Considere o problema ilustrado na Figura 3.1. Um fluido com velocidade U e temperatura T
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1 75 3. Concção Foçada no Intio d tos Nst it são considados scoanto intnos dtos canais co concção téica foçada. Os scoantos od s lainas o tblntos od oco as sgints cobinaçõs: ) scoanto laina hidodinâica ticant dsnolidos; ) scoanto laina hidodinaicant dsnolido ticant dsnolinto; 3) scoanto laina co dsnolinto siltâno 4) scoantos tblntos 3. Escoanto laina n tbo co sitia axial Consid o obla ilstado na Figa 3.. flido co locidad tata 0 nta n tbo d aio, d cointo L, cja tata d ad é antida à tata. O scoanto s dsnol hidodinaicant s a tata d ad fo difnt da tata do flido haá toca d calo o dsnolinto do fil d tata. Figa 3. Escoanto laina n tbo.
2 76 E coodnadas cilíndicas, sob hióts d gi annt, oidads constants sitia axial, st scoanto od s odlado lo conjnto d qaçõs a sgi, já silificadas: ) Eqação d Continidad ( ) 0 (3.) ) Eqaçõs Qantidad d Mointo : F ν ρ ; (3.) : F ν ρ (3.3) 3) Consação d Engia éica q α (3.4) As condiçõs d scoanto coltant dsnolido od s xssas o: ) ( ) ( 0 (3.5) sta foa a Eq. (3.) od s silificada sltando d d d d d d μ. (3.6)
3 77 sja, A Eq. (3.6) ilica q abos os lados d s igais a a constant, o d d d cons tan t μ (3.7) d d d S o cointo d dsnolinto fo ito no do q o cointo do tbo, L << L, od-s aoxia o gadint d ssão coo d d ΔP L 0 L L (3.8) As condiçõs d contono aa solção da Eq. (3.7) são: 0; d d 0; 0 (3.9) Potanto, a solção da Eq. 3.7 é da foa: d 4μ d (3.0) A locidad édia é dfinida d ( ) da πd A A π 0 4μ d (3.) Eftando a intgal na Eq. (3.), slta d 8μ d (3.)
4 78 Sbstitindo a Eq. (3.) na Eq. (3.0) obté o fil d locidad do scoanto coltant dsnolido, na foa: (3.3) 3. Escoanto laina canal d lacas aallas canal d lacas aallas ossi a laga ito aio do q o saçanto nt as lacas. a anális siila a q foi aa o tbo la ao sgint sltado aa o fil d locidad 3 y h (3.4) q a locidad édia é dada o ( h) d (3.5) μ dx h é tad do saçanto nt as lacas. 3.3 Fato d atito d Fanning Qda d Pssão coo A tnsão na ad é dfinida o, no caso do scoanto laina no tbo, d τ μ 4μ d (3.6) O fato d atito d Fanning é dfinido o
5 79 f τ 4μ ρ ρ 6 ρ μ 6 R (3.7) co R ρ μ. Na litata tabé aac o fato d atito d acy-wisbach f * 64 4 f (3.8) R E dtos d sção não cicla dfin-s o diâto hidálico na foa 4A h P A áa da sção tanssal P íto olhado (3.9) Algns casos d dtos d sçõs não ciclas são: a) dto d sção qadada; h a (ond a é o lado do qadado) 8 b) dto d sção tangla a 4a; h a (ond a é o cointo do no 5 lado) c) canal d lacas aallas; h a (ond a é o saçanto nt as lacas) d) tiânglo qiláto; a h ( ond a é o lado do tiânglo) 3 foças A qda d ssão no dto o tbo od s calclada a ati d balanço d Δ A τ PL Δ f L ρ A/ P L 4 f Δ ρ (3.0) h
