Convecção (natural e forçada) Prof. Dr. Edval Rodrigues de Viveiros
Convecção natural Convecção forçada
Convecção natural A transmissão de calor por convecção natural ocorre sempre quando um corpo é colocado num fluido a uma temperatura maior ou menor do que a do corpo. Em consequência da diferença de temperatura, o calor flui entre o fluido e o corpo e causa uma variação de densidade nas camadas fluidas situadas nas vizinhanças da superfície. A diferença de densidade induz um escoamento descendente do fluido mais pesado e ascendente do fluido mais leve. Esse mecanismo de transmissão de calor é chamado de convecção natural ou livre. O movimento do ar no deserto, num dia calmo; a troca de calor nos radiadores de vapor, nas paredes de um edifício e no corpo humano estacionário numa atmosfera calma, são exemplos de convecção natural.
Equações que regem a dinâmica do fenômeno (momentum)
Convecção forçada Quando o movimento é causado por um agente externo, como uma bomba ou um ventilador, tem-se a convecção forçada. O resfriamento de um radiador de automóvel, pelo ar soprado por um ventilador, é um exemplo de convecção forçada.
Número de Grashof O parâmetro β é a expansividade do volume (K 1 ), g é a aceleração devido à gravidade, ΔT é a diferença de temperatura entre a superfície quente e o corpo do fluido (K), L é o comprimento ou dimensão característica (isto depende do objeto) e ν é a viscosidade.
Para uma placa vertical Transformadores de Distribuição Transformadores de Força
Número de Nusselt O Número de Nusselt é uma grandeza bastante utilizada para a determinação do coeficiente de transferência de calor por convecção, baseada na análise dimensional, na qual é utilizada para determinar parâmetros através de relações de similaridade. Onde h = coeficiente aplicável médio entre a borda inferior da placa e qualquer ponto a uma distância L (W/m². K) L = altura de uma superfície vertical (m) k f = condutividade térmica (W/m. K)
Geometria Plano inclinado Disco inclinado Cilindro vertical Cone Cilindro horizontal Comprimento característico x (distância ao longo do plano) 9D/11 (D = Diâmetro) x (altura do cilindro) 4x/5 (x = distância ao longo da superfície inclinada) (D = Diâmetro do cilindro) Nu 0 0.68 0.56 0.68 0.54 0.36
Número de Prandtl O número de Prandtl {P r } é um número adimensional que aproxima a razão de difusividade de momento (viscosidade cinemática) e difusividade térmica de um fluido, expressando a relação entre a difusão de quantidade de movimento e a difusão de quantidade de calor dentro do próprio fluido, sendo uma medida da eficiência destas transferências nas camadas limites hidrodinâmica e térmica. É um grupo adimensional importante para o estudo dos processos de transferência de calor por convecção.
onde: ν: viscosidade cinemática, ν = µ\ρ, (em unidades do SI : m²/s) α : difusividade térmica, α =k/(ρc p ), (unidades do SI : m²/ s) µ : viscosidade dinâmica, (unidades do SI : Pa s) k: condutividade térmica, (unidades do SI : W/(m K) ) c p : calor específico, (unidades do SI : J/(kg K) ) ρ : densidade, (unidades do SI : kg/m³ ).
Valores característicos do número de Prandtl Metais líquidos Sódio 0.011 Mercúrio 0.0196 Bismuto 0.0142 Gases Ar 0.70 Dióxido de carbono 0.75 Monóxido de carbono 0.73 Hélio 0.68 Hidrogênio 0.70 Outros líquidos Água 4.6 Fluidos viscosos Óleo lubrificante de motor 3400 Glicerina 3060
Número de Rayleigh O número de Rayleigh é definido como o produto do número de Grashof, que descreve a relação entre flutuabilidade e viscosidade dentro de um fluido, e o número de Prandtl, que descreve a relação entre a difusividade dinâmica e a difusividade térmica. Assim, o número de Rayleigh também pode ser visto como a razão de forças e de flutuabilidade e (o produto de) difusividades térmica e dinâmica. L 3
Exemplo: A superfície das paredes de um fogão de cozinha encontram-se na temperatura de 37,5 C enquanto a temperatura do forno está a 200 C. O fogão tem 0,75 m de altura e suas paredes tem 0,7 m de largura. Se a temperatura do ar na cozinha for de 17,5 C calcule a quantidade de calor perdida pelas paredes laterais do fogão.