RELATÓRIO DE CARACTERIZAÇÃO DA ESCOLA E DA COMUNIDADE

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1.2 CONVECÇÃO

Convecção é o modo de transferência de energia entre uma superfície sólida e uma líquida ou gás adjacente, que está em movimento e envolve os efeitos combinados de condução e de movimento de um fluido. Quanto mais rápido o movimento do fluido, maior será a transferência de calor por convecção. Na ausência de qualquer movimento de uma massa de um fluido, a transferência de calor entre uma superfície sólida e o fluido adjacente é por pura condução. A presença de movimento de uma massa de fluido aumenta a transferência de calor entre eles, mas isso também dificulta a determinação das taxas de transferência de calor (Çengel, 2009).

A convecção é chamada de convecção forçada se o fluido é forçado a fluir sobre a superfície por meios externos, tais como um ventilador, bomba ou vento. Em contrapartida, a convecção é chamada de convecção natural (ou livre) se o movimento fluido é causado por forças de flutuação que são induzidas por diferenças de densidade, devidas à variação da temperatura no fluido (Çengel, 2009).

Segundo Çengel (2009), a transferência de calor por convecção depende fortemente das propriedades do fluido, como viscosidade dinâmica (µ), a condutividade térmica (k), a densidade (ρ) e calor específico (cp), assim como da velocidade do fluido (V). Ela também depende da geometria e da rugosidade da superfície sólida, além do tipo de escoamento do fluido (tal como ser laminar ou turbulento).

A Figura 1 apresenta um exemplo de transferência de calor permanente através de um fluido contido entre duas placas paralelas mantidas a diferentes temperaturas.

[pic 2]

Figura 1 - Transferência de calor através de um fluido aprisionado entre duas placas paralelas (Çengel, 2009).

O fluxo de transferência de calor por convecção é representada pela lei de Newton do resfriamento:

(W/m²) (1)[pic 3]

A taxa de transferência de calor é representada por:

(W) (2) [pic 4]

Onde:

= coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m².K)[pic 5]

= área de transferência de calor (m²)[pic 6]

= temperatura da superfície (K)[pic 7]

= temperatura do fluido suficientemente longe da superfície (K)[pic 8]

O fluxo de calor por convecção é considerado positivo se o calor é transferido a partir da superfície e negativo se o calor é transferido para a superfície (Incropera et al., 2008).[pic 9][pic 10]

Segundo Incropera et al (2008) o coeficiente de convecção para um processo de convecção forçada varia de 25 a 250 W/m².K.

1.3 O CILINDRO EM ESCOAMENTO CRUZADO

Segundo Incropera et al. (2008), “o escoamento externo comum envolve o movimento de um fluido na direção normal ao eixo de um cilindro circular. Como mostra na Figura 2, o fluido da corrente livre é levado ao repouso no ponto de estagnação frontal, com um correspondente aumento de pressão. A partir desse ponto, a pressão diminui com o aumento de x, a coordenada da linha de corrente, e a camada-limite se desenvolve sob a influência de um gradiente de pressão favorável (. Contudo, a pressão tem que atingir um mínimo e na direção da parte de trás do cilindro a continuação do desenvolvimento da camada-limite ocorre na presença de um gradiente de pressão adverso (>0). A distinção entre a velocidade, a montante V e a velocidade do fluido na corrente livre deve ser observada. De forma distinta das condições para a placa plana em escoamento paralelo, essas velocidades são diferentes, com dependendo agora da distância x do ponto de estagnação. A partir da equação de Euler para o escoamento invíscido, deve exibir um comportamento oposto ao de . Isto é, a partir de no ponto de estagnação, o fluido acelera devido ao gradiente de pressão favorável (, atinge uma velocidade máxima quando , e desacelera devido ao gradiente de pressão adverso (. À medida que o fluido desacelera, o gradiente de velocidade na superfície, , acaba se tornando igual a zero (Figura 3). Nesse local, conhecido por ponto de separação, o fluido próximo à superfície carece de momento suficiente para superar o gradiente de pressão e a continuação do movimento para jusante se torna impossível”.[pic 11][pic 12][pic 13][pic 14][pic 15][pic 16][pic 17][pic 18][pic 19][pic 20][pic 21]

[pic 22]

Figura 2 – Formação e separação da camada-limite sobre um cilindro circular em escoamento cruzado (Incropera et al., 2008).

[pic 23]

Figura 3 – Perfil de velocidades associado à separação sobre um cilindro circular em escoamento cruzado (Incropera et al., 2008).

A ocorrência de transição na camada-limite, que depende do número de Reynolds, influencia significativamente a posição do ponto de separação. Para o cilindro circular, o comprimento característico é o diâmetro e o número de Reynolds é definido como:

(3)[pic 24]

Como o momento do fluido em uma camada-limite turbulenta é maior do que o momento em uma camada-limite laminar é razoável esperar que a transição retarde a ocorrência da separação. Se a camada-limite permanece laminar e a separação ocorre em . Entretanto, se , ocorre transição na camada-limite e a separação é retardada até .[pic 25][pic 26][pic 27][pic 28]

1.4 NÚMEROS ADIMENSIONAIS

1.4.1 Número de Reynolds

A transição de escoamento laminar para turbulento depende da geometria da superfície, rugosidade superficial, velocidade do escoamento, temperatura da superfície e do tipo de fluido, entre outras coisas. Após exaustivas experiências na década de 1880, Osborn Reynolds descobriu que o regime de escoamento depende principalmente da razão das forças de inércia para as forças viscosas do fluido. Esta razão é chamada de número de Reynolds, que é uma quantidade adimensional e é expressa para um escoamento externo (Çengel, 2009). O número de Reynolds é encontrado através da fórmula (4).