6 80 E gal o fato d atito od s dfinido na foa: f C (3.) R h na qal C dnd da foa da sção tanssal do dto. litata nconta-s colaçõs do tio R h / ν. Na h C 6 x(0,94b 0,068B 0,38) (3.) co πh / 4 B. A Ex. 3. Calcl Δ P / L aa scoanto d ága a 0 o C n tbo d,7 c 6 c/s. tin tabé cointo da gião d ntada. Coa co o cointo adotado na ática ( L 0,05 R ). 3.3 ansfncia d Calo Escoanto Laina - Entada éica foa No caso d scoantos intnos dfin-s a tata édia d ista na cda ρc A ρ (3.3) A O coficint d tansfência d calo od ntão s dfinido coo h (3.4) q No caso d scoanto coltant dsnolido ticant n tbo t-s
7 8 (3.5) balanço d ngia n lnto d flido d cointo d slta ρ ( i i da q d ) Pd A c dda q Pd ρ A ( ) d ρ c da q Pd A d d P q (3.6) A ρc No caso d tbo slta d d q hπ( ρc c ) (3.7) A qação d ngia scoanto coltant dsnolido hidodinâica ticant é: ρ c ( ) k (3.8) a anális d od d ganda dos tos nsta qação osta q q Δ ρ c k o ρc k h (constant) (3.9)
8 8 Coo o núo d Nsslt é dfinido o hh N h, ntão, N O(). k Paa satisfa a condição d h constant o fil d tata d s da foa: (, ) ( ) (3.30) [ ] ( ) ( ) φ na qal φ é a fnção anas d. No caso d ad co flxo d calo nifo slta d d (3.3) d d d d d d (3.3) Nst caso, od-s obt ( ) q k Δ d d dφ d (3.33) Co φ( ) 0 φ (0) 0 ( sitia) (3.34)
9 83 slta a solção da Eq. (3.33) na foa 4 q 3 φ ( ) (3.35) kδ 4 4 Assi co flxo d calo constant na ad slta o núo d Nsslt N ( q ct) 48 / 4, 364 (3.36) Chchill & Oo osa a xssão álida tanto aa o cointo d ntada qanto aa a gião coltant dsnolida: N G /9,04 G 6 [ ( G / 9,6) ] / ( P/ 0,007) 3 [ ] / [ ( ) ] / / 9,6 / 3 4,364 3 / / 3 (3.37) na qal G é o núo d Gat dfinido coo π G 4α π / 4 R P (3.38) Paa ad isotéica o flxo d calo é calclado coo ( ()) q h (3.39) o gadint da tata édia d ista sá: d d h ρc [ ( ) ] (3.40) Intgando a Eq. (3.40) d ond,, obté-s
10 84 ) h( ) x, ρc ( (3.4) No caso d tata nifo na ad do tbo, o núo d Nsslt do scoanto coltant dsnolido sá N 3,66 (3.4) o flxo d calo na ad od s calclado coo ( ) k 366, α q 366, (, ) x (3.43) Ex. 3. a cont d ága à tata abint é aqcida qando scoa ataés W d tbo co flxo d calo nifo na ad q 0,. O scoanto é c coltant dsnolido hidodinâica ticant. A aão ássica é 0 g / s o aio do tbo é c. As oidads da ága na tata são g W μ 0, 0 k 0, 006. Calcl a) a locidad édia ; b) o núo d c s c K Rynolds basado no diâto; c) o coficint d toca d calo h d) a difnça nt a tata local d ad a tata édia local. 3.4 Escoantos blntos A aioia dos scoantos ocondo na nata alicaçõs indstiais são tblntos. No caso d scoanto tbo d sção cicla a tansição d scoanto laina aa tblnto oco aa núo d Rynolds na faixa d 000 a 300. Galnt, consida-s
11 85 > 300 (tblnto) 300 (tansição) 000 a 000 (laina) até R As qaçõs aa anális d scoantos tblntos são as qaçõs édias d Rynolds, q no caso do scoanto no tbo são: ) Eqação d Continidad ( ) 0 (3.44) ) Eqaçõs Qantidad d Mointo : ( ) ( ) t t F ν ν ν ν ρ ; (3.45) : ( ) ( ) ( ) t t t F ν ν ν ν ν ν ρ (3.46) 3) Consação d Engia éica ( ) ( ) t t α α α α (3.47) No caso d consida o concito d caada liit, od-s dfini a tnsão o flxo d calo aants coo t a ρν μ τ (3.48) c k q t a α ρ (3.49)
