Convecção

Convecção é o modo de transferência de calor no qual o calor é transferido entre uma face sólida e um fluido (ou gás) adjacente em movimento. A convecção possui dois elementos:
  • Transferência de energia devido à movimentação molecular (difusão) e
  • Transferência de energia por movimentação volumétrica ou macroscópica do fluido (advecção).
O mecanismo da convecção pode ser explicado da maneira a seguir: à medida que a camada do fluido adjacente à superfície quente aumenta de temperatura, sua densidade diminui (sob pressão constante, a densidade é inversamente proporcional à temperatura) e se torna flutuante. Um fluido mais frio (mais pesado) próximo à superfície substitui o fluido mais quente e um padrão de circulação é formado.

A taxa de troca de calor entre um fluido de temperatura Tf e uma face de um sólido de área A na temperatura Ts obedece a lei de resfriamento de Newton, que pode ser descrita como:

Qconvenção = h A (Ts - Tf)

onde h é o coeficiente de transferência de calor por convecção. As unidades de h são W/m2.K ou Btu/s.pol2.F. O coeficiente de transferência de calor por convecção (h) depende da movimentação, geometria e propriedades físicas e termodinâmicas do fluido.

Geralmente, há dois modos de transferência de calor por convecção:

Convecção natural (livre)

O movimento do fluido adjacente a uma face sólida é causado por forças de flutuação induzidas pelas alterações na densidade do fluido devido às diferenças de temperatura entre o sólido e o fluido. Quando uma chapa quente é deixada para esfriar ao ar livre, as partículas de ar adjacentes à face da chapa esquentam, sua densidade diminui e, portanto, elas se movimentam para cima.

Convecção forçada

Um meio externo, como um ventilador ou bomba, é usado para acelerar o fluxo do fluido na face do sólido. O rápido movimento das partículas do fluido na face do sólido maximiza o gradiente de temperatura e aumenta a taxa de troca de calor. Na imagem a seguir, o ar é forçado sobre uma chapa quente.

Coeficiente de calor de convecção

A lei de resfriamento de Newton afirma que a taxa de transferência de calor que passa uma superfície na temperatura Ts para um fluido circundante na temperatura Tf é dada pela equação:

Qconvenção = h A (Ts - Tf)

onde o coeficiente de transferência de calor usa as unidades W/m2.K ouBtu/s.in2.F. O coeficiente h não é uma propriedade termodinâmica. É uma correlação simplificada entre o estado do fluido e as condições do fluxo; portanto, geralmente é chamado de propriedade de fluxo.

A convecção está associada ao conceito de camada de limite, que é uma fina camada de transição entre uma superfície que se pressupõe adjacente a moléculas estacionárias e o fluxo do fluido circundante. Isso é ilustrado na figura a seguir, do fluxo sobre uma chapa plana.

Onde u(x,y) é a velocidade na direção x. A região até a extremidade externa da camada de fluido, definida como 99% da velocidade de fluxo livre, é chamada de espessura da camada limite do fluido d(x).

Um esboço semelhante poderia ser feito com a transição de temperatura, da temperatura da superfície para a temperatura ambiente. Um diagrama da variação de temperatura é mostrado na figura seguinte. Observe que a espessura da camada limite térmica não é necessariamente igual à do fluido. As propriedades do fluido que faz com que o número de Prandtl controle a magnitude relativa de dois tipos de camadas de limite. Um número de Prandtl (Pr) igual a 1 indicaria o mesmo comportamento para ambas as camadas.

Pressupõe-se que o mecanismo real de transmissão de calor através da camada limite seja a condução, na direção y, através do fluido estacionário próximo a parede, sendo igual à taxa de convecção da camada limite até o fluido. Isso pode ser escrito como:

h A (Ts - Tf) = - k A (dT/dy)s

Assim, o coeficiente de convecção em uma dada situação pode ser avaliado pela medição da taxa de transferência de calor e a diferença de temperatura, ou pela medição do gradiente de temperatura adjacente à superfície e a diferença de temperatura.

A medição de um gradiente de temperatura em uma camada limite requer alta precisão que geralmente é obtida num laboratório de pesquisas. Vários manuais contêm tabelas de valores dos coeficientes de transmissão de calor por convecção para diversas configurações.

A tabela a seguir mostra alguns valores típicos para o coeficiente de transferência de calor por convecção:

Médio Coeficiente de transferência de calor h (W/m2.K)
Ar (convecção natural) 5-25
Ar/vapor superaquecido (convecção forçada) 20-300
Óleo (convecção forçada) 60-1800
Água (convecção forçada) 300-6000
Água (fervente) 3000-60,000
Vapor (em condensação) 6000-120,000

Prandtl Number

O número de Prandtl é um parâmetro que relaciona a espessura das camadas de limite térmico e velocidade, dado por:

onde v é a viscosidade cinemática, α é a difusividade térmica, ρ é a densidade do fluido, κ, a condutividade térmica do fluido e cp é a capacidade térmica do fluido sob pressão constante.

A viscosidade cinemática ν de um fluido revela informações sobre a taxa com qual o momento pode ser difundido pelo fluido devido à movimentação molecular. A difusividade térmica a revela informações sobre a difusão de calor no fluido. Portanto, a relação entre essas duas quantidades expressa as magnitudes relativas das difusões de momento e calor no fluido.