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ID
2776492
Banca
FGV
Órgão
COMPESA
Ano
2016
Provas
Disciplina
Engenharia Mecânica
Assuntos

Uma tubulação industrial de aço inoxidável possui 40 mm de diâmetro interno e 5 mm de espessura de parede. Essa tubulação transporta um fluido a 200°C e um fluido externo a uma temperatura de 115°C.

Sabendo que o coeficiente de condução térmica do material isolante é igual a 0,2 W/m°C e o coeficiente de convecção na parede externa é de 4,0 W/m2 °C, a máxima transferência de calor entre o tubo e o meio externo é igual a, aproximadamente,

Dados de apoio: ln(2) ≈ 0.7; π ≈ 3

Alternativas
Comentários
  • Tubo de aço inoxidável:

    ri = 20mm

    ro = 25mm


    Raio crítico:

    rc=k/h= 0,2/4 = 50mm


    Resistência térmica do tubo de isolamento:

    Rti= ln(rc/ro)/2πkL = ln(50/25)/(2(3)(0,2)L) = 7/12L


    Resistência térmica de convecção:

    As= 2π(rc)L

    Rconv = 1/hAs = 5/6L


    Resistência Total:

    Rtot = Rti + Rconv = 17/12L


    Transferência de Calor:

    Q = (T1-T2)/Rtot = (200-115)/(17/12L) = 85(12L)/17

    Q/L = 60W/m


    (Como a espessura do tubo de aço inoxidável é de 5 mm, a temperatura do fluido no interior, foi consisderada igual a temperatura externa do tubo, no raio de 25mm)

  • Por que precisamos considerar raio crítico?


    Obrigada!

  • Por que precisamos considerar raio crítico?


    Obrigada!

  • O raio crítico é necessário quando as espessuras dos tubos são muito pequenas, tanto é que ele tem maior relevância na análise de fios elétricos.

    No livro de Transferência de Calor do Çengel, é calculado um valor máximo para o raio crítico, que é de 1 cm, a partir desse valor não é necessário se preocupar com o raio do isolamento. No caso dessa questão, o valor do raio crítico é de 50 mm, então ele deve ser considerado.

  • Karina Oliveira, Nesse caso usa-se o "Rcr" pois é onde apresenta a máxima Transferência de Calor.

  • Quando o R.externo do tubo for menor que o R.cr a aplicação de isolamento aumentará a troca de calor até que o dois se igualem (espessura de máxima troca de calor), só depois, com aumento da espessura do isolamento, a troca de calor volta a diminuir (a troca de calor, ainda sim, pode ser maior do que se não houvesse isolamento)

    Quando o R.externo do tubo for maior que o R.cr a aplicação de isolamento já diminuirá a troca de calor desde as menores espessuras. ( a espessura de isolamento será determinada dentre ouros fatores pelo fator econômico, valor do isolamento VS economia de energia)

  • Montei todas as expressões mas Fiquei preso porque não foi dado o coeficiente de condução térmica do aço inoxidável.Alguém poderia postar a solução?

  • q = DeltaT / Rt

    Rt = Rconv + Riso

    Rconv = 1 / h.Ac

    Ac = 2pi x rc x L

    rc = k / h

    Riso = ln (rc/re) / (2pi x k x L)

  • Caro, @Maze Runner,

    O coeficiente do aço inoxidável é de 17 W/m (google). Porém, é uma informação desnecessária e fazemos uso da hipótese bem colocada pelo @Arleilson Cavalcante.

    Se você calcular a resistência térmica do tubo de inox, verá que é muto pequena e pode ser desprezada:

    k_inox = 17 W/m

    Rinox = ln(re/ri)/(2*k_inox*pi) = 0,002188

    Enquanto Risolante = 0,5776.

    Bons estudos!

  • Arleilson, parabéns pela solução. Ficou completa.

    Faço uma ressalva quanto ao comentário:

    "No livro de Transferência de Calor do Çengel, é calculado um valor máximo para o raio crítico, que é de 1 cm, a partir desse valor não é necessário se preocupar com o raio do isolamento. No caso dessa questão, o valor do raio crítico é de 50 mm, então ele deve ser considerado."

    A sua afirmação ficou contraditória, não? Você afirma que se o Rc > 1 cm (10 mm), ele não deve ser considerado. Mas na questão se trata de um Rc de 50 mm e por ser Rc > 1 cm (10 mm), ele não deveria ser desconsiderado?

    Conclusão: no âmbito teórico, deve-se sempre calcular o Rc para tirar conclusões. Ele é a espessura que garante a máxima transferência de calor considerando.

    Definição: A espessura até a qual o fluxo de calor aumenta e após o qual o fluxo de calor diminui é denominada espessura crítica . No caso de cilindros e esferas, é chamado raio crítico . Pode-se derivar que o raio crítico do isolamento depende da condutividade térmica do isolamento k e do coeficiente de transferência de calor por convecção externa h.

  • Questão mal elaborada, esses casos onde se usa o raio crítico como resolução é para situações onde existe um elemento isolante na parte externa do tubo, assim se tem que até atingir o raio crítico esse isolamento aumenta a transferência de calor, chega no máximo e depois reduz a transferência de calor quando seu valor é superior ao raio crítico.