Lista de Exercícios de Máquinas Térmicas A

Máquinas Térmicas A 1s2022 Prof Dr Vinícius G S Simionatto Página 1 de 3 PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE CAMPINAS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS AMBIENTAIS E DE TECNOLOGIA FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA Máquinas Térmicas A Lista de Exercícios 1 Data de Entrega Instruções Esta lista de exercícios é proposta para guiar os estudos da disciplina Recomendase que os alunos resolvam estes exercícios mas não se limitem a eles Não há nenhuma obrigação por parte do professor de utilizar exercícios similares aos da lista nas avaliações Condução Exercício 1 Considere uma condição de regime permanente para condução unidimensional em uma parede plana com condutividade térmica de k 50 WmK e espessura de L 035 m sem geração interna de calor Observando a tabela a seguir determine a taxa de transferência de calor por metro quadrado de parede e a variável que está faltando em cada linha da tabela Exercício 2 Considere uma parede compósita com altura total de H 20 mm espessura de L 30 mm e profundidade W 100 mm A seção A possui espessura de LA 10 mm e as seções B e C possuem altura de HB HC 10 mm e espessura de LB LC 20 mm Ambas as seções possuem a mesma profundidade W As temperaturas das faces esquerda e direita da parede são de T1 50C e T2 20C respectivamente Se as partes superior e inferior da parede estão termicamente isoladas bem como as laterais que não estão em contato com as temperaturas T1 e T2 determine a taxa de transmissão de calor por unidade de profundidade para os casos listados na tabela a seguir Caso kA WmK kB WmK kC WmK 1 1 2 3 2 2 3 1 3 3 1 2 Máquinas Térmicas A 1s2022 Prof Dr Vinícius G S Simionatto Página 2 de 3 Exercício 3 Considere uma parede compósita que seja composta de uma chapa de madeira de 8 mm de espessura Wood siding k 0094 WmK uma viga estrutural de mesmo material stud de 40 x 130 mm posicionado a cada 65 cm isolante de fibra de vidro insulation k 0046 WmK e uma camada de 12 mm de gesso wall board k 025 WmK Qual é a resistência térmica associada a uma parede de 25 m de altura 65 m de largura que possua 10 vigas estruturais de 25 m de altura cada Assuma que todas as superfícies normais à direção x são isotérmicas Condução e Convecção Exercício 4 Uma parede compósita é composta de um material isolante térmico de condutividade kiso 15 WmK instalada em forma de sanduíche entre duas chapas de aço inox de 1 mm de espessura com condutividade de kaço 15 WmK A parede separa dois fluidos de temperaturas T1 50C e T2 25C Determine a espessura do material isolante necessária para limitar o fluxo de calor pela parede a 60 Wm² para os casos mostrados na tabela a seguir Os coeficientes de troca de calor por convecção são h 5 Wm²K para convecção livre de gás h 50 Wm²K para convecção forçada de gás h 500 Wm²K para convecção forçada de líquido e h 5000 Wm²K para evaporação ou condensação Caso h1 Wm²K h2 Wm²K 1 Convecção livre de gás Convecção livre de gás 2 Convecção forçada de gás Convecção livre de gás 3 Convecção forçada de gás Convecção forçada de líquido 4 Condensação Evaporação Exercício 5 A parede compósita de um forno consiste de três materiais dos quais dois a condutividade térmica é conhecida kA 25 WmK e kC 60 WmK e o comprimento também é conhecido LA 40 cm e LC 20 cm O terceiro material B que fica entre os materiais A e C possui espessura de LB 20 cm mas condutividade térmica desconhecida Medições conduzidas em regime permanente revelam uma temperatura da superfície externa de 20C e uma temperatura da superfície interna de 600C sendo que a temperatura do ar dentro do forno é de 800C e o coeficiente de troca térmica por convecção dentro do forno é conhecido e igual a h 25 Wm²K Determine o valor de kB em WmK Máquinas Térmicas A 1s2022 Prof Dr Vinícius G S Simionatto Página 3 de 3 Exercício 6 Um jovem engenheiro busca através de experimentos calcular a