5.5 e 5.6, foram desenvolvidas aproximações pelo primeiro termo para a condução unidimensional transiente em uma parede plana (com condições convectivas simétricas) e em sistemas radiais (cilindro longo e esfera). Os resultados se aplicam para Fo 0,2 e podem ser convenientemente representados em formas gráficas que ilustram a dependência funcional da distribuição de temperatura transiente em relação aos números de Biot e de Fourier. Resultados para a parede plana (Figura 5.6a) são apresentados nas Figuras 5S.1 a 5S.3. A Figura 5S.1 pode ser usada para se obter a temperatura no plano central da parede, T(0, t) To(t), a qualquer instante durante o processo transiente. Se To for conhecido para valores especificados de Fo e Bi, pode-se utilizar a Figura 5S.2 para determinar a temperatura correspondente em qualquer posição fora do plano central. Conseqüentemente, a Figura 5S.2 tem que ser usada em conjunto com a Figura 5S.1. Por exemplo, se desejamos determinar a temperatura na superfície (x* 1) em algum instante t, devemos usar a Figura 5S.1 em primeiro lugar para determinar To em t. A Figura 5S.2 deve então ser usada para determinarmos a temperatura na super- fície a partir do conhecimento de To. O procedimento deve ser invertido se o problema FIGURA 5S.1 Temperatura no plano central como função do tempo em uma parede plana de espessura 2L [1]. Usado com permissão. 005S1inca.indd 7 10/24/07 9:41:40 AM CD-8 Capítulo 5S.1 Representação Gráfica da Condução Unidimensional Transiente... CD-9 for a determinação do tempo necessário para a superfície atingir uma temperatura especificada. Resultados gráficos para a energia transferida a partir de uma parede plana durante o intervalo de tempo t são apresentados na Figura 5S.3. Esses resultados forem gerados a partir da Equação 5.46. A transferência de energia adimensional Q/Qo é representada exclusivamente em termos de Fo e Bi. Resultados para o cilindro infinito são apresentados nas Figuras 5S.4 a 5S.6 e os resultados para a esfera são mostrados nas Figuras 5S.7 a 5S.9, em que o número de Biot está definido em termos de ro. FIGURA 5S.2 Distribuição de temperaturas em parede plana de espessura 2L [1]. Usado com permissão. FIGURA 5S.3 Variação da energia interna como função do tempo em uma parede plana de espessura 2L [2]. Adaptado com permissão. 005S1inca.indd 8 10/24/07 9:41:44 AM Representação Gráfica da Condução Unidimensional Transiente... CD-9 FIGURA 5S.4 Temperatura no eixo central como função do tempo em um cilindro infinito de raio ro [1]. Usado com permissão. FIGURA 5S.5 Distribuição de temperaturas em um cilindro infinito de raio ro [1]. Usado com permissão. 005S1inca.indd 9 10/24/07 9:41:49 AM CD-10 Capítulo 5S.1 Representação Gráfica da Condução Unidimensional Transiente... CD-11 Os gráficos anteriores também podem ser usados para determinar a resposta tran- siente de uma parede plana, de um cilindro infinito ou de uma esfera submetida a uma mudança súbita na temperatura superficial. Em tal condição, é necessário apenas substituir T pela temperatura superficial especificada Ts e fixar Bi1 igual a zero. Ao fazermos isto, admitimos que o coeficiente convectivo é implicitamente infinito, situação na qual T Ts. FIGURA 5S.6 Variação da energia interna como função do tempo em um cilindro infinito de raio ro [2]. Adaptado com permissão. FIGURA 5S.7 Temperatura no centro como função do tempo em uma esfera de raio ro [1]. Usado com permissão. 005S1inca.indd 10 10/24/07 9:41:55 AM Representação Gráfica da Condução Unidimensional Transiente... CD-11 Referências FIGURA 5S.8 Distribuição de temperaturas em uma esfera de raio ro [1]. Usado com permissão. FIGURA 5S.9 Variação da energia interna como função do tempo em uma esfera de raio ro [2]. Adaptado com permissão. 