Exercícios de Mecânica dos Fluidos e Transferência de Calor

UNIVERSIDADE TECNOLOGICA FEDERAL DO PARANAUTFPr DISCIPLINA Mecânica dos fluidos e transferência de massa e calor PROF Calil Abumanssur DATA 05052021 EXERCÍCIOS A SEREM RESOLVIDOS antes da Prova III Exercício 01 Condução As superfícies interna e externa de uma parede de tijolo de 4m x 7m com espessura de 30cm e condutividade térmica de 069 WmK são mantidas a temperaturas de 20C e a 5 C respectivamente Determinar a taxa de transferência de calor através da parede em W Resposta 966 W Exercício 02 Condução Desejase que o fluxo de calor através de um bloco de amianto k074 WmK seja de 5000 Wm2 para uma diferença de 200C entre as faces do bloco Qual deve ser a espessura do bloco Resposta 296cm Exercício 03 Condução Uma face de uma placa de cobre de 3cm de espessura é mantida a 400C e a outra face é mantida a 100C Qual o fluxo de calor através da placa sendo a condutividade térmica do cobre igual a 401 WmoK Resposta 401 MWm2 Exercício 04 Condução As superfícies interna e externa de uma janela de vidro de 2m x 2m com 05cm de espessura no inverno são de 10C e 3C respectivamente Se a condutividade térmica do vidro é 078 WmK determinar a perda de calor através do vidro ao longo de um período de 5 horas Qual seria a resposta se a espessura do vidro fosse 1cm Resposta 39312 MJ Exercício 05 Condução A parede norte de uma casa aquecida eletricamente tem 20 pés de comprimento 10 pés de altura e 1 pé de espessura sendo feita de tijolos cuja condutividade térmica é K042 BTUhpéF Em certa noite de inverno as temperaturas internas e externas da parede são verificadas com as temperaturas de 62F e 25F respectivamente por um período de 8 horas Determine a a taxa de perda de calor através da parede nessa noite b o custo da perda de calor para o proprietário da casa se o custo da eletricidade é de US 007kwh Respostas a 910865 W b US051 Exercício 06 Condução Um medidor de fluxo de calor colocado na superfície interior da porta de uma geladeira com 3cm de espessura indica um fluxo de calor de 25 Wm2 através da porta Além disso a temperatura das superfícies interna e externa da porta foram medidas a 7C e 15C respectivamente Determinar a condutividade térmica média da porta da geladeira Resposta 9375x103 WmK Exercício 07 Convecção Ar quente a 80C é soprado ao longo de uma superfície plana de 2m x 4m a 30C Se o coeficiente médio de transferência de calor por convecçãoé de 55 Wm2oC determinar a taxa de transferência de calor da ar para a placa em KW Resposta 22 Kw Exercício 08 Convecção Um tubo de água quente de 5cm de diâmetro externo 10m de comprimento a 80C está perdendo calor para o ar em torno de 5C por convecção natural com um coeficiente de transferência de calor 25 Wm2oC Determinar a taxa de perda de calor do tubo por convecção natural Resposta 2945 KW 0 Qcond KA ΔT L sendo k 069 28 205 03 A bh A 2f 28 cm2 L 30cm 03m K 069 Qcond 966 W 02 K 074 WmK Q 5000 Wm2 ΔT 200 L Q 5000 kΔt L 5000 074L200 L 00296m 296 cm 03 L 3cm 003m Q KΔT Q K400 C667373 K k K 40 WmK Q 400000 wm2 401 MWm 04 A 2m2 K 078 WmK 5 5h 01 Qcond KA ΔT L 069 28 205 03 966 w 02 K 074 WmK Q 5000 Wm2 ΔT 200 L L 0296 m 296 cm Q KΔT 5000 K074200 0296 03 L 3cm Q 401 WmK Q kΔt L Q 401 K 410100 003 Q 401 MWm2 04 A 22 cm2 L 5h K 078 WmK A 2m2 Q kΔT Q 867 67 39312MJ 05 A 201020 200m2 K 042 BTUhpéF Qcond kA ΔT L 06 K 04220025 Q 3308 BTUh 9103324 W 06 a 910867 W b 051 U 091999itampTkA Alo20400um² 9302731400 99i32000u Exercício 15 As superfícies internas de um grande edifício são mantidas a 20C enquanto a temperatura na superfície externa é de 0C As paredes medem 25cm de espessura e foram construídas com tijolos de condutividade térmica de 06 KcalhC assim a calcular a perda de calor por m² de superfície por hora b sabendose que a área total da superfície do edifício é de 1000m² e que o poder calorífico do GLP é de 11000 kcaIkg determinar a quantidade de GLP necessária a sair utilizada para manter a temperatura especificada por um período de 10 