A TRANSFERÊNCIA DE CALOR: CONVECCÇÃO

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1 INTRODUÇÃO

A Convecção pode ser classificada como convecção natural ou forçada, dependendo de como o movimento do fluido é iniciado. Na convecção forçada ,o fluido é forçado a escoar sobre a superfície ou dentro de um tubo por meios externos como bomba ou ventilador. Na convecção natural, qualquer movimento do fluido é causado por meios naturais como o efeito empuxo, que se manifesta com fluidos quentes subindo e fluidos frios descendo. A convecção é também classificada como externa ou interna, dependendo de o fluido ser forçado a escoar sobre uma superfície ou dentro de um duto.

Neste trabalho veremos conteúdos como, a descrição física geral do mecanismo de convecção, camadas limite hidrodinâmica e térmica e os escoamentos laminar e turbulento. Veremos os números adimensionais de Reynolds, Prandtl e Nusselt e seus significados físicos. Em seguida, derivaremos as equações da convecção com base na conservação de massa, quantidade de movimento e energia, e obteremos as soluções para escoamento ao longo de placa plana. A seguir, adimensionalizamos as equações da convecção e obtemos as formas funcionais do atrito e os coeficientes de convecção. E finalmente veremos as analogias entre a quantidade de movimento e a transferência de calor.

2 DESENVOLVIMENTO

A convecção pode ser classificada como convecção natural (ou livre) ou forçada, dependendo de como o movimento do fluido é iniciado. Na convecção forçada, o fluido é forçado a escoar sobrea superfície ou dentro de um tubo por meios externos como bomba ou ventilador. Na convecção natural, qualquer movimento do fluido é causado por meios naturais como o efeito empuxo, que se manifesta com fluidos quentes subindo e fluidos frios descendo. A convecção é também classificada como externa ou interna, dependendo de o fluido ser forçado a escoar sobre uma superfície ou dentro um outro.

A convecção somente ocorre em líquidos e gases. Consiste na transferência de calor dentro de um fluído através de movimentos do próprio fluído. O calor ganho na camada mais baixa da atmosfera através de radiação ou condução é mais frequentemente transferido por convecção. A convecção ocorre como consequência de diferenças na densidade do ar. Quando o calor é conduzido da superfície relativamente quente para o ar sobrejacente, este ar torna-se mais quente que o ar vizinho. Ar quente é menos denso que o ar frio de modo que o ar frio e denso desce e força o ar mais quente e menos denso a subir. O ar mais frio é então aquecido pela superfície e o processo é repetido.

Desta forma, a circulação convectiva do ar transporta calor verticalmente da superfície da Terra para a troposfera, sendo responsável pela redistribuição de calor das regiões equatoriais para os pólos. O calor é também transportado horizontalmente na atmosfera, por movimentos convectivos horizontais, conhecidos por advecção. O termo convecção é usualmente restrito à transferência vertical de calor na atmosfera.

[pic 10]

Mecanismos de Transferência de Calor

Existem três mecanismos básicos para a transferência de calor, são eles: condução, convecção e radiação. Condução e convecção são semelhantes. Ambos os mecanismos requerem a presença do meio material. Entretanto, eles são diferentes, pois a convecção exige a presença de movimento de fluido.

A transferência de calor através de um sólido é sempre feita por condução, pois as moléculas do sólido permanecem em posições relativamente fixas. A transferência ele calor através de um líquido ou um gás, no entanto, pode ocorrer por condução ou convecção. Dependendo do movimento da massa do fluido. Por isso, a condução em fluido pode ser considerada um caso limite da convecção, que corresponde ao caso dos fluidos em repouso

A transferência de calor por convecção é complicada porque envolve movimento do fluido e condução de calor. A taxa de transferência de calor através de um fluido é bem mais elevada por convecção que por condução. Na verdade, quanto maior a velocidade do fluido, maior a taxa de transferência de calor. Para esclarecer melhor esse ponto, consideremos urna transferência de calor permanente através cio um fluido contido entre duas placas paralelas mantidas a diferentes temperaturas. As temperaturas do fluido e das placas são as mesmas nos pontos de contato em virtude da continuidade da temperatura. Considerando que não há movimento do fluido, a energia de suas moléculas mais quentes perto da placa quente é transferida para as moléculas adjacentes do fluido mais frio. Essa energia é, então, transferida para a próxima camada de moléculas do fluido mais frio e, a seguir, para a camada seguinte e, assim sucessivamente, até ser finalmente transferida para a outra placa. Isso é o que acontece durante a condução através de um fluido. Agora vamos usar uma seringa para tirar um pouco de fluido de perto da placa quente e injetá-lo ao lado da placa fria, repetidamente. Pode-se imaginar que isso irá acelerar consideravelmente o processo de transferência do calor, uma vez que um pouco de energia é transportada para o outro lado, como resultado do movimento do fluido.

Convecção forçada

Na convecção forçada o fluxo de calor qc entre uma parede aquecida à temperatura Tw e um fluido mais frio (temperatura média, longe da parede, T∞) é determinado a partir da lei de Newton do arrefecimento:

qc = h T( w −T∞) [W/m2]

O número de Nusselt é o parâmetro adimensional principal, fornecendo o coeficiente convectivo que permite calcular o calor transferido:

Nu =[pic 11]

Com significado físico:[pic 12]

Nu = = [pic 13][pic 14]

Em que:

h - coeficiente convectivo [W/(m2 K)]

L - dimensão característica [m]

k - condutibilidade térmica do fluido [W/(m K)]

∆T - diferença de temperaturas, entre a parede e o fluido longe da parede [K]

O movimento do fluido em convecção forçada é gerado por uma fonte de energia externa (bomba,