Estime o coeficiente de transferência de calor por ebulição nucleada em vaso para a água em ebulição a pressão atmosférica em contato com aço inoxidável polido mecanicamente quando o excesso de temperatura for de
.
Passo 1
Então, vamos lá! O exercício pede para estimar o coeficiente de transferência de calor por ebulição nucleada em um vaso com água fervendo à pressão atmosférica, em contato com aço inoxidável polido, quando há um excesso de temperatura de
. Basicamente, estamos falando de transferência de calor em processos de ebulição, que faz parte da termodinâmica e transferência de calor. Para resolver isso, vamos precisar usar uma correlação empírica que nos ajude a calcular esse coeficiente com base nas propriedades da água e do material do recipiente.
Passo 2
Primeiro, vamos entender o que é o coeficiente de transferência de calor por ebulição nucleada. Esse coeficiente, geralmente representado por
, indica a eficiência com que o calor é transferido da superfície (no caso, o aço inoxidável) para o líquido (água) durante a ebulição. Na ebulição nucleada, essa transferência ocorre por meio da formação de bolhas na superfície aquecida.
Passo 3
Para calcular
, uma das correlações mais utilizadas é a Correlação de Kleinstreuer-Trunc. Ela relaciona
com várias propriedades físicas do líquido e da superfície. A fórmula simplificada é:
Onde:
-
e são constantes que dependem do líquido e da superfície. -
é a condutividade térmica do líquido. -
é a espessura da camada limite térmica. -
é o excesso de temperatura. -
é a tensão superficial.
Passo 4
Vamos agora identificar os valores das propriedades necessárias para a água à pressão atmosférica:
- Condutividade térmica da água (
): Aproximadamente 0,6 W/m·K. - Tensão superficial da água (
): Cerca de 0,058 N/m. - Excesso de temperatura (
): 15°C. - Constantes
e : Para a água em aço inoxidável polido, valores típicos são e .
Passo 5
Substituindo os valores na fórmula:
Agora, precisamos determinar a espessura da camada limite térmica (
). Uma aproximação comum é:
Onde:
-
é a difusividade térmica da água. -
é a frequência de formação de bolhas.
Assumindo
como 1e-4 m para simplificação.
Passo 6
Calculando:
Primeiro, calculamos a parte dentro do parênteses:
Então,
Agora, multiplicando todos os valores:
Resposta
O coeficiente de transferência de calor por ebulição nucleada é aproximadamente 4158 W/m²·K.