Em uma usina de potência, tubos de transporte de vapor superaquecido são muito comuns. Vapor superaquecido escoa a uma taxa de 0,3 kg / s dentro do tubo de 5 cm de diâmetro e 10 m de comprimento. O tubo está localizado em um atmosfera em 20^circ C e a superfície do tubo é uniforme de 100^circ C. Considerando que a queda de temperatura entre a entrada e a saída é 30^circ C e o calor específico do vapor é 2190 J / kg cdot K, determine o coeficiente de transferência de calor h convec como resultado da convecção entre a superfície do tubo e arredores.
l - dotQ=dotm c De
Figura 2: Esquema para resolução do exercícios-2

Passo 1

Então, vamos lá! O exercício fala sobre tubos que transportam vapor superaquecido em uma usina de potência. A gente precisa calcular o coeficiente de transferência de calor por convecção ( hconvec) entre a superfície do tubo e o ambiente. Para resolver isso, vamos usar conhecimentos de transferência de calor, especificamente a fórmula da convecção, e precisamos das informações sobre a taxa de fluxo de massa, temperaturas envolvidas, propriedades do vapor e dimensões do tubo.

Passo 2

Primeiro, vamos calcular a quantidade de calor ( dotQ) que está sendo transferida pelo vapor. Para isso, usamos a fórmula:
dotQ = dotm cdot c cdot De
Onde:
  • dotm é a taxa de fluxo de massa (0,3 kg/s)
  • c é o calor específico do vapor (2190 J/kg·K)
  • De é a variação de temperatura (30°C)
Vamos substituir os valores:
dotQ = 0,3 , kg/s times 2190 , J/kg·K times 30 , K
dotQ = 0,3 times 2190 times 30 = 19.710 , W
Então, a taxa de transferência de calor é 19.710 Watts.

Passo 3

Agora, precisamos calcular a área de superfície do tubo ( A) pela qual o calor está sendo transferido. A fórmula para a área lateral de um cilindro é:
A = pi cdot d cdot L
Onde:
  • d é o diâmetro do tubo (5 cm = 0,05 m)
  • L é o comprimento do tubo (10 m)
Substituindo os valores:
A = pi times 0,05 , m times 10 , m
A = pi times 0,5 = 1,5708 , m^2
Então, a área de superfície do tubo é aproximadamente 1,5708 metros quadrados.

Passo 4

Com a taxa de transferência de calor ( dotQ) e a área ( A) conhecidas, podemos usar a fórmula da convecção para encontrar o coeficiente de transferência de calor ( hconvec):
dotQ = hconvec cdot A cdot De
Queremos isolar hconvec, então rearranjamos a equação:
hconvec = dotQA cdot De
Substituindo os valores que já temos:
hconvec = 19.710 , W1,5708 , m^2 times 30 , K
hconvec = 19.71047,124 approx 0,418 , W/m^2cdotK

Resposta

O coeficiente de transferência de calor por convecção ( hconvec) é aproximadamente 0,418 , W/m^2cdotK.

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