horas admitindose um rendimento do sistema de aquecimento em 50 15 9KAΔT K06 A025 906200 025 948 Kcalm²h litro A b A3000m² onde K 35000 9960000 Kcalh 50 QGLP8727kg total com alguma média das asperzas de 0001m Se as temperaturas da superfície das placas de aço foram respectivamente 36648 K e 69982 K determinar a taxa de fluxo de calor por área unitária Resposta qA 29334 Wm2 Exercício 23 de Convecção e Radiação em paralelo Um tubo com 050m de diâmetro e090 transportando vapor apresenta uma temperatura de 500 K O tubo está localizado em uma sala a temperatura de 300 K e o coeficiente de transferência de calor por convecção entre a superfície do tubo e ar da sala é de 20 Wm2K Calcule o coeficiente de transferência de calor combinada e a taxa de perda de calor por metro linear de tubo Resposta q10650 W Exercício 24 de Radiação combinada com Convecção e Condução Em uma indústria a vapor dágua saturada a 44 kgfcm2 e 255C coisa por um tubo de parede fina com diâmetro externo igual a 20cm A tubulação atravessa um amplo recinto de 10m de comprimento cujas paredes estão a mesma temperatura de 25C do ambiente Har5 kcalhm2C Desejase pintar a superfície externa do tubo de maneira que ao sair do recinto o vapor no interior do tubo se encontra apenas 5 de sua massa na condensada No almoçado da indústria dispõese de 3 tintas cujas emissividade são tinta AEA1 tinta BE086 tinta CE065 Sabendose que o calor latente de vaporização nessas condições é 404 kcalkg determinar a a tinta com a qual devemos pintar o tubo sabendose que a vazão de vapor é 552 kgh b a energia radiante por unidade de comprimento apôa a pintar c a vazão de vapor se utilizarmos a tinta A Respostas Parte a resolvese partindo da hipótese de que o tubo atravessa um grande recinto deste modo temos que F121 superfície 1 superfície 2 Calculandose que 5 da massa permanecendo vapor a quantidade de calor liberada na condensação na unidade de tempo é o produto da vazão mássica de vapor condensado pelo calor latente de vaporização assim q mφsAHr552009540421186 kcalh Este fluxo de calor é transferido para o ambiente por convecção e radiação O resultado aponta que deverá ser utilizado a tinta C Parte b qmad1392 kcalh Parte c m746 kgh 23 d050m qnodεAt T500 K e 300 K q 4688x108 3570950043004 λ20 Wm²K qnod3753 qnos370836 x 102 A2πr² A05² 24 a 1F12ε2aplhânicas 3ª superfície A2πro50628 m² 5 q m095hm556009509 q12336 kcalh qq qnod F2 qnodε2 q mα 3392 kcalh μ1095AhGAεTe4Tamb shAIcTamb μ10954118278 1828 62784 0338 222 275 kcalh 9 25 T93C e3666 K tf 25 cm 0025 m Tºa24C T 27C O α05 k5 kcalh m² C Exercício 28 Um recinto é dotado de uma janela envidraçada medindo 30m de comprimento e 15m de altura a espessura do vidro é de 50mm Nas faces interiores e exteriores as temperaturas do vidro são de 20 C e 5 C respectivamente Qual o calor conduzido através do vidro em uma hora R Q 6318 MJ Exercício 29 Através de uma placa de material isolante de 25 cm de espessura com condutividade térmica 03 WmC existe um fluxo de calor de 3 kWm² Calcule a diferença de temperatura entre as faces do isolante R ΔT 250 C Exercício 30 Uma placa de isolante térmico possui 100 cm² de seção transversal e 2 cm de espessura Sua condutividade térmica é de 2 x 104 calscmC Se a diferença de temperatura entre as faces é de 100C quantas calorias atravessas a placa por segundo Qual a taxa de transferência de calor em watts R Q 419 W Exercício 31 Existe uma taxa de transferência de calor de 3 kW através de um material de isolamento com uma área transversal de 10 m² de espessura de 25 cm Se a superfície mais quente está a uma temperatura de 415 C e a condutividade térmica do material isolante é de 02 WmK qual é a temperatura da superfície mais fria R 3775 C Exercício 32 O fluxo de calor através de uma lâmina de madeira de 50 mm de espessura cujas superfícies interna e externa se encontram a 40 C e 20 C respectivamente foi determinado como sendo de 40 Wm² Qual é a condutividade térmica deste madeira R λ 01 WmK Exercício 33 As temperaturas interna