Obtenha o coeficiente de transferência de calor por convecção para o escoamento de (a) ar e (b) água, escoando a uma velocidade de em um tubo com 8 cm de diâmetro e 7 m de comprimento quando o tubo é submetido a um fluxo de calor uniforme em toda sua superfície (estime as propriedades do fluido a ).
Respostas: (a) ; ; (b) .

Passo 1

Beleza, vamos resolver essa questão de transferência de calor por convecção! O que a gente precisa fazer é encontrar o coeficiente de transferência de calor para o fluxo de ar e água que estão passando em um tubo. Temos que considerar a velocidade do fluido, o diâmetro e o comprimento do tubo, além das propriedades do fluido a 25°C. Vamos usar conceitos de transferência de calor e mecânica dos fluidos para chegar na resposta.

Passo 2

Primeiro, precisamos identificar se o fluxo está laminar ou turbulento. Para isso, vamos calcular o número de Reynolds (Re). Esse número nos ajuda a entender o comportamento do fluxo e escolher a fórmula certa para calcular o coeficiente de transferência de calor.

Passo 3

Vamos calcular o número de Reynolds usando a fórmula:
Onde:
  • é a densidade do fluido,
  • é a velocidade do fluido,
  • é o diâmetro do tubo,
  • é a viscosidade dinâmica do fluido.

Passo 4

Precisamos das propriedades do ar e da água a 25°C. Vamos estimar:
  • Para o ar:
    • Densidade ( ): 1,184 kg/m³
    • Viscosidade ( ): Pa·s
    • Condutividade térmica ( ): 0,0262 W/(m·K)
    • Capacidade calorífica ( ): 1005 J/(kg·K)
  • Para a água:
    • Densidade ( ): 997 kg/m³
    • Viscosidade ( ): Pa·s
    • Condutividade térmica ( ): 0,606 W/(m·K)
    • Capacidade calorífica ( ): 4182 J/(kg·K)

Passo 5

Agora, vamos calcular o número de Reynolds para o ar e para a água:
  • Para o ar:
  • Para a água:
    á
Como ambos os números de Reynolds são maiores que 4000, o fluxo é turbulento.

Passo 6

Com o fluxo turbulento, usamos a equação de Dittus-Boelter para calcular o número de Nusselt (Nu):
Onde Pr é o número de Prandtl, calculado por:

Passo 7

Vamos calcular o número de Prandtl para ar e água:
  • Para o ar:
  • Para a água:
    á

Passo 8

Agora, calculamos o número de Nusselt:
  • Para o ar:
  • Para a água:
    á

Passo 9

Finalmente, calculamos o coeficiente de transferência de calor por convecção (h) usando:
  • Para o ar:
  • Para a água:
    á

Resposta

(a) ; (b) .

Exercícios relacionados

Um projeto fixou a velocidade para uma vazão , originando um diâmetro . Mantendo-se e duplicando-se , demonstre que o diâmetro terá que aumentar .

Resposta: ( é maior que o )

Etilenoglicol é bombeado através de uma tubulação de diâmetro D e comprimento L que atravessa um lago. A velocidade e a temperatura do fluido na entrada são V e , respectivamente. A temperatura da água do lago é e a temperatura média da superfície do tubo é . Determine a temperatura do fluido na saída da tubulação em .

Informações Adicionais:

  • .
  • Propriedades do etilenoglicol:
    e - Propriedades da água:
    g. , 56 e
  • Utilize a tabela 6.4 abaixo para a análise de convecção natural.
A um tubo de Venturi, com os pontos 1 e 2 na horizontal, liga-se um manômetro diferencial . Sendo litros e , calcular os diâmetros e do Venturi, desprezando-se as perdas de carga (hf ).
Resposta:
Uma usina a vapor operando em um ciclo ideal de Rankine produz uma potência de . As condições de entrada da turbina são e o condensador é mantido a . A água de resfriamento a entra nos tubos de parede fina de 20 mm de diâmetro do condensador de casco e tubos com um passe no casco e dois passes nos tubos. A água de resfriamento sai a 27 , a velocidade média da água nos tubos do condensador é de e o coeficiente de transferência de calor do lado do vapor é de .
Determine:
a) a eficiência térmica percentual do ciclo Rankine,
b) o número de tubos necessários no condensador,
c) a diferença de temperatura média logarítmica (LMTD) em ,
d) a efetividade do condensador,
e) o coeficiente global de transferência de calor do condensador em
f) o comprimento dos tubos do condensador em metros.
As propriedades termofísicas da água de resfriamento são: