Enunciado

Um lado de uma placa vertical de 2 m de altura e 3   m de largura a 80 ° C deve ser resfriado fixando-se aletas de alumínio ( k = 237 W m ∙ K ) de perfil retangular em um ambiente a 35 ° C . As aletas têm 2   c m de comprimento, 0,3   c m de espessura e 0,4   c m de espaçamento. O coeficiente combinado de transferência de calor por convecção e por radiação entre as aletas e o ar em torno é estimado em 30 W m 2 ∙ K . Pressupondo uma transferência de calor permanente unidimensional ao longo da aleta e um espaçamento nodal de 0,5   c m , determine ( a ) a formulação de diferenças finitas desse problema, b as temperaturas nodais ao longo da aleta, resolvendo as equações, ( c ) a taxa de transferência de calor a partir de apenas uma aleta e ( d ) a taxa de transferência de calor de toda a superfície aletada da placa.

Passo 1

Muito bem! vamos primeiro pegar os dados do exercício, eu os separei aqui:

∆ x = 0,005   m ; k = 237 W m ∙ K ; T ∞ = 35 ° C ,   T 0 = 80 ° C ,   h = 30 W m 2 ∙ K  

Agora feito isso, precisamos encontrar a quantidade de nós a partir do nosso espaçamento nodal.

M = L ∆ x + 1 = 2   c m 0,5   c m + 1 = 5

A temperatura na base é o nosso próprio T 0 = 80 ° C . A representação do problema ficará assim...

Logo, aplicando a formulação de diferenças finitas, podemos expressar uma equação geral para os nós interiores 1, 2 e 3:

k A T m - 1 - T m ∆ x + k A T m + 1 - T m ∆ x + h p ∆ x T ∞ - T m = 0

Podemos simplifica-la, dividindo cada termo por k A ∆ x . Portanto nossa equação se torna:

T m - 1 - 2 T m + T m + 1 + h p ∆ x 2 k A T ∞ - T m = 0

Passo 2

Agora podemos ter uma equação para cada nó.

Para o N ó   1 :

T 0 - 2 T 1 + T 2 + h p ∆ x 2 k A T ∞ - T 1 = 0

Para o N ó   2 :

T 1 - 2 T 2 + T 3 + h p ∆ x 2 k A T ∞ - T 2 = 0

Para o N ó   3 :

T 2 - 2 T 3 + T 4 + h p ∆ x 2 k A T ∞ - T 3 = 0

Para o N ó   4 :

k A T 3 - T 4 ∆ x + h p ∆ x 2 + A T ∞ - T 4 = 0

Onde temos que...

A = 3   m 0,003   m = 0,009   m 2

p = 2 3 + 0,002   m = 6,006   m

Passo 3

Resolvendo as equações encontradas simultaneamente, chegamos nas temperaturas:

T 1 = 79,64 ° C

T 2 = 79,38 ° C

T 3 = 79,21 ° C

T 4 = 79,14 ° C

Passo 4

Para encontrarmos a taxa de transferência de calor de uma única aleta, precisamos apenas realizar o somatório do calor transferido de cada ponto nodal.

Para fazermos isso basta utilizarmos a equação abaixo:

Q ˙ a l e t a = ∑ m = 0 4 Q ˙ e l e m e n t o ,   m = ∑ m = 0 4 h A s u p e r f í c i e ,     m T m - T ∞

Q ˙ a l e t a = h p ∆ x 2 T 0 - T ∞ + h p ∆ x T 1 + T 2 + T 3 - 3 T ∞ + h p ∆ x 2 + A T 4 - T ∞

Q ˙ a l e t a = 172   W

Passo 5

Isso aí, agora que temos nossa taxa de transferência de calor para uma única aleta, precisamos encontrar o número de aletas para termos o valor total.

Pode ficar tranquilo, essa formula irá te ajudar...

N a l e t a s = A l t u r a   d a   p l a c a E x p e s s u r a   d a   a l e t a + E s p a ç a m e n t o   d a   a l e t a

N a l e t a s = 2   m 0,003 + 0,004   m = 286   a l e t a s

Passo 6

Certo!! Agora podemos calcular a taxa de transferência de calor total.

Q ˙ a l e t a ,   t o t a l = N a l e t a s Q ˙ a l e t a = 286 172   W = 49,192   W

Porém precisamos nos atentar a área exposta de transferência de calor que a área que está presente a cada espaçamento.

Q ˙ e x p o s t a = h A e x p o s t a T 0 - T ∞

Q ˙ e x p o s t a = 3 0 W m 2 ∙ K 286 × 3   m × 0,004 × m 80 - 35 ° C = 4633   W

Portanto...

Q ˙ t o t a l = Q ˙ a l e t a , t o t a l + Q ˙ e x p o s t a

Q ˙ t o t a l = 49,192 + 4633 = 53,8     k W

Resposta

Ei, a resposta está no passo a passo :)

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