Enunciado
FenTrans, MecFlu, TransCal e TransMassa - Çengel - Transferência de Calor- Ed: 4º - Capítulo 4.Problemas - Ex. 36
Um tarugo de madeira cilíndrico tem de diâmetro e está inicialmente na temperatura uniforme de . É exposto a gases quentes a na lareira com coeficiente de transferência de calor na superfície de . Considerando que a temperatura de ignição da madeira é , determine quanto tempo demora antes que o tarugo inflame.
Passo 1
A primeira coisa a se fazer é calcular o número de Biot, assim podemos verificar se é possível usar a analise de sistema aglomera. O número de Biot pode ser calculado da seguinte maneira:
Aqui, é o coeficiente de transferência de calor em ambos os lados do tronco, é a condutividade térmica do tronco de madeira e é o raio do tronco de madeira cilíndrico. Substituindo pelos dados fornecidos no enunciado temos:
Como o número de Biot é maior que , a análise do sistema aglomerado não é aplicável.
Passo 2
Vamos então resolver o problema usando a solução de termo único. Com o numero de Biot encontrado, podemos obter os coeficientes e correspondentes ao número de Biot , na tabela 4-2 “coeficiente usado para aproximação dimensional da condução de calor transiente e unidimensional em cilindro”. Assim temos:
Também precisamos encontrar o valor de . Para isso, usamos a tabela 4-3 "As funções zeroth e Bessel de primeira ordem do primeiro tipo". Em que:
Se olharmos para a tabela, vamos perceber que precisamos fazer uma interpolação para encontrar . Assim temos:
Passo 3
Com os dados encontrados acima, podemos então usar a solução para condução transiente unidimensional em um cilindro de raio submetido à condução em todas as superfícies. Temos que a equação é a seguinte:
Aqui é a temperatura dos gases quentes, é a temperatura do tronco de madeira e é a temperatura de ignição da madeira. Substituindo os valores fornecidos no enunciado e os encontrados nos passos anteriores, temos:
Passo 4
Podemos agora calcular o tempo necessário para que o tarugo entre em combustão usando o número de Fourier.
Aqui é a difusividade térmica. Substituindo os valores fornecidos e os encontrados nos passos anteriores, temos:
Portanto, o tempo necessário para que o tarugo inflame é .