Escoamento em Dutos Não-Circulares
Teoria
Introdução
Aqui estamos interessados em trabalhar com o escoamento em dutos cuja seção transversal pode variar de diversas formas.
Por exemplo, vamos resolver a seguinte situação:
Temos um duto de perfil triangular, com de lado e de comprimento, por onde escoa ar com vazão mássica e temperatura média de entrada iguais a, respectivamente e . A superfície do duto é mantida a .
O que queremos responder aqui é: admitindo escoamento plenamente desenvolvido ao longo de todo o duto, qual é a temperatura média de saída do ar?
Assim como fizemos no caso do duto circular, vamos ter que “chutar” uma temperatura de saída para determinarmos as propriedades do ar à temperatura de referência, dada por:
Nesse caso, como a temperatura de entrada e a superfície é mantida a uma temperatura , vamos chutar aqui uma temperatura de saída . Fazendo isso, teremos uma temperatura média igual a:
A essa temperatura, de acordo com a tabela A.4 do Incropera para as propriedades do ar, temos que:
Show de bola! Como temos temperatura superficial constante, a temperatura de saída será dada por:
Dessa equação, temos praticamente tudo, exceto o coeficiente convectivo , então vamos atrás desse cara.
As correlações para o número de Nusselt são divididas para escoamento laminar e escoamento turbulento. Então, antes, precisamos calcular o número de Reynolds.
Lá e de volta outra vez
Hora de bater aquele papo maroto sobre o número de Reynolds, dado por:
“Beleza! Mas se o duto é não-circular, que valor vamos utilizar para o diâmetro?!”
Nesse caso, nós vamos utilizar o diâmetro hidráulico , definido por:
Onde corresponde à área da seção transversal, e corresponde ao perímetro da seção transversal.
No nosso caso, vamos ter o seguinte:
Assim, o número de Reynolds será:
Show de bola, como número de Reynolds é menor que 2300, significa que o escoamento está no regime laminar.
Então estamos prontos pra olhar para as correlações para o número de Nusselt.
Correlações para Escoamento em Dutos Não-Circulares
Para o caso de escoamento laminar, o número de Nusselt é obtido a partir da tabela abaixo:
Agora, se o escoamento for turbulento, nós podemos utilizar as mesmas correlações que utilizamos para dutos circulares, se liga:
No nosso caso, como temos um escoamento laminar em um duto com seção transversal triangular, e com temperatura superficial constante, o número de Nusselt será:
Voltando ao nosso problema
Como já temos o número de Nusselt, o coeficiente convectivo será dado por:
Finalmente, a temperatura de saída será dada por:
Substituindo os valores, teremos:
Jogando isso tudo na calculadora, vamos encontrar que:
Nesse caso, a diferença entre a temperatura que encontramos e a que utilizamos no nosso “chute” lá no inicio é pequena, então não precisamos refazer o problema. :)
Vamos fixar isso melhor nos exercícios?! Responde Aí! ;)
Lá e de volta outra vez
Correlações para Escoamento em Dutos Não-Circulares
Voltando ao nosso problema
Exercícios Resolvidos
Exercício Resolvido #1
INCROPERA, F. P, DEWITT, D. P. Fundamentos de Transferência de Calor e Massa. 6ed.
Ar, a e , entra em um duto retangular que possui de comprimento e por de lado. Um fluxo térmico uniforme de é imposto na superfície do duto.
Qual é a temperatura do ar e da superfície do duto na sua saída?
Passo 1
Logo de cara, vamos chutar um valor para a temperatura de saída pra definirmos as propriedades do ar.
Como a temperatura de entrada é de , vamos chutar aqui uma temperatura de saída de para determinar as propriedades do ar.
Nesse caso:
De acordo com a tabela A.4, para as propriedades do ar a , temos:
Passo 2
Como há um fluxo térmico constante na superfície do duto, a temperatura do ar na saída será dada por:
Onde corresponde a toda área superficial do tubo, dada por:
Logo:
Passo 3
A superfície do duto na região de saída e o ar trocam calor por convecção, de forma que o fluxo térmico é justamente o dado pelo enunciado.
Logo, a temperatura superficial na saída do duto será dada por:
Show de bola! Então agora precisamos calcular o coeficiente convectivo.
Passo 4
Pra calcular o coeficiente convectivo, precisamos do número de Nusselt, já que:
Onde o diâmetro hidráulico será dado por:
O número de Reynolds é dado por:
Como estamos no regime laminar, o número de Nusselt é dado pelo valor da tabela na Teoria.
