UNIVERSIDADE EDUARDO MONDLANE FACULDADE DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE MECÂNICA Instalações Térmicas 2º Teste 120 minutos 11 de Outubro de 2013

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1 º Teste 10 minutos 11 de Outubro de 013 Pergunta 1 (1,5 valores) Como é movida a carga nos fornos de impulso? A carga forma uma camada continua de material que é depositada numa fornalha refractaria ou sobre uma serie de calços. A camada é movida gradualmente ao longo do forno por meio de um cabeçote até à carga final do forno. Aula 10 Slide 3 Pergunta (1,5 valores) Que matérias e porque são geralmente processados em fornos transportadores? Uma distorção excessiva do sistema do transportador pode surgir devido a elevadas cargas e temperatura, por isso, estes fornos são geralmente usados para o processamento de componentes leves a baixas temperaturas. Assim, por exemplo, ligas de aço, correias de malha estão limitados a operar a temperaturas abaixo de 800ºC e são frequentemente usados em fornos de vidro e fornos para tratamento a quente de pequenas componentes metálicas. Aula 10-Slide 6 Pergunta 3 (1,5 valores) Quais as características dos fornos de fusão e dos fornos de aquecimento? Uma característica dos fornos de fusão é dos materiais processados neles alterarem o seu estado de agregação. Os fornos de aquecimento são empregues para aquecer materiais para calcinação ou para secagem como também para aumentar a plasticidade dos metais antes do seu funcionamento. Aula 1 Slide Pergunta (1,5 valores) Qual a diferença entre os problemas interno e externo que acontecem nos fornos? No problema externo, a transferência de calor ocorre principalmente devido à radiação e a convecção enquanto no problema interno, a transferência de calor ocorre predominantemente pela condução, apesar de em líquidos aquecidos, a transferência de calor convectiva também possa ser possível. Aula 1- Slide 5 º Teste de Página 1 de 9

2 Pergunta 5 (1,5 valores) Como se determina o ponto de fusão de um refractario? O ponto de fusão de um refractário determina-se pela temperatura a que uma pirâmide de teste (cone) não suporta mais o seu peso próprio. Aula 13-Slide 10 Pergunta 6 (5,0 valores) Determinar a altura da chaminé fabricada de aço com revestimento interno de um forno que queima um combustível líquido com a seguinte composição, dada em massa de trabalho: Carbono 58,5%, Hidrogénio,5%, Oxigénio 17,1%, Enxofre 1,8 %, com o excesso de ar de 5% e que produz 7,990 m3/kgcomb de gases de escape. A conduta que leva os gases à chaminé tem uma curva de 90º de raio longo e uma válvula de retenção, para não permitir o retorno dos gases ao forno. As perdas de pressão ao longo da conduta, sem tomar em conta as localizadas são de 16, Pa. O consumo de combustível é de 0,773 kg/s e são os seguintes os dados restantes: Velocidade dos gases na conduta 7 m/s Velocidade dos gases na da chaminé m/s Temperatura na da chaminé 00 ºC Densidade do gás 1,30 kg/m 3 Densidade do ar 1,9 kg/m 3 Pressão dos gases 1, Pa Coeficiente de viscosidade cinemática 0,00007 m /s Rugosidade relativa 0,01 Coeficiente de resistência da chaminé 1,06 Temperatura do ar ambiente 30 ºC Aceleração gravitacional 9,81 m/s 1.Cálculo do volume teórico de ar. V 0 ar 0,0889(Ct + 0,375 S t ) + 0,69 H t 0,0336 O t 5,88 m 3 kg comb (0,5 valor).o fluxo volumétrico dos gases que passam pela chaminé calcula-se de: ch 5 3 t 73 ch o gb 1,01 10 m V + g B c VgNor + ( αch 1 ) V ar 73 P B s V ch g , m 0,773 7,99 + ( 1,5 1) 5,88 17, ,05 10 s (0,5 valor) º Teste de Página de 9

3 º Teste 10 minutos 11 de Outubro de O diâmetro da saída da chaminé é dado por: d d. 1,13 V C ch gnor g. 17,35 1,13, 35 [ m] (0,15).O diâmetro da da chaminé é dado por: d 1,5d 1,5,396 3,55 m (0,15) 5.O diâmetro médio da chaminé é dado por: d + d, ,55 dmédio,937 [ m] (0,15) A velocidade na da chaminé é dada por: Cg d Cg d (0,15),350 Cg 1, 78 [ m/ s] 3,55 6.A velocidade média dos gases na chaminé é dada por: C + C 1, 78 + Cmédio,889 [ m/ s ] (0,15) 7.As perdas locais na conduta, calculam-se de: c 7 Δ P ζ ρ 0, 1,3 1, 7 [ P ] lcurva l a (0,15) c 7 Δ P ζ ρ,50 1,3 79, 65 [ Pa] lválvula l (0,15) 8.As perdas totais calculam-se de: at l 16, 1,7 79,65 5,565 (0,15) Δ P Δ P + Δ P + + Pa 9.As perdas são multiplicadas por um coeficiente de segurança : º Teste de Página 3 de 9

4 Δ P (1, 1,3) Δ P 1,3 5, ,935 Pa (0,5) 10. Do ábaco retira-se a altura aproximada da chaminé que é de aproximadamente 51 m. Acrescemos 10% para compensar erros. Seja H55 m 11. A temperatura dos gases a saída da chaminé determina-se de: t t Δt H 00,5 55 6,50 º C (0,50) 1. A temperatura média dos gases na chaminé determina-se de: t + t tmédio (0,15) ,5 tmédio 331, 5 [ º C] 13.Calcula-se o número de Reynolds de: Cmedio dmedio ρ C eq medio dmedioeq R e 17113,9,3 (0,15) v μ º Teste de Página de 9