e externa em um vidro de janela de 5 mm de espessura são 24C e 38C respectivamente Qual a taxa de transferência de calor através de uma 1 m por 3 m A condutividade térmica do vidro é de 14 WmK R Q 81160 W A resistência térmica de uma seção de parede de tijolo comum 45 m² de área e 30 cm de espessura Qual a taxa de transferência de calor transferido através da parede quando esta está submetida a uma diferença de temperatura de 23 C R Rtij 00966 CW Q 23805 W Uma parede de concreto em um prédio comercial tem uma área superficial de 30 m² e espessura de 030 m No inverno o ambiente interno deve ser mantido a 35 C enquanto o externo encontrase a 15 C Qual é a perda de calor através da parede A condutividade do concreto é 1 WmK R Q 5 kW Qual a espessura necessária para uma parede de argamassa que tem uma condutividade térmica de 075 WmK se a taxa de transferência de calor deve ser 75 da taxa de transferência através de uma parede de material estrutural composto que tem uma condutividade térmica de 05 WmK e espessura de 010 m Considerar que ambas as paredes estão sujeitas à mesma diferença de temperatura R 04 m ou 094 m Exercício 39 Qual a espessura necessária para uma parede de argamassa que tem uma condutividade térmica de 075 WmK se a taxa de transferência de calor deve ser 75 da taxa de transferência através de uma parede de material estrutural composto que tem uma condutividade térmica de 025 WmK E uma R 04 m ou 40 cm Exercício 44 Um tubo de aço de 725 cm de diâmetro externo e coberto com 60 mm de amianto k0166 WmC e uma camada de 25 cm de fibra de vidro k 0048 WmC A temperatura da parede externa do tubo é 615 C e a temperatura externa do isolante é de 38C Calcule a temperatura da interface entre o amianto e a fibra de vidro R 2909 C Exercício 46 Um tubo de cobre de 381m de diâmetro externo e 4mm de espessura conduz vapor superaquecido de R12 a uma temperatura de 20 C aproximadamente e para alcançar o compressor tem temperatura para uma sala onde a temperatura ambiente é de 24 C O tubo percorre uma camada de 25 m dentro de sala onde o envoltório é um isolamento tubular formado por uma camada de 10 cm de espessura de lã de vidro k 0038 WmK envolve no poliestireno k 002 WmK de 30 mm de espessura Qual o ganho de calor total do refrigerador ao passar pela sala R 2176 W utilizando p cobre 52 Wm² Exercício 50 Uma sonda interplanetária esférica de diâmetro de 050m contém circuitos eletrônicos que dissipam 150W Se a superfície da sonda possui uma emissividade de 080 e não recebe radiação de outras fontes como por exemplo do Sol qual a sua temperatura superficial Resposta Tsup 25476 K 1826 C Exercício 51 Uma placa plana opaca isolada nas potas e na face inferior de área de 50 m² recebe ir cerca de 1300 W de energia de uma fonte incidência normal da placa Considerando que este regime é constante permanente nesta situação 100 W são absorvidos pelo material da placa 300 W são perdidos por convecção A temperatura da placa é de 500 K Determine a irradiação G poder emissivo ε e a радиация G0 Q 260 Wm² Radiosidade G0 R023 Wm² e ε004 Exercício 53 Um amplo retângulo de comprimento de 071 m e diâmetro extremo Considerando que a temperatura superficial do envoltório é 80 C Determinar a pintada com tinta branca absorvibilidade solar ε012 e condições ambientais α09 b cobrir a lacre preto liso α096 e α05 Res 395 C 1047 C Exercício 56 Calcular a temperatura de equilíbrio radiativo para placa plana exposta a um fluxo solar de 700 Wm² quando a temperatura do céu envolvente é considerada como 65 C Considerar não acabamentos superficiais a pintada com tinta branca absorvibilidade solar α012 condições ambientes α09 b cobrir a lacre preto liso α096 e α05 Res 395 C 1047 C Exercício 57 Para um fluxo de radiação solar de 1320 Wm² calcular a temperatura da superfície sobre uma nave assumindo equilíbrio térmico para um revestimento com absorvidade e radiação solar α010 e emissividade e temperaturas ambientes ε080 A temperatura equivalente do céu é 0 K Resp 5308 W