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 100 mm de concreto e 50 mm de madeira, com área de 10 m². As faces externas estão a 22 °C e 8 °C. Encontre a temperatura Ti na interface entre as duas camadas.
L1 = 100 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 22 °CT3 = 8 °C
Ti = °C
2.Condução de calorDifícil
Uma parede de 200 mm vidro e 75 mm placa de gesso separa um ambiente a 22 °C do ar externo a 5 °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 12 m². Encontre a perda de calor Q̇ pela parede.
L1 = 200 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 5 °C
Q̇ = W
3.Trocadores de calor (LMTD)Média
Um trocador de calor em correntes paralelas transfere 70 kW. O fluido quente esfria de 170 para 95 °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 = 70 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 170 → 95 °CTc: 10 → 90 °C
A = m²
4.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
Em um trocador de calor de tubo duplo de correntes paralelas, óleo quente (0,5 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) escoa no tubo interno e esfria de 120 para 65 °C. Água (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) no espaço anular entra a 20 °C. O tubo interno tem diâmetro de 50 mm, e U = 150 W/(m²·K) se baseia nesse diâmetro. Encontre o comprimento de tubo L necessário.
ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 120 → 65 °Cṁc = 1,5 kg/sTc,in = 20 °CD = 50 mmU = 150 W/(m²·K)
L = m
3Soluções
1.Condução de calor
Resposta: Ti = 19,26 °C
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) = (100/1000)/(1,4·10) = 0,007143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·10) = 0,02941 K/W
Fluxo de calor
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 14/0,03655 = 383 W
Temperatura da interface
A temperatura cai Q̇·R₁ na primeira camada.
Ti = T1 − Q̇·R1 = 22 − 383·0,007143 = 19,26 °C
Resposta
Ti = 19,26 °C
2.Condução de calor
Resposta: Q̇ = 255,2 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/(10·12) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,96·12) = 0,01736 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·12) = 0,03676 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·12) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,06663 K/W
Perda de calor
Q̇ = (22 − (5))/0,06663 = 255,2 W
Resposta
Q̇ = 255,2 W
3.Trocadores de calor (LMTD)
Resposta: A = 1,565 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 = 170 − 10 = 160 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 95 − 90 = 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) = 70000/(1000·44,72) = 1,565 m²
Resposta
A = 1,565 m²
4.Trocadores de calor (LMTD)
Resposta: L = 47,67 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 = 0,5·2,5·(120 − 65) = 68,75 kW
Tc,out = 20 + 68,75/(1,5·4,18) = 30,96 °C
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 = 120 − 20 = 100 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 65 − 30,96 = 34,04 K
Média logarítmica das diferenças de temperatura
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (100 − 34,04)/ln(100/34,04) = 61,2 K
Área e comprimento
A = 68750/(150·61,2) = 7,489 m²
L = A/(πD) = 7,489/(π·0,05) = 47,67 m
Resposta
L = 47,67 m
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