TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONVECÇÃO

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1 RANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONVECÇÃO ransferência de energia entre uma superfície e um fluido em movimento sobre essa superfície Fluido em movimento, u, s > A convecção inclui a transferência de energia pelo movimento global do fluido (advecção) e pelo movimento aleatório das moléculas do fluido (condução ou difusão)

2 Forçada por meios externos: ventilador, bomba ou vento Forças de flutuação causadas por diferença de densidade, devido à variação da temperatura do fluido Convecção com Mudança de fase movimento induzido pelas bolhas ou gotículas de líquido

3 Classificação dos escoamentos Escoamentos VISCOSOS vs. INVÍSCIDOS Escoamentos INERNOS vs. EXERNOS Escoamentos COMPRESSÍVEIS vs. INCOMPRESSÍVEIS Escoamentos LAMINARES vs. URBULENOS Escoamentos NAURAIS (LIVRES) vs. FORÇADOS Escoamentos PERMANENES vs. RANSIENES Escoamentos UNI, BI ou RIDIMENSIONAIS

4 FAORES QUE INFLUENCIAM A CONVECÇÃO Propriedades do fluido: massa específica, viscosidade, condutividade térmica, calor específico Propriedades do escoamento: velocidade (laminar, turbulento), temperatura Geometria: escoamento externo, interno, rugosidade da superfície

5 Massa específica kg/m³ Viscosidade dinâmica Ns/m² k Condutividade térmica W/m²K Cp Calor específico J/kgK Viscosidade cinemática m²/s Difusividade térmica m²/s

6 Convecção lei de resfriamento AXA DE CALOR (W) FLUXO DE CALOR (W/m²)

7 CAMADA LIMIE DE VELOCIDADE Região de escoamento afetada cinematicamente pela presença do corpo Perfil de velocidade (ação viscosa) Corrente livre Camada limite de velocidade espessura da c.l.: valor de para u0,99 u Com aumento de x efeitos de viscosidade penetram na corrente livre e C.L. aumenta ( aumenta com x) - Parede: condição de não-deslizamento - Corrente livre: escoamento irrotacional (inviscido) - Aparecimento do perfil de velocidades: origem da força de arraste - maneira na qual u varia com através da camada limite - gradientes de velocidade e são consideráveis

8 C.L. de velocidade na mecânica dos fluidos: fornece a base para o cálculo do coeficiente de atrito Para escoamento externo O gradiente de velocidade na superfície depende da distância x da aresta frontal da placa

9 CAMADA LIMIE DE ÉRMICA Corrente livre Camada limite térmica t espessura da c.l.: valor de para: (s-)/(s- ) 0,99 Com aumento de x efeitos da transferência de calor penetram na corrente livre e C.L. aumenta ( t aumenta com x) Se desenvolve se houver diferença de temperatura entre a temperatura da superfície, s, e a da corrente livre de fluido, Região do escoamento afetada termicamente pela presença do corpo Parede: não deslizamento (condução pura) Corrente livre: irrotacional (isotérmico) Na camada limite: perfil de temperatura (condução + advecção), (x, )

10 / 0 diminui com o aumento de x q e h diminuem A relação entre as condições na camada limite térmica e o coeficiente de transferência de calor por convecção, h, pode ser demonstrada Sobre a transferência de calor, a condição de não deslizamento (condução pura) leva a: Fluxo térmico na superfície local q " k - k 0 " k " c q q h - Lei de resfriamento de Newton ( s k ) " q c h( - s ) 0 0 As condições na c.l.t. que influenciam o gradiente de temperatura na superfície determinam a C na através da camada

11 hlocal e hmédio O fluxo térmico na superfície e o coeficiente de transferência de calor convectivo variam ao longo da superfície q q" das ou q ( - s ) hdas q A s - ha s ( s ) h 1 L 0 L h hdx 1 A s A s A s hdas

12 ESCOAMENOS LAMINAR E URBULENO Região turbulenta Camada de amortecimento Subcamada viscosa Laminar ransição urbulento Escoamento laminar: movimento altamente ordenado Escoamento turbulento: altamente irregular e caótico, resulta em flutuações de velocidade e de pressão Subcamada viscosa: transporte dominado pela difusão, grandes gradientes de velocidade Região turbulenta: transporte dominado pela mistura turbulenta, perfil de velocidades plano maiores na porção turbulenta da c.l. que na porção laminar A turbulência afeta a espessura da C.L. e o perfil de velocidades

13 ESCOAMENOS LAMINAR E URBULENO A ocorrência de um regime laminar ou turbulento, e a transição entre eles, está associada à relação entre as forças de inércia e viscosas no escoamento Número de Renolds, Re Forças de inércia/ Forças viscosas Re 2 ρu L μul 2 Re ρu μ L u L ν - Re << as forças de inércia são insignificantes em relação às viscosas e os distúrbios são dissipados e os escoamento permanece laminar - Re>> as forças de inércia são suficientes para amplificar os mecanismos de gatilho e a transição para a turbulência ocorre. Para escoamento sobre placa plana: 5 cr 5x10 - A turbulência intensifica a transferência de calor, mas às custas de um aumento nas perdas por atrito Re

14 Número de Nusselt, Nu 0 s ) ( k h _ - s _ s _ L e L x x 0 L k h s s ) - ( ) - ( - 0 L k h + 0 k hl Nu + Parâmetro adimensional resultante a partir das definições do coeficiente de transferência de calor Parâmetro igual ao gradiente de temperatura adimensional na superfície e fornece uma medida da transferência de calor por convecção na superfície

15 Nu hl k + 0 Representa para a camada limite térmica o que o coeficiente de atrito representa para a camada limite de velocidade Nu f ( x,re L,Pr) A partir de Nu o h local pode ser determinado e o fluxo térmico local. O coeficiente médio é obtido por integração ao longo da superfície e independente da variável espacial x Nu hl k f (Re L,Pr)

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18 Equações da camada limite laminar 1. Equação da conservação da massa equação da continuidade - Bidimensional - Coordenadas cartesianas x e - Fluido incompressível - constante - massa específica - u e velocidades nas direções x e - W largura - Coordenadas cilíndricas

19 2. Equação de momentum

20 3. Equação da conservação de energia Energia térmica deixa o v.c. devido ao movimento do fluido (advecção) Entrada líquida de energia devido a condução em Dissipação viscosa