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3.1 Mecanismos de transferência de calor

3.1.2 Transferência de calor por convecção

Sempre que um fluido se desloca sobre uma superfície sólida ou dentro de um tubo, e se as temperaturas do fluido e da parede do tubo forem diferentes, existirá transferência de calor por convecção entre o fluido e o sólido [14].

Existem dois tipos de convecção relativamente à forma como o fluido se desloca. Assim: - No caso do fluido se deslocar por ação de uma bomba ou de um motor, por exemplo, a convecção é forçada;

- No caso de o fluido se deslocar por efeito de diferenças de temperatura, que causa uma diferença de densidade, a convecção é natural.

O fluxo de calor que é transmitido por convecção pode ser calculado pela Equação (3.11), conhecida como lei de Newton de arrefecimento.

q=∝×A× Tp-T∞ [W] (3.11)

Nesta Equação o parâmetro (Tp-T∞) representa a diferença de temperaturas entre a parede e o

fluido. Por sua vez o parâmetro (α) representa o coeficiente de transferência de calor por convecção.

O coeficiente de transferência de calor por convecção é um item decisivo nos problemas de convecção. É um parâmetro complexo que depende das várias condições em que o escoamento se desenvolve. Assim este coeficiente depende da geometria do escoamento, da velocidade e da sua área. Depende também das características do fluido, como sejam a densidade, a viscosidade e a condutibilidade térmica. Depende ainda do tipo de convecção, se é forçada ou natural.

Posto isto importa agora analisar as questões que estão mais relacionadas com a problemática desenvolvida no capítulo 5. Concretamente com a determinação do coeficiente de transferência de calor por convecção do escoamento no interior dos tubos do permutador, abordada na secção 5.3.3.2.

Para o efeito, dada a importância que têm na caracterização dos escoamentos, comece-se por interpretar os conceitos dos números adimensionais de Reynolds, de Nusselt e de Prandtl. Estes grupos adimensionais, ao definirem os escoamentos em termos de todas as suas propriedades físicas e geométricas, tornam-se absolutamente fundamentais na determinação do coeficiente de transferência de calor por convecção, de qualquer tipo de escoamento.

 Número de Reynolds

Este agrupamento adimensional assume grande importância na análise dos escoamentos. Ao conjugar, através de um modelo matemático, algumas características do escoamento e do fluido, ele determina a zona de transição de um escoamento laminar para um escoamento turbulento.

O escoamento na sua fase inicial apresentam condições de escoamento laminar. Seguidamente surge uma zona de transição e por fim o escoamento surge desenvolvido e turbulento, com as suas partículas em movimentos aleatórios.

Estas zonas do escoamento dependem das características do fluido e das propriedades do escoamento. Nomeadamente se é sobre uma placa plana ou no interior de um tubo.

Considerando o escoamento no interior de tubos, caso identificado com a problemática desenvolvida na secção 5.3.3.2, o número de Reynolds conjuga as seguintes propriedades [13]:

- A Viscosidade cinemática do fluido, - O diâmetro interior dos tubos. - A velocidade média do fluido

Neste tipo de escoamento na entrada do tubo existe na entrada do tubo um perfil de velocidade uniforme, igual à velocidade do fluido não perturbado. À medida que o escoamento evolui, a camada limite aumenta, pela ação da parede, até ao ponto onde o escoamento se encontra plenamente desenvolvido. A partir deste ponto o perfil de velocidades mantém-se inalterado [13]. A Figura 3.4 mostra o tipo de perfil de velocidade para o escoamento laminar e turbulento.

Figura 3.4 – Desenvolvimento da camada limite fluidodinâmica laminar num tubo circular Importado de [15]

Nestes escoamentos a transição da zona laminar para a zona turbulenta ocorre para valores 2000 < Red < 4000.

Assim, admitindo um escoamento plenamente desenvolvido no interior de um tubo, segundo [13], o número de Reynolds é usado como critério para definir a transição entre escoamento laminar e turbulento e pode ser calculado pela Equação (3.12).

Red=μm×di

ν (3.12)

A Equação acima pode ser reescrita em função do caudal e da área da secção transversal do tubo, dando origem à Equação (3.13).

Red=ρ×π×d4×ṁ

i×ν (3.13)

Onde:

ṁ representa o caudal,

µm representa a velocidade média do fluido, di representa o diâmetro interno do tubo, ν representa a viscosidade cinemática da água, e ρ representa a massa específica da água.  Número de Prandtl

Para que se perceba o significado deste grupo adimensional, é importante referir primeiro o conceito de camada limite térmica.

A camada limite térmica pode ser entendida como sendo a zona do escoamento onde existem gradientes de temperatura, Figura 3.5, devidos à transferência de calor entre o fluido e a parede.

Figura 3.5 – Desenvolvimento da camada limite térmica num tubo circular aquecido Importado de [15]

“O número de Prandtl é um parâmetro que relaciona as espessuras relativas das camadas limite hidrodinâmica e térmica” [13].

Por outras palavras relaciona a viscosidade cinemática (ν) e a difusibilidade térmica de um fluido (α). Assim temos uma relação entre a difusão no fluido da quantidade de movimento, e a difusão no fluido do calor, Equação (3.14).

Pr=να=Cλpμ (3.14)

O número de Prandtl é também um valor adimensional, podendo o seu valor ser encontrado em tabelas termodinâmicas, em função da temperatura média (da mistura) do fluido.

 Número de Nusselt

O número de Nusselt representa a razão entre o coeficiente de transferência de calor por convecção e o coeficiente de transferência de calor por condução de um fluido. Ele pode ser traduzido pela Equação (3.15). Ou seja, a razão entre a transferência de calor do fluido em movimento e a transferência de calor do fluido “parado”.

Nud=∝×dλ i (3.15)

O número de Nusselt é também uma correlação adimensional, que, consoante o tipo de escoamento considerado, relaciona os números de Reynolds, Prandtl, e de outras características desse referido escoamento.

Considerando um escoamento no interior de um tubo, desenvolvido e turbulento, o Número de Nusselt pode ser calculado pela Equação (3.16).

Nud=0.023×Red0.8×Prn (3.16)

Onde o parâmetro (n) terá o valor de 0.4 para aquecimento e 0.3 para arrefecimento.

A determinação do coeficiente de transferência de calor por convecção do lado dos tubos no permutador, considerado no contexto da secção 5.3.3.2, pode ser feita com o recurso a estas considerações. Podendo escrever-se a Equação (3.17).

α=Nud×λ

di (3.17)