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 50 mm de lã mineral e 50 mm de vidro, com área de 4 m². As faces externas estão a 16 °C e -5 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.
L1 = 50 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 16 °CT3 = -5 °C
Q̇ = W
2.Condução de calorDifícil
Uma parede de 100 mm lã mineral e 75 mm vidro separa um ambiente a 21 °C do ar externo a -5 °C. Os coeficientes de convecção são 10 W/(m²·K) por dentro e 25 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 4 m². Encontre o coeficiente global de transferência de calor U da parede.
L1 = 100 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 4 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -5 °C
U = W/(m²·K)
3.Trocadores de calor (LMTD)Média
Um trocador de calor em contracorrente transfere 490 kW. O fluido quente esfria de 130 para 45 °C e o fluido frio aquece de 10 para 90 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 1000 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.
Q̇ = 490 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 130 → 45 °CTc: 10 → 90 °C
A = m²
4.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
Em um trocador de calor em contracorrente as duas correntes têm a mesma taxa de capacidade térmica, ṁ·cp = 3 kW/K. A corrente quente entra a 175 °C e a corrente fria a 30 °C. O trocador tem A = 2 m² e U = 800 W/(m²·K). Encontre a temperatura de saída quente Th,out.
Ch = Cc = 3 kW/KTh,in = 175 °CTc,in = 30 °CA = 2 m²U = 800 W/(m²·K)
Th,out = °C
3Soluções
1.Condução de calor
Resposta: Q̇ = 64,51 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) = (50/1000)/(0,04·4) = 0,3125 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,96·4) = 0,01302 K/W
Fluxo de calor
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 21/0,3255 = 64,51 W
Resposta
Q̇ = 64,51 W
2.Condução de calor
Resposta: U = 0,3679 W/(m²·K)
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/(10·4) = 0,025 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,04·4) = 0,625 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,96·4) = 0,01953 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·4) = 0,01 K/W
ΣR = 0,6795 K/W
Coeficiente global
U = 1/(A·ΣR) = 1/(4·0,6795) = 0,3679 W/(m²·K)
Resposta
U = 0,3679 W/(m²·K)
3.Trocadores de calor (LMTD)
Resposta: A = 13,09 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 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 = 130 − 90 = 40 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 10 = 35 K
Média logarítmica das diferenças de temperatura
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (40 − 35)/ln(40/35) = 37,44 K
Área
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 490000/(1000·37,44) = 13,09 m²
Resposta
A = 13,09 m²
4.Trocadores de calor (LMTD)
Resposta: Th,out = 124,6 °C
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.
Diferença de temperatura constante
A saída fria fica em frente à entrada quente: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), então ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.
ΔTlm = Th,out − Tc,in
Balanço de energia igual à equação de taxa
3·(175 − Th,out) = 1,6·(Th,out − 30)
Th,out = (3·175 + 1,6·30)/(3 + 1,6) = 124,6 °C
Resposta
Th,out = 124,6 °C
Calor transferido: Q̇ = 151,3 kW; a corrente fria sai a 80,43 °C.
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