12 86 O fil d locidad a tnsão aant são ilstadas na Figa 3. Figa 3.. Pfil d locidad tblnto tnsão aant. No caso do scoanto tblnto s coltant dsnolido hidodinâica ticant t-s 0 ( ) ( ) (3.50) As qaçõs d qantidad d ointo ngia fica na foa silificada ( τ ) d a 0 (3.5) ρ d ρ ρc [ q ] a (3.5) Intgando a Eq. (3.5) obté-s d d d( τ a ) d
13 87 d d τ 0 d d τ (3.53) Sbstitindo a Eq. (3.53) (3.5) intgando até gnéico slta τ τ a (3.54) B óxio da ad, τ τ co as coodnadas d ad, /( / ρ ) /, a τ y y ν ( τ / ρ) / slta y sν >> ν t ln( y ) B s k t >> ν (3.55) o ( ) / 7 8,7 y (3.56) Paa calcla o fato d atito a qda d ssão no tbo, od-s, o xlo, intga a Eq. (3.56). A locidad édia no, caso sá 0 π d θ π 0 d (3.57) A locidad no cnto do tbo ( 0 ) é c. Assi obté-s / 8, 7 / / c τ ν ρ ( τ ρ) / 7 (3.58)
14 88 a dfinição do fato d atito, f τ slta ρ τ ρ / f / (3.59) Cobinando as Eqs. (3.58) (3.59) od-s osta q 0,079 f ; ( R ) / 4 x0 < x 3 4 < R 0 (3.60) Exist na litata áias colaçõs aa cálclo do fato d atito. Paa tbos lisos altos núos d Rynolds t-s 0,046 f ; ( R ) / 5 x0 < x 4 6 < R 0 (3.6) A colação d Kaan-Nikads é do tio f / /, 737 ln( f R ) 0,396 (3.6) Paa tbos gosos altos núos d Rynolds t-s f (3.63),74 ln,8 k s na qal k s é a gosidad da ad do tbo. A q. (3.5) tabé od s intgada sltando
15 89 ρc d πqa (3.64) 0 π Paa, slta ρ c d q (3.65) 0 Cobinando as Eqs. (3.64) (3.65) slta q a q M (3.66) q M 0 0 d d (3.67) S q é indndnt d, é indndnt d, a Eq. (3.67) fica ntão na foa M 0 0 d d (3.68) O fil d locidad () é qas lano, dsta foa, M, obtndo-s a lação do calo aant aa o calo da ad q a q (3.69)
16 90 Paa q. O coficint d toca d calo od s calclado la, a ct q analogia nt tansfência d qantidad d ointo tansfência d calo. Sab-s o núo d Stanton dfinido coo S t h f ρc / 3 / P ; P 0,5 (3.70) Paa tbos lisos slta a colação aa cálclo do coficint d tansfência d calo h k 4 / 5 / N 0,03R P ; x0 < R < 0 (3.7) a colação ito tiliada é a d itts-bolt: N h k 0,03R 4 / 5 P n ; 500 < R <,4x0 0,7 < P < 0 L / > 60 n 0,4 s > n 0,3s < 5 (3.7) Na colação d itts-bolt, as oidads são aaliadas a. Paa alicaçõs q a inflência da tata sob as oidads é significant, Sid & at osa N h k 0,07 R 0,4 4 / 5 / 3 P ; μ μ 4 R > 0 0,7 < P < 6700 (3.73) co as oidads aaliadas a, xcto μ q é aaliada na tata d ad. A colação ais acada é d Gnilinski (976) na foa:
17 9 3 ( f )( R ) 0 P ; 3 ( ) ( ),7 f / / P / 6 h / 300 < R < 5x0 N (3.74) 6 k 0,5 < P < 0 Na Eq. (3.74) o fato d atito é obtido do iagaa d Moody, Figa 3.3 Figa 3.3. Fato d atito aa scoanto laina tblnto coltant dsnolido tbo. Otas colaçõs altnatias, oostas o Gnilinski, a Eq. (3.74) aac na litata, são las: 4 6 h 0,8 0,4 0 R 5x0 N 0,04( R 00) P ; (3.75) k 0,5 P,5 3 6 h 0,8 0,4 3x0 R 0 N 0,0( R 80) P ; (3.76) k,5 P 500 Paa tais líqidos são condadas as colaçõs, Nott & Slich (97):
18 9 N h 6,3 0,067 R k 4,8 0,056 R P ( q ) ( ) 0,004 < P < ct ; 4 ct 0 < R < 0,85 0,93 0,85 0,93 6 P ; 0 ; 0 (3.77) co as oidads aaliadas a. 3.5 Vaiação da tata édia d ista A aiação da tata édia d ista aa ad isotéica flxo flxo d calo nifo na ad é ilstada na Figa 3.4 Figa 3.4. Vaiação da tata édia d ista: sqda, ct ; diita, q ct. Paa calcla as oidads é condál fa ( )/ s, q, s, s Ex. 3.3 O tbo intno d tocado d calo coaxial sado aa xtação d ngia gotéica t diâto d 6 c. O atial do tbo é aço cocial. Na cta localidad ao longo do tbo, a tata édia da cont d ága é 80 o C. O flxo d ága é d 00 ton/h. Calcl a qda d ssão o nidad d cointo. 3.6 axa total d tansfência d calo Bjan oõ calcla a taxa total d tansfência d calo na foa:
19 93 q ha Δ l (3.78) Paa scoanto tblnto coltant dsnolido co ad isotéica, Δ dcsc xonncialnt na dição jsant, nt cto alo na ntada do tbo o no alo na saída do tbo. S Δ s s Δ, Δ l stá nt Δ Δ s. abé a taxa d calo od s calclada coo ( ) c [( ) ( )] c ( Δ Δ ) q c (3.79) s s s O flxo d calo na ad od s stiado coo ( ) q h (3.80) coo d d P q, obté-s A ρc d P h A ρc d (3.8) a qal intgada nt ; ( ) L ( ) slta 0 ; s ln o s hpl ρac Δ Δ s ha c ln (3.8) Coaando as Eqs. (3.79) (3.8) od-s concli q Δ l Δ Δ Δ ln Δ s (3.83)
20 94 q é dnoinada d difnça édia logaítica d tata. Altnatiant a taxa total d tansfência d calo od s calclada coo q c Δ ha x (3.84) c S o coficint h h(), ntão h h( ) d / L. L Pod-s ifica idiatant q no caso d flxo d calo nifo na ad: Δ Δ Δ (3.85) l s Δ q é caso scial da Eq. (3.83) qando. Δ s
21 Exinto 0: Concção Foçada tos O objtio nsta iia xiência é dtina o coficint d tansfência d calo o concção foçada, h, o núo d Rynolds a colação aa o núo d Nsslt, N f (R, P), aa scoanto no intio d dtos. O aaato xintal consist d tbo co aqcinto o sistência lética (fito Jol) qiado co dido d aão do tio laca d oifício do toas: aa di a tata na ntada do tbo, oto ata di a tata na saída do tbo d toas aa di as tatas d ontos na sfíci do tbo. A sistência é nolada tono do tbo o conjnto é isolado ticant do io xtno. O tbo ossi cointo d 00 a sistência lética ossi cointo d 830. Os diâtos intno xtno do tbo são 3 38 sctiant. A aão nt as áas do fo da laca d oifício áa da sção tanssal do tbo é A / A 0,45. A Figa 3.5 ilsta o aaato xintal. d st Figa 3.5 Aaato xintal aa dida d h scoanto d a. (o tn) No caso, a taxa d tansfência d calo constant aa a scoando dnto do tbo é dada o q E I (3.86)
22 96 Na qal E é a tnsão lética I a cont assando la sistência. Consqntnt, o flxo d calo sá E I q (3.87) π L a dfinição do coficint d tansfência d calo h q,, (3.88) na qal, é a tata da ad na osição, od s obtida ditant da intgação da qação (3.89) d d P q (3.89) A ρc sltando, no snt caso, d flxo d calo constant, a qação P q,, c (3.90) A aão ássica d a é dtinada coo ρaast. Plo so da laca d oifício, d-s a difnça d ssão ataés da laca d oifício dtina-s a locidad no oifício, a ati da Eqação d Bnolli d consação da assa, o d Δ Δ 4 ( A / ) a a d A ρ β ρ st ; β d/ (3.9) A aão ássica tóica é dtinada coo t ρadad, o sja ρa Δ Ad t Ad ρ 4 4 aδ (3.9) β ρa β
