PF32P
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Aula #9
Introdução à Convecção
Sumário
Introdução
As Camadas-Limite da Convecção
A Camada-Limite Fluidodinâmica
A Camada-Limite Térmica
Coeficientes Convectivos de Transferência de Calor Local e Médio
Escoamentos Laminar e Turbulento
Camadas-Limite Fluidodinâmicas Laminar e Turbulenta
Camadas-Limite Térmicas Laminar e Turbulenta
Significado Físico dos Parâmetros Adimensionais
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Introdução
Convecção: é a transferência de calor que ocorre entre uma superfície e um fluido em movimento quando eles se encontram em temperaturas diferentes (desenvolvimento simultâneo das camadas-limite fluidodinâmica e térmica) .
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A convecção inclui transferência de energia pelo movimento global do fluido (advecção) e pelo movimento aleatório das moléculas do fluido (condução ou difusão).
CONdução + adVECÇÃO = CONVECÇÃO
O estudo e a observação dos fenômenos relacionados com a camada-limite são essenciais para a compreensão da
transferência de calor convectiva (importância da Mecânica dos Fluidos).
A classificação da transferência de calor por convecção pode ser realizada de acordo com a natureza do escoamento do fluido.
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Lei de Resfriamento de Newton
q" é o fluxo de calor por convecção [W/m²]
h é o coeficiente de transferência de calor por convecção [W/m²/K]
Ts é a temperatura da superfície [K]
T∞ é a temperatura do fluido [K]
h T T
q
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h depende das condições na camada-limite, as quais, por sua vez, são influenciadas pela geometria da superfície, pela
natureza do movimento do fluido e por uma série de propriedades termodinâmicas e de transporte do fluido.
Todo estudo de convecção, em última análise, se reduz ao estudo dos procedimentos pelos quais h pode ser
determinado.
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As Camadas-Limite
da Convecção
A Camada-Limite Fluidodinâmica
2
2
u Cf s
0
y
s y
u
0,99 u
y
u
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A Camada-Limite Térmica
0,99 T
T
y T T
s s
t
0
y f
s y
k T q
T T
y T
k h
s
f y 0
Coeficientes Convectivos de Transferência de
Calor Local e Médio
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sAs s
s As
A d h T
T A
d q
q
Coeficiente Convectivo Local
Coeficiente Convectivo Médio
Caso Particular: escoamento sobre uma placa plana
hA T T q s s
hA T T q s s
As
s s
dA A h
h 1
L
dx L h
h
1
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O fluxo local e/ou a taxa de transferência de calor total são de capital importância em qualquer problema de convecção.
Essas grandezas são determinadas pela Lei de Resfriamento de Newton, que depende do conhecimento dos coeficientes
convectivos de transferência de calor local e médio.
É por esse motivo, que o objetivo do estudo da convecção é a determinação desses coeficientes.
Contudo, o problema não é simples, pois, além de depender de
inúmeras propriedades do fluido, os coeficientes convectivos são funções da geometria da superfície e das condições do
escoamento.
Esta multiplicidade de variáveis independentes resulta do fato de que a transferência de calor por convecção é influenciada pelas camadas-limite que se desenvolvem simultaneamente sobre a superfície.
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Escoamentos Laminar
e Turbulento
A primeira etapa essencial no tratamento de qualquer problema de convecção é a determinação se a camada-limite é laminar ou turbulenta.
O atrito superficial e a taxa de transferência de calor por
convecção dependem fortemente de qual dessas condições do escoamento está presente.
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Camadas-Limite Fluidodinâmicas Laminar e Turbulenta
105
5.
Rex,c
O perfil de velocidades turbulento é relativamente plano devido à mistura que ocorre no interior da camada de amortecimento e da região turbulenta, dando lugar a grandes gradientes de
velocidade na sub-camada viscosa.
turbulenta ,
s ar
min la ,
s
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Camadas-Limite Térmicas Laminar e Turbulenta
Como a distribuição de velocidades determina o componente advectivo do transporte de energia térmica no interior da camada-limite, a natureza do escoamento também tem uma profunda influência nas taxas convectivas de transferência de calor.
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Significado Físico dos Parâmetros
Adimensionais
Todos os parâmetros adimensionais possuem interpretações físicas relacionadas às condições no escoamento, não somente para
camadas-limite como também para outros tipos de escoamento, tais como os escoamentos internos.
Por exemplo, o número de Reynolds, ReL , pode ser interpretado como a razão entre as forças de inércia e as forças viscosas
numa região de dimensão característica L.
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A interpretação física do número de Prandtl, Pr, é proveniente de sua definição como a razão entre a difusividade de momentum (υ) e a difusividade térmica (α).
O número de Prandtl fornece uma medida da efetividade relativa dos transportes, por difusão, de momentum e de energia no
interior das camadas-limite fluidodinâmica e térmica, respectivamente.
n t
Pr
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Referências
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BERGMAN, T.L. & LAVINE, A.S., 2019. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 8ª ed., 648p.
BiblioTec:
https://integrada.minhabiblioteca.com.br/books/9788521636656
ÇENGEL, Y.A. & GHAJAR, A.J., 2012. Transferência de Calor e Massa: Uma Abordagem Prática. Porto Alegre, RS: McGraw- Hill, 4ª ed., 904p.
BiblioTec:
https://integrada.minhabiblioteca.com.br/books/9788580551280
6ª Lista de Exercícios
Capítulo 6 (Bergman & Lavine, 2019):
6.1, 6.6, 6.9, 6.12, 6.26, 6.31
