Vapor dágua saturado a 15 kPa escoa em um tubo de aço com raio interno de
e uma espessura de parede de 3 mm . O isolamento térmico aplicado em torno do tubo tem
de espessura com uma condutividade térmica de
, e o coeficiente convectivo entre a superfície externa do isolante e o ar ambiente a
é
. Determine a queda de temperatura através do isolamento e a taxa de fluxo de calor.
Passo 1
Beleza, o exercício diz que a gente tem vapor d’água saturado a 15 kPa circulando dentro de um tubo de aço (raio interno 0,20 m e parede de 3 mm), depois tem um isolamento externo de 0,10 m com k=0,07 W/mK e, por fim, convecção no ar a 25 °C com h=25 W/m²K.
Conteúdo da matéria: condução de calor em coordenadas cilíndricas + rede de resistências térmicas (condução no isolante + convecção na superfície). Vamos precisar da temperatura de saturação do vapor a 15 kPa (Tsat≈52,9 °C), da fórmula de resistência de condução radial em cilindro e da fórmula de convecção.
Conteúdo da matéria: condução de calor em coordenadas cilíndricas + rede de resistências térmicas (condução no isolante + convecção na superfície). Vamos precisar da temperatura de saturação do vapor a 15 kPa (Tsat≈52,9 °C), da fórmula de resistência de condução radial em cilindro e da fórmula de convecção.
Passo 2
Modelagem em rede de resistências (por metro de tubo):
- Raio externo do tubo de aço (superfície interna do isolante):
. - Raio externo do isolamento:
- Resistência de condução radial do isolante (por metro):
- Resistência de convecção no ar (por metro):
Passo 3
Agora a gente calcula a taxa de calor por metro de tubo, usando
onde
e
.
Passo 4
A queda de temperatura só no isolante é
Resposta
Queda de temperatura através do isolamento: ≈ 27,3 °C
Taxa de fluxo de calor por metro de tubo: ≈ 29,96 W/m
Taxa de fluxo de calor por metro de tubo: ≈ 29,96 W/m