Slide - Aula 4 Transferência de Calor por Convecção Convecção Forçada 2020 1

Transferência de Calor IT 355 Prof. Paulo Jansen de Oliveira 2020-1 Aula 4 (11/09/2021) transferência de calor por convecção: convecção forçada UFRRJ Convecção forçada 2 Características • Camada limite se desenvolve livremente; • Desprezar potenciais de micro e nano escala, • Baixas velocidades; • Sem mudança de fase. Objetivo: • Determinar os coeficientes convectivo sem diferentes geometrias de escoamento. Incropera – 7º ed.  Convecção forçada: método empírico 3 Incropera – 7º ed. • C, m e n independem da natureza do fluido; • C, m e n, dependem da natureza da geometria e do tipo de escoamento. Convecção forçada: escamento sobre uma placa isotérmica 4 Solução da equação diferencial apresentada no incropera 7º edição capitulo 7 Convecção forçada –escoamento / placa plana 5 Escoamento laminar  Coeficiente de atrito Número de Nusselt Solução da equação diferencial apresentada no incropera 7º edição capitulo 7  Espessura da camada limite Escoamento turbulento  Coeficiente de atrito  Espessura da camada limite Número de Nusselt 6  Convecção forçada: método empírico: cilindro circular Correlação empírica: Hilpert ReD C m 0,4-4 0,89 0,330 4-40 0,911 0,385 40-4.000 0,683 0,466 4000-40.000 0,1963 0,618 40.000- 400.000 0,027 0,805 7  Convecção forçada: • Correlação empírica de Hilpert pode ser usada para seção transversal não circular 8  Convecção forçada: • Outras correlações ReD C m 1-40 0,75 0,4 40-1000 0,51 0,5 1000-2.105 0,26 0,60 2.105 – 106 0,076 0,7 9  Convecção forçada: • Outras correlações 10  Convecção forçada: • Outras correlações 11  Convecção forçada: • Tabela 7.7 incropera. continuação Exercícios 1) Considere os fluidos a seguir, cada um com a velocidade de 5 m/s e uma temperatura T∞ = 20ºC,Escoamento cruzado sobre um cilindro com 10 mm de diâmetro, mantido a 50ºC: ar atmosférico, água saturada. a) Calcule a taxa de transferência de calor por comprimento, q’, usando a correlação de Churchill e Bertein. b) Elabore um gráfico de q’ como função da velocidade do fluido para 0,5 << V << 10 m/s. 2) Um tubo vertical de cobre, com L=1m e de diâmetro interno D= 20 mm e espessura de parede de 2 mm, contém água liquida a 0ºC. Em um dia de inverno, ar com 3 m/s de velocidade a T∞ = −20ºC, flui em escoamento cruzado ao redor do tubo. a) Determine perda de calor por unidade de massa da água (W/Kg), quando o tubo está cheio de água; Exercícios 7.1 13 Ar a uma pressão de 6KN/m2 e uma temperatura de 300K, escoa sob uma velocidade de 10 m/s, sob uma placa de 0,5 m de comprimento. Determine a taxa de resfriamento por unidade de largura da placa, necessária para mantê-la com uma temperatura superficial de 27ºC. Considerações • Escoamento incompressível e regime estacionário; • Efeitos da radiação desprezíveis ºC Exercícios 7.1 14 Propriedades do ar • ν = 30,84.10-6 m2/s ; k = 36,4.10-3 W/(m.k), Pr = 0,687, ρ = 6.103N/m2 Lei do resfriamento de newton Pergunta: escoamento é laminar ou turbulento? escoamento laminar Exercícios 7.1 15 escoamento laminar Nusselt médio escoamento laminar: eq 7.30 – tabela 7,7 incropera (7º edição) logo Resposta Exercícios 16 1) Exemplo resolvido (Holman 5-7) Ar a 20oC e 1 atm escoa sobre uma placa plana a 35 m/s. A placa tem 75 cm de comprimento e é mantida a 60ºC. Calcule o fluxo de calor transferido da placa. 2) (incropera) Considere os fluidos a seguir a uma temperatura de do filme de 300K, em escoamento paralelo sobre uma placa plana com uma velocidade de 1m/s: ar atmosférico e óleo de motor. a) Determine a espessura da camada limite de velocidade e térmica a uma distância de 40 mm da aresta frontal. b) Calcule no numero de Nusselt médio e o fluxo de calor a 40 mm 3) (incropera) Considere água a 27ºC em escoamento paralelo sobre a placa isotérmica com 1 m de comprimento, a uma velocidade de 2m/s. a) Represente graficamente a variação do coeficiente de transferência local h(x) coma a distância ao longo da placa para três condições de escoamento: Re: (i) 5 x105 ; (ii) 3x105; (iii) 0 Exercícios 17 1) calcular a temperatura de superfície de uma aleta de resfriamento de 0,05m acoplada a um motor de uma motocicleta à 250ºC, viajando a 40 km/h. O ar ambiente está a 27ºC e a aleta está dissipando 60w de calor. Solução: 18 Convecção forçada: escoamento interno Características • Camada limite não desenvolve livremente; • Desprezar potenciais de micro e nano escala, • Baixas velocidades; • Sem mudança de fase. Objetivo: • Determinar os coeficientes convectivo e o fluxo de calor 19 Convecção forçada: escoamento interno 20 Convecção forçada: escoamento interno 21 Convecção forçada: escoamento interno (mec-flu) Xfd Laminar turbulento 22 Convecção forçada: escoamento interno (transf. calor) turbulento Xfdt Laminar TS = constante D = diâmetro 23 Convecção forçada: escoamento interno (transf. calor)  Objetivo determinar Q e h ?  Duas situações  (a) Fluxo de calor constante q”  (b) Temperatura da superfície constante (Ts)  (a) Fluxo de calor constante q” q” q” 24 Convecção forçada: escoamento interno (transf. calor)  (a) Fluxo de calor constante q” q” q” 25 Convecção forçada: escoamento interno (transf. calor)  (a) Fluxo de calor constante q” q” q” x Tm(x) Ts(x) L Tm(i) Tm(x) Xfdt 26 Convecção forçada: escoamento interno (transf. calor)  (b) Temperatura constante Ts dx” x L 27 Convecção forçada: escoamento interno (transf. calor)  (b) Temperatura constante Ts L Temperatura média logaritmica