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 madeira e 150 mm de concreto, com área de 12 m². As faces externas estão a 20 °C e 8 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.
L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 20 °CT3 = 8 °C
Q̇ = W
2.Condução de calorDifícil
Uma parede de 100 mm poliestireno expandido e 25 mm concreto separa um ambiente a 22 °C do ar externo a -10 °C. Os coeficientes de convecção são 8 W/(m²·K) por dentro e 20 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 10 m². Encontre a perda de calor Q̇ pela parede.
L1 = 100 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 10 m²hi = 8 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 contracorrente transfere 380 kW. O fluido quente esfria de 130 para 45 °C e o fluido frio aquece de 15 para 30 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 500 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.
Q̇ = 380 kWU = 500 W/(m²·K)Th: 130 → 45 °CTc: 15 → 30 °C
A = m²
4.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
Vapor condensa a 100 °C constantes por fora dos tubos de um condensador com área de troca térmica de 3 m² e U = 2000 W/(m²·K). Água de resfriamento (3 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nos tubos a 10 °C. Encontre a temperatura de saída da água Tc,out.
Ts = 100 °CA = 3 m²U = 2000 W/(m²·K)ṁ = 3 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °C
Tc,out = °C
3Soluções
1.Condução de calor
Resposta: Q̇ = 145,5 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)/(0,17·12) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(1,4·12) = 0,008929 K/W
Fluxo de calor
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 12/0,08246 = 145,5 W
Resposta
Q̇ = 145,5 W
2.Condução de calor
Resposta: Q̇ = 104,9 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/(8·10) = 0,0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,035·10) = 0,2857 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(1,4·10) = 0,001786 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·10) = 0,005 K/W
ΣR = 0,305 K/W
Perda de calor
Q̇ = (22 − (-10))/0,305 = 104,9 W
Resposta
Q̇ = 104,9 W
3.Trocadores de calor (LMTD)
Resposta: A = 13,07 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 − 30 = 100 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 15 = 30 K
Média logarítmica das diferenças de temperatura
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (100 − 30)/ln(100/30) = 58,14 K
Área
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 380000/(500·58,14) = 13,07 m²
Resposta
A = 13,07 m²
4.Trocadores de calor (LMTD)
Resposta: Tc,out = 44,22 °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.
Combine o balanço de energia e a equação de taxa
Com ΔT₁ = Ts − Tc,in e ΔT₂ = Ts − Tc,out, a diferença ΔT₁ − ΔT₂ é igual à elevação de temperatura da água, então a elevação se cancela.
ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 2000·3/(3·4180) = 0,4785
Temperatura de saída
ΔT₂ = ΔT₁·e−0,4785 = 90·0,6197 = 55,78 K
Tc,out = 100 − 55,78 = 44,22 °C
Resposta
Tc,out = 44,22 °C
Calor transferido: Q̇ = 429,2 kW.
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