Convezione

La convezione è il modo di trasferimento termico tra la faccia di un solido e un fluido mobile adiacente (o un gas). La convezione ha due elementi:
  • il trasferimento di energia prodotto dal movimento molecolare (diffusione) e
  • il trasferimento di energia prodotto dal movimento macroscopico o in massa del fluido (advezione).
Il meccanismo di convezione può essere spiegato nel seguente modo: via via che lo strato del fluido adiacente la superficie calda si riscalda, la sua densità diminuisce (a pressione costante, la densità è inversamente proporzionale alla temperatura) e diventa galleggiante. Un fluido di raffreddamento (più pesante) vicino alla superficie sostituisce il fluido più caldo e crea in tal modo uno schema di ricircolo.

La velocità di scambio del calore tra un fluido a temperatura Tf e una faccia di un'area solida A a temperatura Ts segue le legge di raffreddamento di Newton che può essere scritta in questo modo:

Qconvezione = h A (Ts - Tf)

dove h è il coefficiente di trasferimento termico di convezione. Le unità di h sono W/m2.K o Btu/s.in2.F. Il coefficiente di trasferimento termico per convezione (h) dipende dal movimento del fluido, dalla geometria e dalle proprietà termodinamiche e fisiche.

In linea di massima, esistono due modi di trasferimento termico per convezione:

Convezione naturale (libera)

Il movimento del fluido adiacente la faccia di un solido è causato dalle forze di galleggiamento indotte da variazioni nella densità del fluido a causa delle differenze nella temperatura tra il solido e il fluido. Quando una piastra riscaldante viene lasciata a raffreddarsi all'aria, le particelle d'aria adiacenti la faccia della piastra si riscaldano, la densità diminuisce e le particelle si spostano verso l'alto.

Convezione forzata

Per accelerare il flusso del fluido sulla faccia del solido si utilizza un mezzo esterno come una ventola o una pompa. Il rapido movimento delle particelle fluide sulla faccia del solido massimizza il gradiente termico e incrementa la velocità dello scambio termico. Nella seguente immagine, l'aria viene forzata sopra un piano caldo.

Coefficiente termico di convezione

La legge di raffreddamento di Newton afferma che la velocità di trasferimento del calore che lascia una superficie a temperatura Ts in un fluido circostante a temperatura Tf è data dall'equazione:

Qconvezione = h A (Ts - Tf)

dove il coefficiente di trasferimento termico h ha le unità di W/m2.K o Btu/s.in2.F. Il coefficiente h non è una proprietà termodinamica. È una correlazione semplificata allo stato fluido e alle condizioni del flusso e pertanto viene spesso definita una proprietà del flusso.

La convezione è correlata al concetto dello strato limite, ossia un sottile strato di transizione tra una superficie che si presume adiacente a molecole fisse e il flusso del fluido nell'ambiente circostante. Tale situazione è illustrato nella figura seguente e si riferisce al flusso su una piastra piatta.

Dove u(x,y) è la velocità della direzione x. L'area fino al bordo esterno del livello di fluido, definita come il 99% della velocità di flusso libero, viene chiamato lo spessore del livello del contorno fluido δ(x).

Tale situazione è simile alla transizione termica dalla temperatura della superficie alla temperatura dell'ambiente circostante. Una schema della variazione di temperatura è illustrato nella figura. Osservare che lo spessore dello strato del limite termico non è necessariamente identico a quello del fluido. Le proprietà fluide che compongono il Numero di Prandtl regolano la magnitudine relativa dei due tipi di livelli del contorno. Un numero Prandtl (Pr) 1 implicherebbe lo stesso comportamento per i due strati limite.

Il reale meccanismo di trasferimento termico attraverso lo strato limite è la conduzione, nella direzione Y, attraverso il fluido stazionario accanto alla parete ed è equivalente alla velocità di convezione dello strato limite al fluido. Questa situazione può essere scritta nel seguente modo:

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

Il coefficiente di convezione, per una data situazione, può essere valutato misurando la velocità di trasferimento termico e la differenza di temperatura oppure misurando il gradiente termico adiacente la superficie e la differenza di temperatura.

La misurazione del gradiente termico attraverso uno strato limite richiede alta precisione e solitamente è eseguita in laboratorio. Molti manuali contengono valori tabulati dei coefficienti di trasferimento termico per convezione per le diverse configurazioni.

La seguente tabella mostra alcuni valori tipici del coefficiente di trasferimento termico convettivo:

Media Coefficiente di trasferimento termico h (W/m2.K)
Aria (convezione naturale) 5-25
Aria/vapore sovrariscaldato (convezione forzata) 20-300
Olio (convezione forzata) 60-1800
Acqua (convezione forzata) 300-6000
Acqua (al punto di ebollizione) 3000-60.000
Vapore (condensa) 6000-120.000

Numero Prandtl

Il numero Prandtl è un parametro che correla lo spessore degli strati di limite termico e di velocità ed è dato da:

dove ν è la viscosità cinematica, α la diffusione termica, ρ la densità fluida, κ la conduttività termica fluida e cp la capacità termica del fluido a pressione costante.

La viscosità cinematica ν di un fluido rivela informazioni relative alla velocità nella quale il momento può diffondersi attraverso il fluido a causa del movimento molecolare. La diffusività α rivela informazioni sulla diffusione del calore nel fluido. Il rapporto di queste due quantità esprime quindi i relativi moduli di diffusione del momento e del calore nel fluido.