Para :
Dessa forma, o coeficiente convectivo será:
Passo 5
Finalmente, a temperatura superficial na saída do duto será:
Substituindo os valores:
Resposta
Exercício Resolvido #2
INCROPERA, F. P, DEWITT, D. P. Fundamentos de Transferência de Calor e Massa. 6ed.
(Adaptado) Ar a escoa com uma vazão de através de canais com de comprimento usados para resfriar um molde metálico de alta condutividade térmica. Suponha que o escoamento esteja fluidodinâmica e termicamente plenamente desenvolvido.
Considere o ar escoando em um canal segmentado em seis seções triangulares de lado . Determine o calor transferido para o ar, quando a temperatura do molde é de .
Passo 1
Como não temos a temperatura de saída e este é um problema com temperatura superficial constante, vamos precisar chutar uma temperatura de saída para definir as propriedades do fluido.
Como temos uma temperatura de entrada igual a e o molde está a uma temperatura de , vamos chutar uma temperatura de saída de , bem próximo da temperatura do molde.
Assim, a média das temperaturas de entrada e saída será:
De acordo com a tabela A.4 do Incropera, para o ar a esta temperatura, temos que:
Agora estamos prontos pra seguir em frente.
Passo 2
A taxa de transferência de calor será dada por:
Onde a temperatura de saída é dada por:
Pra calcular o coeficiente convectivo, vamos precisar do número de Nusselt:
Então vamos calculá-lo.
Passo 3
Para calcular o número de Nusselt, precisaremos do número de Reynolds, dado por:
Onde o diâmetro hidráulico é dado por:
Além disso, como estamos calculando o número de Reynolds em relação para um dos canais, precisamos dividir o fluxo mássico por 6. Dessa forma, o fluxo mássico através de cada canal será:
Substituindo os valores:
Opa! Estamos no regime laminar. Assim, pela tabela na teoria, considerando o caso de temperatura superficial constante, o número de Nusselt será:
Assim, o coeficiente convectivo será:
Passo 4
A temperatura média de saída do fluido será:
Substituindo os valores:
Passo 5
Finalmente, a taxa de transferência de calor será:
Resposta
Exercício Resolvido #3
INCROPERA, F. P, DEWITT, D. P. Fundamentos de Transferência de Calor e Massa. 6ed.
Ar, a e , entra em um duto retangular com de comprimento e seção transversal de por . O duto é mantido a uma temperatura superficial constante de e a vazão mássica do ar é de .
Determine a taxa de transferência de calor do duto para o ar e a temperatura de saída do ar.
Passo 1
Logo de cara, vamos precisar chutar a temperatura de saída do ar pra determinar as propriedades do ar. Como temos o ar entrando no duto a e temperatura superficial de , vamos chutar aqui uma temperatura de saída de .
De acordo com a tabela A.4 do Incropera, para o ar a essa temperatura, temos:
Vamos seguir em frente.
Passo 2
A taxa de transferência de calor será dada por:
Já a temperatura de saída é dada por:
Vamos precisar então do coeficiente convectivo!
Passo 3
Pra calcular o coeficiente convectivo, vamos precisar do número de Nusselt, se liga:
Para calcular o número de Nusselt, precisaremos do número de Reynolds, dado por:
Onde o diâmetro hidráulico é dado por:
Substituindo os valores:
Opa! Estamos no regime turbulento. Assim, pela tabela na teoria, podemos usar a seguinte relação:
Assim, o coeficiente convectivo será:
Passo 4
A temperatura média de saída do fluido será:
Substituindo os valores:
Passo 5
Finalmente, a taxa de transferência de calor será:
Resposta
Exercício Resolvido #4
INCROPERA, F. P, DEWITT, D. P. Fundamentos de Transferência de Calor e Massa. 6ed.
(Adaptado) Um fluido refrigerante escoa através de um canal retangular (galeria) no interior do corpo de um molde que é utilizado para produzir peças metálicas.
As dimensões da galeria são e , e a vazão volumétrica do fluido é de . A temperatura do refrigerante é de e a parede do molde encontra-se a uma temperatura aproximadamente uniforme de .
Para minimizar os problemas de corrosão no molde, que é uma peça de custo elevado, é comum se utilizar como fluido refrigerante o etilenoglicol, no lugar de água de processo. Compare os coeficientes convectivos da água e do etilenoglicol nesta aplicação.
Calcule o coeficiente convectivo para a água e para o etilenoglicol.
Passo 1
Para determinar as propriedades dos fluidos, vamos supor que a temperatura de saída do fluido seja igual à temperatura do molde. Dessa forma, a média da temperatura de entrada e saída será:
De acordo com a tabela A.6 do Incropera, para as propriedades da água, temos que:
E, de acordo com a tabela A.5 do Incropera, para as propriedades do etilenoglicol, temos que:
Passo 2
Vamos começar resolvendo o problema para a água.
Pra calcular o coeficiente convectivo, vamos precisar do número de Nusselt, se liga:
Para calcular o número de Nusselt, precisaremos do número de Reynolds, dado por:
Onde o diâmetro hidráulico é dado por:
Além disso, a velocidade média do fluido é dada por:
Substituindo os valores:
Opa! Estamos no regime turbulento. Assim, pela tabela na teoria, podemos usar a seguinte relação:
Assim, o coeficiente convectivo será:
Passo 3
Repetindo os cálculos para o etilenoglicol, temos que o número de Reynolds é dado por:
Opa! Como estamos novamente no regime turbulento, vamos utilizar a mesma correlação para o número de Nusselt.
Assim, o coeficiente convectivo será:
Resposta
Exercício Resolvido #5
INCROPERA, F. P, DEWITT, D. P. Fundamentos de Transferência de Calor e Massa. 6ed.
(Adaptado) Você foi requisitado para efetuar um estudo de viabilidade do projeto de um aquecedor de sangue para ser usado durante processos de transfusão de sangue. Esse trocador deve aquecer o sangue oriundo do banco de sangue de a ,a uma vazão de .
O sangue passa através de um tubo com seção transfusão retangular; por ; formado entre duas placas que são mantidas a uma temperatura constante de .
Calcule o comprimento de tubo necessário para atingir as condições de saída desejadas com a vazão especificada. Considere o escoamento plenamente desenvolvido e que o sangue possua as mesmas propriedades da água.
Dado: Considere a taxa de transferência de calor dada por , onde e corresponde à área lateral do tubo.
Passo 1
Logo de cara precisamos determinar as propriedades da água, para isso, usaremos a média das temperaturas de entrada e saída, dadas por:
De acordo com a tabela A.6 do Incropera, para as propriedades da água líquida, temos que:
Passo 2
Podemos encontrar o comprimento adequado para o tubo utilizando a expressão para a taxa de transferência de calor, dada por:
Onde , sendo o perímetro da seção transversal. Dessa forma:
Dessa equação, precisamos calcular o coeficiente convectivo, então vamos atrás dele.
Passo 3
Para encontrar o coeficiente convectivo, precisamos do número de Reynolds, dado por:
Onde o diâmetro hidráulico é dado por:
Além disso, a velocidade é dada por:
Onde:
Logo:
Finalmente, o número de Reynolds será:
Como o escoamento é laminar, considerando o mesmo totalmente desenvolvido, com temperatura superficial constante e razão , temos que o número de Nusselt será:
Assim, o coeficiente convectivo será:
Passo 4
Voltando à expressão de , temos:
Onde:
Finalmente:
Resposta
Exercício Resolvido #6
INCROPERA, F. P, DEWITT, D. P. Fundamentos de Transferência de Calor e Massa. 6ed.
(Adaptado) Um equipamento que recupera calor de produtos de combustão a altas temperaturas envolve a passagem do gás de combustão entre placas paralelas, que são mantidas, cada uma, a pelo escoamento de água sobre as respectivas superfícies externas.
A separação entre as placas é de e o escoamento do gás é plenamente desenvolvido. Pode ser considerado que as propriedades do gás são iguais às do ar atmosférico e as duas temperatura e velocidade médias são e , respectivamente.
Qual é o fluxo térmico na superfície das placas?
Passo 1
De acordo com a tabela A.4 do Incropera para o ar, as propriedades do gás são:
Passo 2
O fluxo térmico é dado por:
Dessa equação, precisamos ir atrás do coeficiente convectivo.
Passo 3
O coeficiente convectivo é dado por:
Para calcular o número de Nusselt, precisamos do número de Reynolds, dado por:
Onde, no caso de placas paralelas, o diâmetro hidráulico é dado por:
Onde é a separação entre as placas.
Dessa forma:
Nesse caso, o número de Nusselt é dado por:
Assim, o coeficiente convectivo será:
Passo 4
Finalmente, o fluxo térmico será: