Enunciado

82 - Uma câmara de combustão de fluxo axial consistente em tubos longos de 15   c m de diâmetro imersos em água. O ar comprimido é direcionado para o tubo e o combustível é pulverizado no ar comprimido. Os gases de combustão consistem de 70% de N 2  , 9% de   H 2 O , 15% de O 2 e 6% de C O 2  mantidos a 1   a t m e   1500   K . A superfícies dos tubos é quase negra, com emissividade de 0,9. Considerando que os tubos devem ser mantidos a uma temperatura de 600   K , determine a taxa de transferência de calor dos gases de combustão para a parede do tubo por radiação por metro de comprimento do tubo.

Passo 1

Dados fornecidos:

Temperatura dos gases de combustão,  T g = 1 5 00   K

Pressão dos gases de combustão,  P c = 1   a t m

Diâmetro do recipiente,  D = 1 5   c m

Emissividade da superfície interna do recipiente,  ε = 1

Temperatura da superfície do recipiente,  T s = 60 0   K

Pressão parcial de C 2 O , P C 2 O = 0 , 06   a t m

Pressão parcial de H 2 O , P H 2 O = 0 , 09   a t m

Passo 2

Suposições:

  1. Todos os gases da mistura são gases ideais.
  2. N 2 e O 2 são gases não participantes.

Passo 3

Do comprimento médio do feixe  L para várias tabelas de formas de volume de gás, o comprimento médio do feixe de um recipiente é:

L = 0 , 9 5   D

= 0 , 9 5 × 0,15

= 0,1425   m

Então,

P C 2 O × L = 0 , 06 × 0,1425

= 0 , 00855   m ⋅ a t m

= 0,0281   f t ⋅ a t m

P H 2 O × L = 0,09 × 0,1425

= 0,012825   m ⋅ a t m

= 0,0436   f t ⋅ a t m

A partir do gráfico emissividade, as emissividades de C O 2 e H 2 O  corresponde a estes valores na temperatura de gás  T g = 12 00   K e 1   a t m são,

ε C 2 O = 0 , 034

ε H 2 O = 0,16

Como esses são valores de emissividade de base em 1   a t m e os fatores de correção da pressão são uma unidade, a emissividade efetiva dos gases de combustão se torna,

ε g = C C O 2 ε C O 2 + C H 2 O ε H 2 O

= 1 × 0,034 + 1 × 0,016

= 0,05

Passo 4

Para uma temperatura de fonte de  T s = 60 0   K , a capacidade de absorção do gás é determinada usando os gráficos de emissividade da seguinte forma:

P C 2 O × L × T s T g = 0 , 0281 × 600 1 5 00

= 0 , 01124   f t ⋅ a t m

P H 2 O × L × T s T g = 0,0436 × 600 1500

= 0,01744   f t ⋅ a t m

A partir do gráfico emissividade, a emissividade de H 2 O e C O 2 corresponde a estes valores a uma temperatura de  T s = 60 0   K e 1   a t m são,

ε C 2 O = 0,031

ε H 2 O = 0,027

A absortividade do C 2 O e H 2 O   são determinadas como:

α C 2 O = C C 2 O ε C 2 O ,   1   a t m T g T s 0 , 6 5

= 1 × 0 , 031 × 1 5 00 60 0 0 , 6 5

= 0 , 056

α H 2 O = C H 2 O ε H 2 O ,   1   a t m T g T s 0,45

= 1 × 0,027 × 1500 600 0,45

= 0,041

Passo 5

Além disso,  ∆ ∝ = ∆ ε , mas o fator de correção da emissividade que deve ser avaliado da Fig em T = T s = 600   K vez de  T g = 1500   K . Não existe um gráfico para 600   K , mas podemos ler  ∆ ε com valores em 400   K e 800   K , e a interpolação ∆ ε  pode ser calculada como,

P H 2 O ( P H 2 O + P C O 2 ) = 0,6 P C O 2 L + P H 2 O = 0,07

Temos  ∆ ε = 0 .

Então a absorção dos gases de combustão torna-se:

∝ g = ∝ C O 2 + ∝ H 2 O - ∆ ∝

= 0,056 + 0,041 - 0

= 0,097

Passo 6

A área de superfície do recipiente pode ser determinada como:

A S = π D L

= π × 0,15 × 1

A s = 0,47124   m 2

A taxa líquida de transferência de calor por radiação da mistura gasosa para as paredes do recipiente é determinada como:

Q ˙ = A s ε g T g 4 - α s T s 4

= 0,47124 × 5,67 × 10 - 8 × 0 , 05 × 1 5 00 4 - 0 , 097 × 60 0 4

= 6427,43   W

A taxa de transferência de calor dos gases de combustão para a parede do tubo pela radiação por metro de comprimento do tubo é Q ˙ r a d = 6427,43   W .

Resposta

A taxa de transferência de calor dos gases de combustão para a parede do tubo pela radiação por metro de comprimento do tubo é Q ˙ r a d = 6427,43   W .

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