As paredes de refrigeradores domésticos são tipicamente constituídas de uma camada de isolante alocada entre dois painéis de folhas de metal. Considere a parede de um refrigerador feita com isolante de fibra de vidro (
e espessura
) entre dois painéis de aço (cada um com espessura
e
). Os coeficientes associados à convecção natural nas superfícies interna e externa da parede do refrigerador valem
. Com a parede separando ar refrigerado a
do ar ambiente a
, determine o ganho de calor por unidade de área superficial.
Passo 1
Beleza, vamos lá! A gente tem uma parede de refrigerador feita de dois painéis de aço com um isolante de fibra de vidro no meio. A gente quer descobrir quanto de calor está entrando no refrigerador por cada metro quadrado dessa parede. Para resolver isso, vamos precisar entender como o calor passa por diferentes camadas (condução e convecção) e usar algumas fórmulas de transferência de calor.
Passo 2
Primeiro, precisamos identificar todas as camadas pelas quais o calor vai passar. No nosso caso, temos:
- Convecção interna: o calor vai do ar quente externo para a superfície interna da parede.
- Condução pelo painel de aço interno.
- Condução pelo isolante de fibra de vidro.
- Condução pelo painel de aço externo.
- Convecção externa: o calor vai da superfície externa da parede para o ar frio dentro do refrigerador.
Cada uma dessas etapas oferece uma resistência à passagem do calor, então vamos calcular cada resistência individualmente.
Passo 3
Vamos calcular a resistência térmica para cada camada. A resistência térmica para condução é dada por:
Onde:
-
é a espessura da camada, -
é a condutividade térmica do material.
E para convecção, a resistência térmica é:
Onde:
-
é o coeficiente de convecção.
Passo 4
Calculando a resistência da convecção interna:
Passo 5
Calculando a resistência da condução pelo painel de aço interno:
Passo 6
Calculando a resistência da condução pelo isolante de fibra de vidro:
Passo 7
Calculando a resistência da condução pelo painel de aço externo:
Passo 8
Calculando a resistência da convecção externa:
Passo 9
Agora, somamos todas as resistências para obter a resistência total:
Passo 10
Para encontrar a taxa de transferência de calor por unidade de área, usamos a fórmula:
Onde
é a diferença de temperatura entre o interior e o exterior.
Então,
Resposta
O ganho de calor por unidade de área superficial é aproximadamente 14,13 W/m².
Exercícios relacionados
(a) Determine uma expressão simbólica para a resistência térmica total da parede, incluindo os efeitos da convecção nas superfícies interna e externa, para as condições especificadas.
(b) Determine a perda total de calor através da parede.
© Se o vento soprar violentamente, aumentando para 300
, determine o aumento percentual na perda de calor.
(d) Qual é a resistência dominante que determina a quantidade de calor que atravessa a parede?
(b) Determine a perda total de calor através da parede.
© Se o vento soprar violentamente, aumentando
(d) Qual é a resistência dominante que determina a quantidade de calor que atravessa a parede?
Calcule um ciclo Rankine simples que opere entre as pressões de 2 MPa e 100 kPa com temperatura de superaquecimento de
.
A percepção de arrepio (resfriamento pelo vento), vivenciada em dias frios com ventos, está relacionada ao aumento da troca de calor da pele humana exposta com o ambiente circundante. Consideremos uma camada de tecido adiposo
com
de espessura, onde a temperatura interna é mantida em
. Em um dia sem vento, o coeficiente de transferência de calor por convecção na superfície externa é de
, mas com ventos de
, esse coeficiente aumenta para
ambas as situações, a temperatura do ar ambiente é de -15
. Qual é a razão entre perdas de calor, por unidade de área de pele, em um dia calmo e em um dia de vento?
(a) Mostre o circuito térmico que representa a situação de transferência de calor em regime estacionário. Certifique-se de que sejam identificados todos os elementos, nós e taxas de transferência de calor. Deixe na forma simbólica.
(b) Suponha as seguintes condições:
e
. Calcule o fluxo térmico
que é necessário para manter a temperatura da superfície de fixacão a
.
(b) Suponha as seguintes condições: