Enunciado

Uma janela de vidro duplo consiste em duas folhas de vidro separadas por uma lacuna de L = 0 , 0 2   m m de espessura. A lacuna é evacuada, eliminando a condução e a convecção através da lacuna. Pequenos pilares cilíndricos, cada um L = 0 , 0 2   m m de comprimento e D = 0,20   m m de diâmetro, são inseridos entre as folhas de vidro para garantir que o vidro não se quebre devido às tensões impostas pela diferença de pressão em cada folha de vidro. Uma resistência de contato de R t , c ″ = 2,0 × 10 - 6   m 2 ⋅ K / W existe entre o pilar e a folha. Para temperaturas nominais de vidro de T 1 = 20 ℃ e T 2 = - 10 ℃ , determine a taxa de transferência de calor de condução através de um pilar individual de aço inoxidável AISI 302.

Passo 1

Fala galera!!

Para resolver essa questão, podemos começar fazendo as seguintes suposições:

(1) Condições de estado estacionário.

(2) Propriedades constantes.

(3) Radiação insignificante.

(4) Condução bidimensional.

(5) O vidro se comporta como um meio semi-infinito.

Os dados fornecidos foram:

Condutividade térmica do isolante: k = 0 , 0 5   W / m ⋅ K

Espaçamento entre os vidros: L = 0 , 0 2   m m = 0,0 0 002   m

Comprimento do pilas cilíndrico: L = 0 , 0 2   m m = 0,00002   m

Diâmetro do pilas cilíndrico: D = 0 , 20   m m = 0,0002   m

Temperatura do vidro 1: T 1 = 2 0 ℃

Temperatura do vidro 1: T 2 = - 10 ℃

Resistência de contato entre o pilar e a folha: R t , c ″ = 2,0 × 10 - 6   m 2 ⋅ K / W

Propriedades;

Pela Tabela A.1 a T = 300   K .

Condutividade térmica do aço inoxidável AISI 302: k p = 15,1   W / m ⋅ K

Pela Tabela A.3 a T = 300   K .

Condutividade térmica da placa de vidro: k g = 1,4   W / m ⋅ K

Passo 2

Nessa questão, temos que a condução através do pilar resulta em uma depressão da temperatura do vidro adjacente ao pilar. Isso está associado a uma resistência à constrição dentro de cada folha de vidro. Portanto, a resistência total consiste na soma de duas resistências de constrição, duas resistências de contato e uma resistência de condução através do pilar. Podemos representar da seguinte maneira:

Passo 3

Para encontrar a resistência total, temos que calcular primeiro cada resistência. Usando o fator de forma para o Caso 10 da Tabela 4.1 (a), a resistências de constrição é:

R t , c o n s = 1 S k g = 1 2 D k g

Substituindo os termos da expressão pelos valões conhecido, temos:

R t , c o n s = 1 2 0,0002   m 1,4   W / m ⋅ K = 1785,71   K / W

A resistências de contato é:

R t , c = R t , c ″ A p = 4 R t , c ″ π D 2

Substituindo os termos da expressão pelos valões conhecido, temos:

R t , c = 4 2,0 × 10 - 6   m 2 ⋅ K / W π 0,0002   m 2 = 63,66   K / W  

A resistências por condução é:

R t , c o n d = L k p A p = 4 L k p π D 2

Substituindo os termos da expressão pelos valões conhecido, temos:

R t , c o n d = 4 0,0 0 002   m π 15,1   W / m ⋅ K 0,0002   m 2 = 42,16   K / W  

Portanto, a resistência total é

R t o t a l = R t , c o n s + R t , c + R t , c o n d + R t , c + R t , c o n s

R t o t a l = 2 R t , c o n s + R t , c + R t , c o n d

Substituindo, temos:

R t o t a l = 2 1785,71   K / W + 63,66   K / W + 42,16   K / W

R t o t a l = 3740,91   K / W

Passo 4

A taxa de transferência de calor de condução através de um pilar individual de aço inoxidável AISI 302pode ser dada pela seguinte expressão:

q = T 1 - T 2 R t o t a l

Substituindo os termos da expressão pelos valões conhecido, temos:

q = 20 ℃ - - 1 0 ℃ 3740,91   K / W

q = 0,00802   W

q = 8 , 02   m W

Portanto, a taxa de transferência de calor é 8,02   m W .

Resposta

q = 8,02   m W

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