005S1inca.indd 11 10/24/07 9:41:59 AM 5S.2 Solução Analítica dos Efeitos Multidimensionais Com freqüência são encontrados problemas transientes nos quais os efeitos bi- e mesmo tridimensionais são significativos. Soluções para uma classe desses problemas podem ser obtidas a partir dos resultados analíticos unidimensionais das Seções 5.5 a 5.7. Considere a imersão do cilindro curto da Figura 5S.10, que está inicialmente a uma temperatura uniforme Ti, em um fluido a uma temperatura T Ti. Como o comprimento e o diâmetro do cilindro são comparáveis, a transferência de energia por condução subseqüente será significativa nas direções coordenadas r e x. A temperatura no interior do cilindro será então função de r, x e t. Admitindo propriedades constantes e ausência de geração, a forma apropriada da equação do calor é, a partir da Equação 2.24, onde x foi usado em lugar de z para designar a coordenada axial. Uma solução em forma fechada para essa equação pode ser obtida pelo método da separação de vari- áveis. Ainda que essa solução não seja considerada em detalhes, é importante notar que o resultado final pode ser representado na forma a seguir: Isto é, a solução bidimensional pode ser escrita como um produto das soluções unidimensionais que correspondem àquelas para uma parede plana com espessura 2L e para um cilindro infinito com raio ro. Para Fo 0,2, essas soluções são forne- cidas pelas aproximações pelo primeiro termo das Equações 5.40 e 5.49, assim como pelas Figuras 5S.1 e 5S.2 para a parede plana e Figuras 5S.4 e 5S.5 para o cilindro infinito. CD-12 Capítulo 5S.2 FIGURA 5S.10 Condução transiente bidimensional em um cilindro curto. (a) Geometria. (b) Forma da solução do produto. 005S1inca.indd 12 10/24/07 9:42:01 AM Resultados para outras geometrias multidimensionais estão resumidos na Figura 5S.11. Em cada caso a solução multidimensional é fornecida na forma de um produto que envolve uma ou mais das soluções unidimensionais a seguir: Solução Analítica dos Efeitos Multidimensionais CD-13 FIGURA 5S.11 Soluções para sistemas multidimensionais expressas como produtos de resul- tados unidimensionais. 005S1inca.indd 13 10/24/07 9:42:02 AM A coordenada x para o sólido semi-infinito é medida a partir da superfície, enquanto para a parede plana ela é medida a partir do plano intermediário. Ao usar a Figura 5S.11, devemos observar com cuidado as origens das coordenadas. A distribuição tridimensional transiente de temperaturas em um paralelepípedo retangular, Figura 5S.11h, é então, por exemplo, o produto de três soluções unidimensionais para paredes planas com espessuras 2L1, 2L2 e 2L3. Isto é, As distâncias x1, x2 e x3 são todas medidas em relação a um sistema de coordenadas retangulares cuja origem se encontra no centro do paralelepípedo. A quantidade de energia Q transferida para ou a partir de um sólido durante um processo de condução transiente multidimensional também pode ser determi- nada através da combinação de resultados unidimensionais, conforme mostrado por Langston [1]. EXEMPLO 5S.1 Em um processo industrial, cilindros de aço inoxidável (AISI 304), inicialmente a 600 K, são resfriados por submersão em um banho de óleo mantido a 300 K, com h 500 W/(m2 K). Cada cilindro possui comprimento 2L 60 mm e diâmetro D 80 mm. Considere o instante 3 min após o início do processo de resfriamento e deter- mine as temperaturas no centro do cilindro, no centro de uma das faces circulares e a meia altura da superfície lateral. Note que o Problema 5.124 requer uma solução numérica deste mesmo problema. SOLUÇÃO Dados: Temperatura inicial e dimensões do cilindro, assim como temperatura e condições convectivas no banho de óleo. Achar: Temperaturas T(r, x, t) após 3 min no centro do cilindro, T(0, 0, 3 min) no centro de uma das faces circulares, T(0, L, 3 min), e a meia altura da superfície lateral, T(ro, 0, 3 min). Esquema: CD-14 Capítulo 5S.2 005S1inca.indd 14 10/24/07 9:42:04 AM Considerações:1. Condução bidimensional em r e x. 2. Propriedades constantes. Propriedades: Tabela A.1, aço inoxidável, AISI 304 [T (600 300)/2 450 K]: 7900 kg/m3, c 526 J/(kg K), k 17,4 W/(m K), k/(c) 4,19 106 m2/s. Análise: O cilindro sólido de aço corresponde ao caso (i) da Figura 5S.11 e a tempe- ratura em qualquer ponto no cilindro pode ser representada pelo seguinte produto de soluções unidimensionais: onde P(x, t) e C(r, t) são definidas pelas Equações 5S.2 e 5S.3, respectivamente. Dessa forma, para o centro do cilindro, Assim, para a parede plana, com tem-se, pela Equação 5.41, que onde, com Bi 0,862; na Tabela 5.1, C1 1,109 e 1 0,814 rad. Com Fo 0,84 Analogamente, para o cilindro infinito, com tem-se, pela Equação 5.49c, que onde, com Bi 1,15; na Tabela 5.1, C1 1,227 e 1 1,307 rad. Com Fo 0,47, Assim, para o centro do cilindro, Solução Analítica dos Efeitos Multidimensionais CD-15 005S1inca.indd 15 10/24/07 9:42:05 AM A temperatura no centro da face circular pode ser obtida através da exigência de que onde, a partir da Equação 5.40b, Assim, com x* 1, temos A temperatura a meia altura da superfície lateral pode ser obtida a partir da exigência de que onde, a partir da Equação 5.49b, Com, r* 1 e o valor da função de Bessel obtido na Tabela B.4, Assim, CD-16 Capítulo 5S.2 005S1inca.indd 16 10/24/07 9:42:09 AM Comentários: 1. Verifique que a temperatura nas arestas do cilindro é T(ro, L, 3 min) 344 K. 2. Os gráficos de Heisler da Seção 5S.1 também podem ser usados para obtenção dos resultados desejados. Utilizando esses gráficos, obteríamos os seguintes resul- tados: o/iParede plana 0,64; o/iCilindro infinito 0,55; (L)/oParede plana 0,68; e (ro)/oCilindro infinito 0,61; que apresentam uma boa concordância com os resul- tados obtidos com as aproximações pelo primeiro termo. Referência Problemas 5S.4 Estime o tempo necessário para cozinhar uma salsicha de cachorro-quente em água fervente. Considere que a salsicha esteja inicialmente a 6°C, que o coeficiente de transferência de calor por convecção seja de 100 W/(m2 K) e que a temperatura final no seu eixo central seja de 80°C. Trate a salsicha como se fosse um longo cilindro de 20 mm de diâmetro, possuindo as seguintes proprie- dades: 880 kg/m3, c 3350 J/(kg K) e k 0,52 W/(m K). 5S.5 Uma longa barra, com 70 mm de diâmetro e inicial- mente a 90°C, é resfriada por imersão em um banho de água a 40°C, que proporciona um coeficiente convec- tivo de 20 W/(m2 K). As propriedades termofísicas da barra são: 2600 kg/m3, c 1030 J/(kg K) e k 3,50 W/(m K). (a) Quanto tempo deve a barra permanecer no banho para que, quando for retirada e deixada em repouso em condições de isolamento térmico total da vizinhança, ela atinja uma temperatura uniforme de 55°C? (b) Qual é a temperatura superficial da barra quando ela é retirada do banho? Condução Unidimensional: A Esfera 5S.6 Uma esfera com 80 mm de diâmetro (k 50 W/(m K) e 1,5 106 m2/s), que se encontra inicialmente a uma temperatura uniforme elevada, é subitamente resfriada por imersão em um banho de óleo mantido a 50°C. O coeficiente convectivo no processo de resfria- mento é de 1000 W/(m2 K). Em um dado instante de tempo, a temperatura superficial da esfera é medida, sendo igual a 150°C. Qual é a temperatura correspon- dente no centro da esfera? Solução Analítica dos Efeitos Multidimensionais CD-17 Condução Unidimensional: A Parede Plana 5S.1 Considere a unidade de armazenamento de energia térmica do Problema 5.11, porém construída em alvenaria, com 1900 kg/m3, c 800 J/(kg K) e k 0,70 W/(m K), em lugar do alumínio originalmente utilizado. Quanto tempo será necessário para que se obtenham 75% do máximo armazenamento de energia possível? Quais são as tempe- raturas máxima e mínima na alvenaria nesse instante? 5S.2 Uma camada de gelo com 5 mm de espessura se forma sobre o pára-brisas de um carro enquanto ele permanece estacionado ao longo de uma noite fria, na qual a tempe- ratura ambiente é de 20°C. Ao ser ligado o carro, um novo sistema de descongelamento faz com que a super- fície interna do pára-brisas seja subitamente exposta a uma corrente de ar a 30°C. Supondo-se que o gelo se comporte como uma camada de isolamento térmico sobre a super- fície externa do pára-brisas, qual coeficiente de transfe- rência de calor por convecção na superfície interna permi- tiria que a superfície externa do pára-brisas atinja 0°C em 60 s? As propriedades termofísicas do pára-brisas são: 2200 kg/m3, cp 830 J/(kg K) e k 1,2 W/(m K). Condução Unidimensional: O Cilindro Longo 5S.3 Bastões cilíndricos de aço (AISI 1010), com 50 mm de diâmetro, são tratados termicamente ao passarem através de um forno de 5 m de comprimento, no interior do qual o ar é mantido à temperatura de 750°C. Os bastões entram a 50°C e atingem uma temperatura de 600°C no seu eixo central antes de deixarem o forno. Para um coeficiente convectivo de 125 W/(m2 K), estime a velo- cidade à qual os bastões devem atravessar o forno. 