5 º Teste 10 minutos 11 de Outubro de O factor de fricção é aproximadamente igual a 0,038 (0,15) A altura da chaminé calcula-se da fórmula empírica: c Δ P+ ζ ρgás ( 1+ β t ) H ρ ρ ar gás λ cmédio g ρgás ( 1+ β t g ) 1 β tar 1 β t + + g 3dmédio 330,9 + 1,06 1,3 ( 1+ 0, ,50) H g 1 0, , , ,995 H 6,39 m 1,9 1,3 0,038,889 1,3 1 0, (,5) (1 valor) Comparada a altura calculada com a assumida tem-se um erro de 1%, então deve-se efectuar de novo os cálculos com a altura calculada. A temperatura dos gases a saída da chaminé determina-se de: t t Δt H 00,5 6,39 39,03 º C A temperatura média dos gases na chaminé determina-se de: t + t tmédio , 03 tmédio 319,51 [ º C] º Teste de Página 5 de 9

6 c Δ P+ ζ ρgás ( 1+ β t ) H ρ ρ ar gás λ cmédio g ρgás + 1 β tar 1 β t + + g 3dmédio ( 1 β tg ) 330,9 + 1,06 1,3 ( 1+ 0, ,03) H g 1 0, , , ,995 H 65,36 m 1,9 1,3 0,038,889 1,3 1 0, (,51) (1 valor) Comparada a altura calculada com a assumida tem-se um erro de,5% que é um erro aceitável Pergunta 7 (,0 valores) Determine a temperatura inicial da carga apresentada na Figura 1, que está sendo tratada num forno cujo emissividade do espaço de trabalho é de 0,6 e o consumo de combustível de 3,5 kg/s. 1 Temperatura no interior da carga 800 ºC Calor específico da carga 0,68 kj/kg K 3 Massa específica da carga 7800 kg/m 3 Tempo de permanência da carga 10 segundos 5 Volume dos gases de escape 9 m³/kg º Teste de Página 6 de 9

7 º Teste 10 minutos 11 de Outubro de Calor especifico dos gases 1,5 kj/m³ ºC 7 Temperatura de combustão dos gases 180 ºC 8 Temperatura de saída dos gases 60 ºC 9 Rendimento térmico da câmara de combustão 0,85 10 Coeficiente de Radiação do corpo negro 5,67 W/m²K⁴ 11 Coeficiente de Poluição da superfície 0,6 1 Coeficiente que toma em conta a convecção 1,1 Determinação do coeficiente de fracção φ. S d 1 (0,5 valor) 0,5 Do ábaco lê-se o coeficiente de fracção φ 0, (0,5 valor) Cálculo da área total da carga: A (0,5,0) + (0,5,0) m (0,5 valor) Cálculo da superfície de radiação: H A m r ϕ 0, 1,6 (0,5 valor) Temperatura media no forno determina-se de: T f Tcomb + Tsg K (0,5 valor) Temperatura na superfície da carga determina-se da igualdade: T. f Tcarga βocoε f Hrξ BVgCgasηf ( tcomb tsg ) med 113 Tcarg a 1,1 5,67 0,6 1,6 0,6 3,5 9 1,5 0,85( ) Tcarga 763, 6 º Cou 1036, 79K Tcarg a 678, 6 º Cou 951,8K (1 valor) ou (1 valor) ou º Teste de Página 7 de 9

8 A temperatura inicial da carga determina-se da expressão: t t ( τ ) t t carg a inic carg a exp. BVgCgη f τ ρvc , 6 exp t 763, 6 inic. 3,591,50, ,5 0,68 t( ) 987,7 º C ou160,6k (1,5 valores) ou inic t( ) 679,6 º C ou 95,8K inic Pergunta 8 (3,5 valores) Determinar: a) A potência média fornecida ao forno; b) O tempo de tratamento no forno. Para um forno eléctrico de indução, usado para fundir alumínio com, com as seguintes características: Massa da carga ton Fundo de tempo 8760 h Percentagem de tempo de paralisações 5 % Tempo de preparação para aquecer h A produtividade do forno 000 ton/ano Temperatura ambiente 30 ºC Coeficiente de utilização 0.8 Potência taxada da fonte 000 kva Rendimento eléctrico 0.7 Cos φ 0.78 Potência para compensar o calor perdido no forno 30 kw Energia para fundir uma unidade de massa: i c ( t t ) + L ( kw h/ t) p fusão amb f i 0, 8(660 30) + 110,5 67, 9 ( kw h/ t ) (0,5 valor) º Teste de Página 8 de 9

9 º Teste 10 minutos 11 de Outubro de 013 A potência média fornecida ao forno determina-se de: P k S cos φη ( kw) r ut r e P 0, ,78 0,7 873,6 ( kw) r (1 valor) O tempo de aquecimento do metal determina-se de i mo + Pper τ1 τ ( h) Pr Pper (0,5 valor) 67, τ 1, 3 ( h ) 873,6 30 O tempo de tratamento determina-se de: mo Qm T (1 0, 01 α) ( ton / ano) τ + τ + τ 1 3 m o τ3 T (1 0, 01 α) ( τ1+ τ) ( h ) Qm τ (1 0,01 35) ( + 1,3 ) 3,3 000 ( h) (1,5 valores) Bom Trabalho! Engº Vicente Chirrime & Prof. Doutor Engº Jorge Nhambiu º Teste de Página 9 de 9

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