Departamento de Engenharia Mecânica - PUC–Rio
Fenômenos de Transporte
EXERS DE TRANSMISSÃO DE CALOR
CONVECÇÃO NATURAL
Prof. Washington Braga
1. O vidro de uma lâmpada especial quebra-se quando a temperatura superficial
atinge a temperatura de 200º C. Considere uma lâmpada de oito cm de diâmetro,
em um ambiente que está a 25ºC. A emissividade do vidro pode ser considerada
como sendo 0,9. Considerando que 10% da energia passa através do vidro como
luz, com nenhuma absorção, determine a potência máxima desta lâmpada.
Responda considerando (a) que a temperatura de filme seja 25ºC e (b) que a
temperatura de filme seja 112ºC (média aritmética entre Ts e Tambiente). Resp.
a) q trocado = 62,4 W; b) 68,04 W
2. Um tubo horizontal de 10 metros de comprimento e 10 cm de diâmetro passa
por uma sala cuja temperatura ambiente (ar) é de 25ºC. Sua temperatura
superficial é de 80ºC. Determine o valor mínimo para a emissividade para que as
perdas de Radiação sejam mais importantes que as perdas por Convecção. Resp.
emissividade > 0,74. Q trocado = 1013,6 W (cada modo).
3. Um disco circular de 7,5 cm de diâmetro é colocado horizontalmente ao ar
parado a 26 °C. A temperatura da superfície do disco é uniforme a 90 °C.
Determine a taxa de troca de calor por Convecção Natural por cima e por baixo da
placa. Compare com os valores de Radiação, considerando o ambiente de
Radiação a 26 °C e que a emissividade da placa seja de 0,6. Resp.
4. Uma esfera de 2 cm de diâmetro, contendo sensores, é colocada numa sala
onde o ar está a 20 °C. A temperatura superficial destes sensores não pode
ultrapassar 80 °C. Determine a potência máxima que pode ser dissipada na esfera
considerando:
– Convecção Natural;
– a influência de uma corrente de ar vinda de um ventilador localizado
abaixo da esfera, escoando a 0,5 m/s.
Resp. a) Qrad = 0,58 W; Qconv = 0,85 W; b) Qcf = 1,4 W.
5. Considere um fio elétrico condutor de diâmetro d = 2 mm, coberto por uma
camisa de borracha de espessura t = 4 mm. Uma diferença de potencial elétrico,
ddp, impressa no fio, dissipa cerca de 200 watts/metro. Pede-se determinar a
temperatura da superfície do conjunto, sabendo-se que:
– o fio está colocado horizontalmente, ambiente está a 27°C;
– a emissividade superficial da borracha vale 1;
– o ar está essencialmente parado;
– as propriedades termodinâmicas devem ser determinadas a 80 °C.
Resp. T = 243ºC – 56% de dissipação por Radiação.
6. Uma barra cilíndrica longa (diâmetro 20 cm) e emissividade = 1, que está à
temperatura de 327 °C, é colocada no ar parado a 27 °C. Calcule as contribuições
da Convecção Natural e da Radiação Térmica para a troca total de energia,
supondo a barra na horizontal e depois na vertical. Resp. 1344 W
7. Resolva o 5º exercício resolvido (12 da presente lista), considerando agora que
o material da esfera seja aço inoxidável 304. Nu = 103,11; Resp. 817 segundos
8. Água escoa à taxa de 1 kg/s por dentro de uma tubulação horizontal de 2,5 cm
de diâmetro, feita em cobre e com 10 metros de comprimento. O tubo está
instalado em um ambiente que está a 10ºC. Se a temperatura da água na entrada
da tubulação for 90ºC, pede-se determinar a queda de temperatura da água.
Considere que a emissividade do tubo seja 0,8 e que a temperatura superficial do
tubo permaneça constante a 90ºC, ao longo do comprimento. Vale a pena isolar a
tubulação? Resp. Qcn = 396,4 W; Tsaída = 89,8ºC.
9. Uma tubulação horizontal, de comprimento 4 metros e de diâmetro externo igual
a 0,15 m, conduz fluido de aquecimento de forma que a temperatura superficial
externa permaneça a 95ºC. A tubulação passa por um trecho de 2 metros imersa
em água e nos outros dois metros, ela está no ar. Ambos fluidos estão a 20ºC. A
emissividade superficial do tubo é de 0,9. Pede-se determinar em qual trecho as
perdas térmicas são mais intensas. Resp. Nu = 330; Q = 100 kW.
10. Considere um recipiente cilíndrico de 4 metros de diâmetro que é utilizado
para o tratamento térmico de peças metálicas. No caso, pretende-se resfriar
tarugos cilíndricos de aço AISI 1010 de 2 metros de comprimento e 6 cm de
diâmetro que encontram-se, inicialmente a 80ºC. Vai-se utilizar água a 20ºC e o
processo termina quando a temperatura superficial dos tarugos atinge 30ºC.
Determine a altura mínima que deve se encher de água o recipiente, antes de se
colocar as peças, para que a temperatura da água não aumente em mais de 1ºC,
na situação na qual 500 tarugos são colocados simultaneamente. Resp. 107
segundos; H = 9 metros.
11. Deseja-se isolar um cabo elétrico de cobre, de 20 mm de raio, capaz de liberar
20 W⁄m, utilizando um material plástico de condutividade térmica igual a 0,10
W⁄m.K. Considerando a configuração horizontal, determine a espessura de
isolante necessária para que a temperatura da superfície externa do conjunto
cabo-isolante não ultrapasse 38ºC, sabendo-se que o ar ambiente está a 20ºC.
Determine ainda a temperatura da superfície externa do cabo.
Despreze os
efeitos da Radiação Térmica. Resp. Tsup = 59ºC.
12. Uma placa de cobre de lados 0,4 x 0,2 metros será utilizada como elemento
dissipador de um equipamento elétrico.
Por considerações de segurança, a
temperatura da placa não pode ultrapassar 80º C em um ambiente (ar) que está a
28ºC. Para que a energia dissipada seja a maior possível, pede-se determinar
se a placa deve ficar na horizontal ou na vertical. Nesta situação, determine se é
melhor colocar a placa com a sua maior dimensão alinhada com a vertical ou se é
mais conveniente que o alinhamento seja feito com a menor dimensão. Resp: