Enunciado
FenTrans, MecFlu, TransCal e TransMassa - Çengel - Transferência de Calor- Ed: 4º - Capítulo 4.Problemas - Ex. 21
Molas em um sistema de suspenção de automóveis são barras de aço aquecidas que, enquanto estão maleáveis, são enroladas em bobinas. Considere barras de aço com diâmetro de e comprimento de , aquecidas em formo com coeficiente uniforme de transferência de calor por convecção de . As barras foram aquecidas a partir de temperatura inicial de para temperetura desejada de antes de serem enroladas em bobinas. Determine a temperatura ambiente no forno se as barras de aço precisaram ser aquecidas para a temperatura desejada em minutos.
Passo 1
Dados fornecidos no enunciado:
Densidade da barra de aço é
Capacidade específica de calor é
Condutividade térmica é
Diâmetro da barra é
Comprimento da barra é
Coeficiente de transferência de calor é
Temperatura inicial é
Temperatura final é
Tempo de aquecimento é
Passo 2
Vamos começar calculando o número de Biot usando a seguinte relação:
Aqui, é o coeficiente de transferência de calor por convecção, é a condutividade térmica da barra de aço e é o comprimento característico da barra de aço.
Podemos calcular o comprimento característico da barra de aço usando a seguinte relação,
Aqui, é o volume da haste de aço, é a área da superfície da haste de aço, é o diâmetro da haste de aço e é o comprimento da haste de aço.
Substituindo na ralação do número de Biot, temos:
Substituindo por , por e por , temos:
A análise do sistema aglomerado pode ser feita, uma vez que o número de Biot é menor que .
Passo 3
Podemos calcular a temperatura ambiente do forno usando a equação para a análise do sistema aglomerado.
Onde
Podemos fazer umas mudanças nela da seguinte maneira:
Aqui, é o coeficiente de transferência de calor, é a densidade, é a capacidade específica de calor a pressão constante, é a temperatura inicial, é a temperatura final, é o diâmetro e é o tempo.
Substituindo por , por , por , por , por , por e por , temos:
Portanto, a temperatura ambiente do forno é .