Exercícios - Fundamentos Convecção e Escoamento Externo

Exercícios 1) Teórica: a) O que é convecção forçada? Como ela se difere da convecção natural? A convecção causada por ventos é forçada ou natural?  b) Qual o significado significado físico do número número de Nusselt? Nusselt? Como ele é definido definido c) Que propriedade do fluido é responsável pelo desenvolvimento da camada limite hidrodinâmica? Para que tipo de fluido não haverá nenhuma camada limite hidrodinâmica na placa plana. d) Qual o significado físico do número de Prandtl? O número de Prandtl depende do tipo de escoamento ou da geometria do sistema? Qual o significado físico do número de Reynolds. e) O que o coeficiente de atrito representa no escoamento sobre a placa plana? Como ele está relacionado com a força de arrasto que age na placa? f) Como a analogia de Reynolds é expressa? Qual é a sua importância? Quais as suas limitações? G) O que a analogia modificada de Reynolds expressa? Qual é sua importância? Quais as suas limitações? H) O que é arrasto? O que provoca? Por que habitualmente tentamos minimizá-lo? minimizá-lo? I) O que é sustentação? O que provoca? O cisalhamento na parede contribui para a sustentação? J) Em escoamento sobre corpos rombudos como um cilindro, de que forma o arrasto de pressão difere do arrasto de atrito? 2) Durante o resfriamento resfriamento de batatas ao ar, o coeficiente combinado de transferência de calor por convecção, convecção, radiação e evaporação é determinado experimentalmente, desta forma: Velocidade do ar (m/s)

0,66

1,00

1,36

1,73

Coeficiente de TC (W/m K)

14,0

19,1

20,2

24,4

Considere uma batata de 8 cm de diâmetro, inicialmente a 20 ºC, com condutividade térmica de 0,49 W/mK. As  batatas são resfriadas com ar refrigerado a 5 ºC, na velocidade de 1 m/s. Determine a taxa t axa inicial de transferência de calor a partir da batata e o valor inicial inicial do gradiente de temperatura em sua superfície. Calcule Calcule o o valor de Nusselt (Resp: 5,8 W, -585 ºC/m) 3) Considere o escoamento sobre a superfície com perfis de velocidade e de temperatura dados como: u(y) = C1(y+y2-y3) T(y) = C2  – exp(-2C2y) exp(-2C2y) Onde os coeficientes C1 e C2 são constantes. Determine Determine a expressão para o coeficiente de atrito (Cf) e o coeficiente de transferência de calor por convecção (h).

4) Ar atmosférico escoa paralelamente paralelamente (u  = 1 5m/s e T = 15 °C) à superfície plana de um aquecedor que deve ser mantida a uma temperatura de 140 ºC. A área superficial do aquecedor é de 0,25 m2, e sabe-se que o escoamento  produz uma força de arrasto sobre o aquecedor de 0,25N. Qual a potência elétrica necessária necessária para manter a temperatura superficial desejada? ( R: 2,66kW)

5) Exercício 7-13C  Livro Çengel Y.A.; Ghajar, A. J. Transferência de calor e massa: uma abordagem prática. 4ed., 2012. 6) Exercício 7-16  Livro Çengel Y.A.; Ghajar, A. J. Transferência de calor e massa: massa: uma abordagem prática. 4ed., 2012. 7) Exercício 7-19  Livro Çengel Y.A.; Ghajar, A. J. Transferência de calor e massa: massa: uma abordagem prática. 4ed., 2012.

8) Considere um caminhão de refrigeração viajando a 110km/h em um local onde a temperatura do ar é 25°C. O compartimento frigorífico do caminhão pode ser uma caixa retangular de 2,8m de largura, 2,1 m de altura e 6 m de comprimento. O sistema de refrigeração do caminhão pode fornecer 3 toneladas de refrigeração (ou seja, remoer o calor sobre uma taxa de 633kJ/min). A superfície externa do caminhão é revestida com material de baixa emissividade, e, assim, a transferência de calor de radiação é muito pequena. Determine a temperatura média da superfície externa do compartimento de refrigeração do caminhão se o sistema de refrigeração operar com a metade da capacidade. Suponha que o fluxo de ar sobre a superfície externa é turbulento e o coeficiente de transferência de calor nas superfícies dianteira e traseira é igual ao das s uperfícies laterais.

9) Uma tubulação circular, com diâmetro de 25mm, é colocada em meio a uma corrente de ar que se encontra a uma temperatura de 25ºC e a uma pressão de 1 atm. O ar se move em escoamento cruzado sobre uma tubulação com velocidade de 15m/s, enquanto a superfície externa da tubulação é mantida a 100ºC. Qual é a força de arrasto exercida na tubulação por unidade de comprimento? Qual a taxa de transferência de calor na tubulação por unidade de comprimento? 10) Um cilindro circular com 25mm de diâmetro, inicialmente a uma temperatura de 150ºC, é submetido a um resfriamento  brusco através da imersão em um banho de óleo que se encontra a 80ºC e que se move a uma velocidade de 2m/s na direção normal ao eixo do cilindro. Qual é a taxa inicial de perda de calor por unidade de comprimento do cilindro? Qual o tempo necessário para resfriar esse cilindro para a temperatura de 100ºC, considerando q ue L>>>raio. 11) Uma tubulação de vapor sem isolamento térmico é utilizada para transportar vapor a altas temperaturas de um prédio para outro. A tubulação possui 0,5m de diâmetro, apresenta uma temperatura superficial de 150ºC e está exposta ao ar ambiente a 10ºC. o ar move em escoamento transversal sobre a tubulação com uma velocidade de 5m/s. Qual é a perda de calor por unidade de comprimento do tubo? 12) Um fio de resistência elétrica de 3,5 m de comprimento e 1,5kW de potência é feito de 0,25 cm de diâmetro de aço inoxidável (k = 15W/m°C). O fio de resistência opera em um ambiente a 30°C. Determine a temperatura da superfície do fio se for resfriado  por um ventilador que sobra ar (sentido normal ao eixo axial) a uma velocidade de 6m/s. 13) Exercício 7-49 Livro Çengel Y.A.; Ghajar, A. J. Transferência de calor e massa: uma abordagem prática. 4ed.,

2012. 14) Exercício 7-50 Livro Çengel Y.A.; Ghajar, A. J. Transferência de calor e massa: uma abordagem prática. 4ed., 2012. 15) Exercício 7-70 Livro Çengel Y.A.; Ghajar, A. J. Transferência de calor e massa: uma abordagem prática. 4ed., 2012.