UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

FACULDADE DE ZOOTECNIA E ENGENHARIA DE ALIMENTOS

ZEA0662 - Fenômenos de Transporte II

Lista de Exercícios : Fundamentos da Convecção

1) Uma placa plana de 2m x 3m é suspensa em uma sala e submetida a escoamento de ar paralelo em sua

superfície, ao longo do lado de 3 m de comprimento. A temperatura e a velocidade do escoamento livre do ar

são 20°C e 7m/s. A força de arrasto total agindo na placa é medida como 0,86 N. Determine o coeficiente

médio de transferência de calor por convecção para a placa.

2) Durante o resfriamento a ar de laranjas, uas e tangerinas, o coeficiente combinado de transferência de calor

por convecção, radiação e evaporação para velocidades do ar de 0,11<V<0,33 m/s é determinado

experimentalmente e expresso como h = 5,05kar Re1/3

/D, onde D é o comprimento característico. As laranjas

são resfriadas com ar refrigerado a 3°C e 1 atm a velocidade de 0,3m/s. determine (a) a taxa inicial de

transferência de calor a partir de uma laranja de 7 cm de diâmetro inicialmente a 15°C, com condutividade

térmica de 0,70W/mK. (b) o valor inicial do gradiente de temperatura na superfície interna da laranja e (c) o

valor do número de Nusselt.

3) Considere o escoamento sobre a superfície com perfis de velocidade e de temperatura dados como:

u(y) = C1(y+y2-y

3)

T(y) = C2 –exp(-2C2y)

Onde os coeficientes C1 e C2 são constantes. Determine a expressão para o coeficiente de atrito (Cf) e o

coeficiente de transferência de calor por convecção (h).

4) Glicerina a 10°C está fluindo sobre uma placa plana, em velocidade de fluxo livre de 2m/s. determine a

velocidade e a espessura da camada limite térmica a uma distância de 15 cm do bordo de ataque. Também

calculo a razão entre a espessura da camada limite hidrodinâmica e a camada limite térmica para esse

escoamento e interprete o resultado.

5) Considere o escoamento de ar sobre uma placa plana com comprimento L = 1m, sob condições, nas quais a

transição do regime laminar para o regime turbulento, baseada no número de Reynolds crítico de Rex,c =

5x105, ocorre em xc = 0,5m. Nas regiões laminar e turbulenta, os coeficientes locais de transferência de calor

por convecção são, respcetivamente,

hlam(x) = Clam x-0,5

e hturb=Cturbx-0,2

onde Clam = 8,845W/m2K

0,5, Cturb = 49,75 W/m

2K

0,8 e x possui a unidade de m.

a) Avaliando as propriedades termofísicas do ar a 350K, determine a velocidade do escoamento.

b) Desenvolva uma expressão para o coeficiente médio de transferência de calor por convecção, )(xhlam , em

função da distância da aresta frontal, x, na região laminar, 0 x xc;

c) Desenvolva uma expressão para o coeficiente médio de transferência de calor por convecção, )(xhturb , em

função da distância da aresta frontal, x, para a região turbulenta, xc x L;

6) Resultados experimentais mostram que a transferência de calor sobre uma placa plana com superfície

extremamente rugosa é correlacionada por uma expressão que tem a forma :

3/19,0 PrRe04,0 xxNu

onde Nux é o valor local do número de Nusselt , medida a partir da aresta frontal da placa. Obtenha uma

expressão para a razão entre os coeficientes médio e local de transferência de calor por convecção.

7) Uma placa delgada e plana, 0,2x0,2m, está orientada em uma direção paralela a uma corrente de ar

atmosférico, que possui uma velocidade de 40m/s. O ar está a uma temperatura de 20ºC, enquanto a placa é

mantida a 120ºC (temperatura na superfície). O ar escoa sobre as superfícies superior e inferior da placa, e

medidas da força de arrasto revelam um valor de 0,075N. Qual é a taxa total de transferência de calor para o

ar nas superfícies da placa?

8) Ar atmosférico escoa paralelamente (u = 15m/s e T = 15°C) à superfície plana de um aquecedor que

deve ser mantida a uma temperatura de 140ºC. A área superficial do aquecedor é de 0,25m2, e sabe-se que o

escoamento produz uma força de arrasto sobre o aquecedor de 0,25N. Qual a potência elétrica necessária para

manter a temperatura superficial desejada?

9) No escoamento sobre uma placa plana que possui uma superfície muito rugosa, sabe-se que os efeitos da

transferência de calor por convecção são correlacionados pela expressão apresentada no problema 6. para um

escoamento de ar a 50m/s, qual a tensão de cisalhamento na superfície na posição de x = 1m da aresta frontal

da placa? Considere que o ar esteja a temperatura de 27ºC.

Resp: 5) a) 20,9m/s; b) )(,)( 2 xlamxlam hh ; c) 8,08,05,0

)( 25,121

cTurblamxlam xxCxCx

h ;

6) 1,11; 7) 240W; 8) 2,66kW; 9) 25,96 Pa