Condução de calor
- Lei de Fourier
- Q̇ = kAΔT/L
- Resistência de condução
- R = L/(kA)
- Resistência de convecção
- R = 1/(hA)
- Resistências em série
- Q̇ = ΔTtotal/ΣR
- Transmitância U
- U = 1/(ΣR·A)
Transferência de Calor: pacote de revisão
Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 4 exercícios, com soluções completas no final.
1Fórmulas e métodos
Trocadores de calor (LMTD)
- Carga térmica
- Q = U·A·ΔTlm
- Média logarítmica das diferenças de temperatura
- ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
- Balanço de uma corrente
- Q = ṁcp(Tin − Tout)
2Exercícios
1.Condução de calorMédia
Uma parede é feita de 150 mm de tijolo e 100 mm de madeira, com área de 20 m². As faces externas estão a 25 °C e 6 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.
L1 = 150 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 25 °CT3 = 6 °C
Q̇ = W
2.Condução de calorDifícil
Uma parede de 100 mm lã mineral e 50 mm madeira separa um ambiente a 22 °C do ar externo a -10 °C. Os coeficientes de convecção são 10 W/(m²·K) por dentro e 20 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 15 m². Encontre a perda de calor Q̇ pela parede.
L1 = 100 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 15 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -10 °C
Q̇ = W
3.Trocadores de calor (LMTD)Média
Um trocador de calor em correntes paralelas transfere 40 kW. O fluido quente esfria de 180 para 160 °C e o fluido frio aquece de 20 para 155 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 800 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.
Q̇ = 40 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 180 → 160 °CTc: 20 → 155 °C
A = m²
4.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
Em um trocador de calor de tubo duplo em contracorrente, óleo quente (0,2 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) escoa no tubo interno e esfria de 95 para 65 °C. Água (0,8 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) no espaço anular entra a 25 °C. O tubo interno tem diâmetro de 20 mm, e U = 250 W/(m²·K) se baseia nesse diâmetro. Encontre o comprimento de tubo L necessário.
ṁh = 0,2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 95 → 65 °Cṁc = 0,8 kg/sTc,in = 25 °CD = 20 mmU = 250 W/(m²·K)
L = m
3Soluções
1.Condução de calor
Resposta: Q̇ = 477 W
Resistência térmica: o fluxo de calor permanente através de camadas em série se comporta como corrente em resistores em série: Q̇ = ΔT/ΣR, com R = L/(kA) para uma camada condutora e R = 1/(hA) para uma superfície com convecção. A queda de temperatura em cada camada é proporcional à sua resistência.
Resistências das camadas
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,72·20) = 0,01042 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·20) = 0,02941 K/W
Fluxo de calor
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 19/0,03983 = 477 W
Resposta
Q̇ = 477 W
2.Condução de calor
Resposta: Q̇ = 163 W
Resistência térmica: o fluxo de calor permanente através de camadas em série se comporta como corrente em resistores em série: Q̇ = ΔT/ΣR, com R = L/(kA) para uma camada condutora e R = 1/(hA) para uma superfície com convecção. A queda de temperatura em cada camada é proporcional à sua resistência.
Resistências em série
Ri = 1/(hiA) = 1/(10·15) = 0,006667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,04·15) = 0,1667 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·15) = 0,01961 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·15) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,1963 K/W
Perda de calor
Q̇ = (22 − (-10))/0,1963 = 163 W
Resposta
Q̇ = 163 W
3.Trocadores de calor (LMTD)
Resposta: A = 1,118 m²
Método da LMTD: a diferença de temperatura entre as correntes muda ao longo do trocador, então a equação de taxa usa sua média logarítmica: Q̇ = U·A·ΔTlm, com ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), onde ΔT₁ e ΔT₂ são as diferenças nas duas extremidades. Para as mesmas temperaturas de entrada e saída, a contracorrente dá um ΔTlm maior que correntes paralelas.
Diferenças de temperatura nas extremidades
Em correntes paralelas as duas entradas ficam na mesma extremidade, e as duas saídas na outra.
ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 180 − 20 = 160 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 160 − 155 = 5 K
Média logarítmica das diferenças de temperatura
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (160 − 5)/ln(160/5) = 44,72 K
Área
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 40000/(800·44,72) = 1,118 m²
Resposta
A = 1,118 m²
4.Trocadores de calor (LMTD)
Resposta: L = 15,42 m
LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.
Carga térmica e temperatura de saída da água
Q̇ = 0,2·2,1·(95 − 65) = 12,6 kW
Tc,out = 25 + 12,6/(0,8·4,18) = 28,77 °C
Diferenças de temperatura nas extremidades
Em contracorrente a entrada quente fica de frente para a saída fria, e a saída quente de frente para a entrada fria.
ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 95 − 28,77 = 66,23 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 25 = 40 K
Média logarítmica das diferenças de temperatura
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (66,23 − 40)/ln(66,23/40) = 52,02 K
Área e comprimento
A = 12600/(250·52,02) = 0,9689 m²
L = A/(πD) = 0,9689/(π·0,02) = 15,42 m
Resposta
L = 15,42 m
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