condutividade k em WmK de uma parede compósita formada por duas placas de materiais diferentes Para isso ele realiza testes utilizando um forno que possui em uma de suas paredes uma janela aberta na qual ele pode instalar uma amostra do material Conhecendo as temperaturas interna e externa do forno e os respectivos coeficientes de troca de calor por convecção é possível calcular tal grandeza a Na primeira etapa do experimento ele instala uma placa quadrada de 05 m de lado e 100 mm de espessura feita do material A Ele mantém a temperatura interna do forno a 500 K e a externa a 300 K A temperatura da face da placa que está dentro do forno é de 4002 K e a da externa ao forno é de 3998 K Se o coeficiente de convecção dos dois lados da placa é dado por h 79 Wm²K calcule a condutividade k do material A b Na segunda etapa do experimento ele instala uma placa quadrada de 05 m de lado e 100 mm de espessura feita do material B Ele mantém a temperatura interna do forno a 500 K e a externa a 300 K A temperatura da face da placa que está dentro do forno é de 4019 K e a da externa ao forno é de 3981 K Se o coeficiente de convecção dos dois lados da placa é dado por h 79 Wm²K calcule a condutividade k do material B c Na terceira etapa do experimento ele monta uma chapa compósita feita das duas chapas utilizadas anteriormente Supondo o contato entre as duas chapas perfeito calcule potência de calor transmitida por esta parede se a temperatura interna do forno for mantida a 500 K e a externa a 300 K utilizando ainda h 79 Wm²K para ambas as superfícies d Fazendo a medição da terceira etapa ele mede a temperatura da superfície interna ao forno de 4024 K e a da externa de 3976 K mantendo sempre a temperatura interna ao forno a 500 K e a externa a 300 K com h 79 Wm²K para ambas as superfícies Ele obtém uma potência de transmissão de calor abaixo da esperada e sabe que isso vem do fato de o contato entre as placas não ser perfeito Calcule a resistência adicional fornecida pelo contato em mKW Coeficiente Global de Troca de Calor Exercício 7 O condensador de uma usina a vapor contém n 1000 tubos de cobre em paralelo kt 110 WmK cada um com diâmetro interno de 25 mm diâmetro externo de 28 mm e todos de mesmo comprimento A condensação de vapor na superfície externa dos tubos é caracterizada por um coeficiente de convecção de he 10000 Wm²K Com estes dados responda os itens a seguir a Se a água para o resfriamento é bombeada a partir de um grande reservatório para os tubos do condensador a uma taxa de 400 kgs qual é o coeficiente global de troca de calor U0 deste condensador utilizando como referência a área externa dos tubos As propriedades da água podem ser aproximadas por ρ 999 kgm³ µ 96x104 Pas k 06 WmK e Pr 66 b Se após um longo período de operação a incrustação interna criar uma resistência de Rf 104 m²KW qual será o novo valor de U0 c Se a água é extraída do lago a 15C e 10 kgs de vapor a 00622 bar são condensados qual é a temperatura correspondente da água que sai do condensador O calor específico da água é de 4180 JkgK e o calor de evaporação do vapor nestas condições é de 2414 kJkg Exercício 8 Tubos de alumínio k 235 WmK de parede de 05 mm de espessura e diâmetro de 10 mm são utilizados no condensador de um arcondicionado Sob condições normais de operação um coeficiente de troca de calor por convecção de hi 5000 Wm²K é associado à condensação que ocorre dentro dos tubos enquanto que um coeficiente he 100 Wm²K é mantido através de fluxo forçado no lado externo dos tubos a Sabendo que os tubos não possuem aletas calcule o coeficiente global de troca de calor deste condensador utilizando como referência a sua área externa em Wm²K b Após alguns anos de uso mediuse o coeficiente global de troca de calor deste condensador e foi obtido o valor de 70 Wm²K Sabendo que esta alteração de valor se deu devido a incrustação interna dos tubos calcule o valor do fator de incrustação em mm²KW OBS 1 mm²KW 106 m²KW