Enunciado
FenTrans, MecFlu, TransCal e TransMassa - Incropera - Fundamentos de Transferência de Calor e Massa- Ed: 6º - Capítulo 5.Problemas - Ex. 129
O painel da porta de um carro é fabricado por um processo de extrusão a quente de plástico resultando em uma seção transversal com frisos mostrada no esquema. Depois de um processo envolvendo resfriamento com ar, pintura e secagem, o painel está pronto para a montagem no carro. Entretanto, com uma inspeção visual, a posição dos frisos está evidente pela superfície externa. Nas regiões sobre os frisos, a tinta tem uma aparência de casca de laranja, tornando o painel inaceitável para o uso. A razão aparente para esse defeito é o micro acabamento distinto causado por diferentes taxas de resfriamento na superfície do painel, as quais afetam a aderência da tinta. A sua tarefa é estimar a distribuição de temperaturas na superfície do painel como uma função do tempo de resfriamento.
Use uma rotina computacional com base em elementos finitos para obter a distribuição de temperaturas na seção simétrica mostrada no esquema. O painel é ejetado da prensa de extrusão a uma temperatura uniforme de 275°Ce é deixado esfriar sobre uma mesa de transporte, onde a temperatura do ar é de 25°C e o coeficiente convectivo é de 10 W/(m2 -K). As propriedades termo físicas do plástico extrudado são p = 1050 kg/m3 , c = 800 J/(kg'K) e k = 0,5 W/(m K).
(a) Represente os históricos de temperaturas em locais selecionados na superfície do painel. Há diferenças perceptíveis no resfriamento na região acima dos frisos? Se sim, qual é a causa?
(b) Represente os contornos das isotermas e observe esses contornos de temperatura na medida em que o painel esfria. Descreva as características observadas mais importantes do processo de resfriamento. Crie uma distribuição de temperaturas com 10 isotermas que ilustre algumas das características importantes mencionadas anteriormente. Como você projetaria novamente o painel com frisos para reduzir esse defeito induzido termicamente, lembrando da necessidade de manter a função de rigidez dada pelos frisos?
Passo 1
Fala aí galerinha? Tudo bem com vocês? Bora pra cima! O que sabemos das condições iniciais?
Painel de porta com seção transversal nervurada, inicialmente a uma temperatura uniforme de 275°C, é ejetado da prensa de extrusão a quente e sofre resfriamento por convecção com ar ambiente a 25°C e um coeficiente de convecção de 10 W/m2⋅K.
(a) Usando o comando ~Desenhar~, a forma do elemento simétrico do painel (região escurecida no esquemático) foi gerado e os elementos formados conforme mostrado abaixo. As linhas de simetria representam superfícies adiabáticas, enquanto as condições de contorno para as superfícies expostas da alma e da nervura são caracterizadas por (T∞, h).
Depois de executar o cálculo para o período de tempo de 0 a 400 s com um passo de tempo de 1 segundo, o gráfico temperatura x tempo para três locais foi obtido e o gráfico é mostrado abaixo.
Como esperado, a região diretamente sobre a nervura (0,0) resfriou mais lentamente, enquanto a porção extrema da trama (0,13 mm) esfriou mais rapidamente. As maiores diferenças de temperatura entre esses dois locais ocorrem durante o período de tempo de 50 a 150 s. A diferença máxima não excede 25°C.
Passo 2
(b) É possível que os gradientes de temperatura dentro das regiões das nervuras - em vez de apenas os diferenciais de temperatura da superfície superior - possam ser importantes para entender a resposta do painel ao resfriamento. Utilizando o comando Temperature Contours (com a opção From start to stop), vimos que a parte central da teia e o final da nervura esfriam rapidamente, mas que a região da linha central da nervura (0, 3-5 mm), foi a região mais quente. As isotermas correspondentes a t = 100 s são mostradas abaixo. Para esta condição, o diferencial de temperatura é de cerca de 21°C.
A partir de nossas análises, identificamos duas possibilidades a serem consideradas. Primeiro, há uma distribuição significativa da temperatura da superfície do painel durante o processo de resfriamento. Em segundo lugar, a teia e a parte estendida da nervura esfriam aproximadamente na mesma taxa e com apenas uma temperatura normal modesta. gradiente. A última região a esfriar é no local onde a nervura é mais grossa (0,3-5 mm). O grande o gradiente de temperatura ao longo da linha central em direção à superfície pode ser a causa de variações na microestrutura, o que pode influenciar a aderência da tinta. Uma consideração óbvia de redesenho é reduzir a espessura da nervura na junta da alma, reduzindo assim os gradientes de temperatura naquela região. Essa correção vem à custa de diminuir o espaçamento entre as nervuras.