005S1inca.indd 17 10/24/07 9:42:10 AM 5S.7 Uma pedra esférica de granizo, com 5 mm de diâmetro, é formada a 30°C em uma nuvem localizada a uma altitude elevada. Se a pedra começa a cair através do ar mais quente, a 5°C, quanto tempo ela irá levar até que sua superfície externa comece a derreter? Qual é a temperatura no centro da pedra de granizo nesse instante e quanta energia (J) foi transferida para a pedra até esse momento? Utilize um coeficiente de transferência de calor por convecção de 250 W/(m2 K) e considere as propriedades do granizo idênticas às do gelo. 5S.8 Em um processo de fabricação de esferas de vidro (k 1,4 W/(m K), 2200 kg/m3, cp 800 J/(kg K)) com 3 mm de diâmetro, as esferas são suspensas em uma corren- te ascendente de ar que se encontra a T 15°C e mantém um coeficiente convectivo de h 400 W/(m2 K). (a) Se as esferas estão inicialmente a uma temperatura de Ti 477°C, quanto tempo elas devem ficar suspensas para atingir uma temperatura no centro de 80°C? Qual é a temperatura superficial correspondente? (b) Calcule e represente graficamente as temperaturas no centro e na superfície como funções do tempo para 0 t 20 s e h 100, 400 e 1000 W/(m2 K). Condução Multidimensional 5S.9 Um longo lingote de aço (aço-carbono não-ligado), com seção transversal quadrada de 0,3 m por 0,3 m e inicial- mente a uma temperatura uniforme de 30°C, é colo- cado no interior de um forno que se encontra à tempe- ratura de 750°C. Se o coeficiente de transferência de calor por convecção para o processo de aquecimento é de 100 W/(m2 K), quanto tempo o lingote deve permanecer no interior do forno até que a temperatura no seu centro atinja 600°C? 5S.10 Um tijolo refratário com dimensões de 0,06 m 0,09 m 0,20 m é removido de um forno a 1600 K e resfriado ao ar a 40°C, com h 50 W/(m2 K). Qual é a temperatura no centro e nos vértices do tijolo passados 50 min do início do processo de resfriamento? 5S.11 Um pino cilíndrico de cobre com 100 mm de compri- mento e 50 mm de diâmetro está inicialmente a uma temperatura uniforme de 20°C. As faces de suas extre- midades são subitamente submetidas a um aquecimento intenso que as leva a uma temperatura de 500°C. Ao mesmo tempo, a superfície cilíndrica é submetida ao aquecimento por escoamento de um gás com uma temperatura de 500°C e um coeficiente de transferência de calor por convecção de 100 W/(m2 K). (a) Determine a temperatura no ponto central do cilindro 8 s após o repentino início do aquecimento. (b) Considerando-se os parâmetros que determinam a distribuição de temperaturas em problemas de difusão de calor transiente, pode alguma hipó- tese simplificadora ser justificada na análise desse problema particular? Explique sucintamente. 5S.12 Lembrando que a sua mãeuma vez lhe disse que uma peça de carne deve ser cozida até que todas as suas partes tenham atingido uma temperatura de 80°C, quanto tempo será necessário para cozinhar uma peça de carne com 2,25 kg? Admita que a carne se encontra inicialmente a 6°C e que a temperatura no forno é de 175°C, com um coeficiente de transferência de calor por convecção de 15 W/(m2 K). Trate a peça como um cilindro com diâmetro igual ao comprimento e proprie- dades iguais às da água líquida. 5S.13 Um longo bastão com 20 mm de diâmetro é fabricado em alumina (óxido de alumínio policristalino) e se encontra inicialmente a uma temperatura uniforme de 850 K. O bastão é subitamente exposto a um fluido a 350 K, com h 500 W/(m2 K). Estime as temperaturas no eixo central do bastão, em uma das extremidades expostas e a uma distância axial de 6 mm dessa extremidade, 30 s após o início da exposição do bastão ao fluido. 5S.14 Considere o cilindro de aço inoxidável do Exemplo 5S.1, que se encontra inicialmente a 600 K e subita- mente é imerso em um banho de óleo a 300 K com h 500 W/(m2 K). Elabore um programa para obter as soluções a seguir. (a) Calcule as temperaturas, T(r, x, t), após 3 min da imersão, no centro do cilindro, T(0, 0, 3 min), no centro de uma face circular, T(0, L, 3 min) e a meia altura da lateral, T(ro, 0, 3 min). Compare os seus resultados com aqueles do exemplo. (b) Calcule e represente graficamente os históricos de temperatura no centro do cilindro, T(0, 0, t) e a meia altura da lateral, T(ro, 0, t), para 0 t 10 min. Comente sobre os gradientes presentes nesses locais e quais efeitos eles podem ter nas transformações de fases e nos estresses térmicos. Sugestão: Na sua varredura do intervalo de tempo, inicie em 1 s em vez de zero. (c) Para 0 t 10 min, calcule e represente grafica- mente os históricos de temperatura no centro do cilindro, T(0, 0, t), para coeficientes convectivos de 500 W/(m2 K) e 1000 W/(m2 K). CD-18 Capítulo 5S.2 005S1inca.indd 18 10/24/07 9:42:11 AM
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