23 97 Pod-s donsta tabé q a difnça d ssão stá lacionada co difnça d colna do flido anoético Δ gρ Δ H (3.93) aga Paa s calcla a aão ássica al, ltilica-s a aão ássica tóica lo coficint d dscaga CA d d Cd t ρ 4 aδ Cq Ad ρaδ (3.94) β A locidad édia do scoanto sá A d Δ gρagaδh Cq Cq0, 45 (3.95) A ρ ρ st a a O núo d Rynolds do scoanto é calclado coo R ρ acq 0, 45 g a ρ ρagaδh (3.96) μ μ ρ a O coficint d aão da laca d oifício é fnção do Rynolds, o sa o núo d Rynolds dnd d C q, dsta foa o cálclo d C q é fito d foa itatia, solndo a qação, o xlo, lo étodo d Nton-Rahson: ( ) ρacq R 0,45 gρagaδh R 0 (3.97) μ ρ a Calclado o núo d Rynolds, dtina-s a aão ássica o R π μ (3.98) 4 Potanto, a sqência d cálclo d didas é: ) Calcla-s R : stia o coficint d aão: ( ) ) Calcla-s R π μ 4 ( ) ρacq R 0,45 gρagaδh R 0 ; aós di Δ H μ ρ C q a R R 0, 675 0, 064 x 30806,98 P q 3) Calcla-s a tata édia d ista,, c E I q co E I didos π L aós calcla
24 98 4) Md-s a tata, nas osiçõs: [] 0,06; 0,4; 0,4; 0,6; 0,8;,0;,;,4;,6,8 5) Calcla-s h: h q,, h 6) Calcla-s o núo d Nsslt local, aa cada aão dida: N, ka N, i 7) Calcla-s o núo d Nsslt édio, aa cada aão dida: N N 8) Obtnha a colação N N ( R P) 9) Coa o N xintal co o N da litata. Os dados didos od s oganiados na tabla coo a ilstada a sgi d E[V] I[A] 0,44 0,35 3 0,4 4 0,3 5 0,04 6 0, , , , ,053 Δ H [] N A ca d calibação dos toas é da foa [ ] o C,89E V 4, 9
25 Exinto 0: ocado d Calo lo bo O objtio nsta xiência é calcla o coficint global d tansfência d calo tocado d calo dlo tbo ifica o incíio d consação d ngia. O xinto consist di as tatas d ntada d saída dos flidos qnt fio tocado d calo d tbos concênticos, dnoinado tocado dlo tbo. O flido qnt scoa no tbo intno o flido fio no tbo xtno, odndo o scoanto s aallo (so sntido) o conta cont (sntidos oostos). O aaato xintal é ilstado na Figa 3.6. Figa 3.6 Aaato xintal aa di o coficint global d tansfência d calo. (o tn) As dinsõs do tocado d calo são: L 5,;, 0,045; q, 0, 048;, f 0,089; i, f 0,079 iq O cálclo do coficint global basia-s na xssão q AΔ l (3.99) na qal a difnça édia logaítica d tata é stiada coo
26 00 Δ Δ Δ l ln / ( Δ Δ ) q, f, Δ ; Δ,, aa o tocado d conts aallas; qs f s Δ q, f, s; qs, f, Δ aa o tocado d conts oostas. (3.00) Na xssão d cálclo d, a taxa d calo od s stiada coo q q f q q na qal, (,, ) ; qq qc, q( q, q, s) q c f f f f s f. (3.0) O coficint global od s basado o na áa intna o xtna da ad q i Ai Δ l A Δ l (3.0) sta foa q AΔ l ; π, q A L. (3.03) Pla litata, od s calclado na foa A Aln ( / i) ha π k L h i i (3.04) q os coficints h i h od s stiados las colaçõs d Ptko (970) o Gnilinski (976).
27 0 N 3 ( f /)( R 0 ) P / /3 ( f ) ( ) ;,7 / P 6 0,5 P R 5x0 6 (3.05) co f obtido do iagaa d Moody. as colaçõs altnatias são: ( ) 0,8 0,4 N 0, 04 R 00 P ; ( ) 0,87 0,4 N 0, 0 R 80 P ; 0,5 P,5 0 R 5x0 4 6,5 P x R (3.06) (3.07) As didas od s oganiadas na foa q [l/h] f [l/h] f, [K] f, s [K] q, [K] qs, [K]
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CAPTULO Ercícios a) sn, 3t t º Procsso: sn 3t 3 ) daí d 9t cos 3t 3 ) º Procsso: d d d Tmos d cos ; 3; cos ; d t daí d 3 cos cos ) t, o sja, d 3t cos 3t 3 6t cos 3t 3, portanto, d 9t cos 3t 3 b) 3, sn
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