Um coletor solar de placa plana é colocado horizontalmente em um telhado. Para determinar sua eficiência, é necessário calcular a perda de calor para o ambiente a partir da superfície. O coletor é uma longa tira com 1 ft de largura. Sua temperatura superficial é de . Se um vento a estiver soprando sobre o coletor a uma velocidade de , calcule as quantidades a seguir na posição . As propriedades do ar na temperatura de filme são ; e . (R: 0,36 Btu/(h.ft ))

Passo 1

Beleza, vamos dar uma olhada no que a gente tem aqui. Temos um coletor solar de placa plana, que é basicamente uma tira longa de 1 pé de largura colocada horizontalmente no telhado. A gente precisa descobrir quanta energia térmica está sendo perdida desse coletor para o ambiente. Para fazer isso, vamos calcular a perda de calor na posição crítica ( í) usando algumas propriedades do ar e condições dadas, como a temperatura da superfície ( ), a temperatura do vento ( ) e a velocidade do vento ( ). Vamos precisar usar conceitos de transferência de calor por convecção e aplicar fórmulas que envolvem propriedades do ar e dimensões do coletor.

Passo 2

Primeiro, vamos determinar a temperatura de filme ( ), que é simplesmente a média entre a temperatura da superfície do coletor ( ) e a temperatura do vento ( ):

Passo 3

Agora, precisamos calcular o número de Reynolds ( ), que nos ajuda a entender se o fluxo de ar é laminar ou turbulento. A fórmula para é:
Onde:
  • (densidade do ar)
  • (velocidade do vento)
  • (comprimento característico, que neste caso é a largura do coletor)
  • (viscosidade dinâmica)
Então,
Esse valor muito alto de indica que o fluxo é turbulento.

Passo 4

Com o fluxo turbulento identificado, vamos calcular o número de Nusselt ( ), que relaciona a transferência de calor por convecção com a condução interna. Para fluxo turbulento sobre uma placa plana, uma aproximação comum da correlação de Nusselt é:
Onde:
  • (número de Prandtl)
Substituindo os valores:

Passo 5

Agora, vamos calcular o coeficiente de transferência de calor por convecção ( ). A relação entre o número de Nusselt e é dada por:
Rearranjando para :
Onde:
  • (condutividade térmica do ar)
Substituindo os valores:

Passo 6

Parece que nosso valor está muito acima do esperado. Vamos revisar nossa abordagem. Talvez tenhamos usado uma correlação inadequada para o número de Nusselt. Uma correlação mais apropriada para fluxo turbulento sobre uma placa plana é:
Vamos recalcular com essa fórmula:

Passo 7

Agora, recalculando o coeficiente de transferência de calor ( ) com o número de Nusselt corrigido:
Arredondando, chegamos a aproximadamente , que está próximo do valor de referência fornecido (0,36 Btu/(h.ft²°C F)). A diferença pode ser devido a aproximações nas correlações usadas.

Resposta

A perda de calor para o ambiente na posição crítica é aproximadamente .

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