UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS - UFAM INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
–ICET
CURSO DE QUÍMICA INDUSTRIAL
FENÔMENOS DE TRANSPORTES II
“TRANS
FERÊNCIA
DE CALOR POR CONVECÇÃO”ITACOATIARA - AM
2012
UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS - UFAM INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA - ICET
CURSO DE QUÍMICA INDUSTRIAL
FENÔMENOS DE TRANSPORTES II
“
TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONVECÇÃO
”ACADÊMICOS: Alexandra de Lima Pereira, Aristeu Freitas Neves, Bruno Lima Ferreira, Everaldo de Queiroz Lima, Marta Luana Gadelha.
PROFESSOR: Dr. Lúcio Fábio Pereira da Silva.
ITACOATIARA
2012
Todos os direitos deste relatório são reservados à Universidade Federal do Amazonas, ao Instituto de Ciências Exatas e Tecnologia e aos seus autores. Parte
deste relatório só poderá ser reproduzida para fins acadêmicos ou científicos.
RESUMO
Este trabalho fornece alguns conceitos fundamentais básicos de transferência de calor. Estão incluídos diversos exemplos de aplicações no cotidiano e na química. O processo de transmissão de calor por convecção é frequentemente abordado de forma superficial nos livros e textos utilizados nas disciplinas de Física.
O fator determinante para que isto ocorra é a complexidade dos modelos matemáticos que descrevem tal fenômeno, especialmente na determinação do coeficiente de convecção, uma vez que este depende de muitas variáveis. A convecção pode ser classificada como natural ou forçada, dependendo do que é que está na origem do escoamento. Na convecção forçada, o fluido é forçado a escoar- se sobre uma superfície ou no interior de uma tubagem, por ação de elementos exteriores como um ventilador ou uma bomba. Na convecção natural o movimento observado é provocado por diferenças nas forças gravíticas, que se caracteriza pela ascensão do fluido mais quente e pela descida do mais frio (diferenças de densidade). A convecção pode também ser classificada como externa ou interna, dependendo se o escoamento ocorre sobre uma superfície ou no interior de um canal.
Palavras-chave: transferência de calor, convecção.
ABSTRACT
This paper provides some basic fundamental concepts of heat transfer.
Included are several examples of applications in daily life and in chemistry. The process of heat transfer by convection is often superficially addressed in books and texts used in physics. The determining factor for this to occur is the complexity of the mathematical models that describe this phenomenon, especially in determining the convection coefficient, since this depends on many variables. Convection can be classified as natural or forced, depending on what is causing the drain. At forced convection, the fluid is forced to flow on a surface or inside of a pipe by the action of external elements like a fan or a pump. In natural convection motion observed is caused by differences in gravitational force, characterized by the rise of the fluid warmer and the cooler by lower (density differences). Convection can also be classified as external or internal, depending on whether the flow occurs on a surface or inside of a channel.
Keywords: heat transfer, convection.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1. Circuito impresso sendo refrigerado ... 09
Figura 1.2. Aquecimento de água em uma panela ... 10
Figura 3.1. Desenvolvimento da camada-limite de velocidade sobre uma placa plana ... 12
Figura 3.2. Desenvolvimento da camada-limite na transferência de calor por convecção ... 12
Figura 5.1. Perfil de concentração na camada limite ... 15
Figura 6.1. Camada limite fluidodinâmica. ... 16
Figura 7.1. Transporte de calor por convecção em uma sauna ... 17
Figura 7.2. Transporte de calor por convecção em uma panela com água ... 18
Figura 7.3. Transporte de calor por convecção em uma geladeira ... 18
Figura 7.4. Transporte de calor por convecção durante o dia e a noite ... 19
Figura 7.5. Transporte de calor por convecção no movimento das placas tectônicas ... 19
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1.1. Fluxo de calor por convecção ... 11
Equação 3.1. Fluxo de calor por condução ... 13
Equação 3.2. Fluxo de calor por convecção ... 13
Equação 3.3. Coeficiente de transferência de calor por convecção ... 13
Equação 4.1. Variação da função (h)... 14
Equação 4.2. Número de Nusselt. ... 14
Equação 4.3. Número de Reynolds ... 15
Equação 4.4. Número de Grashof ... 15
Equação 5.1. Gradiente de convecção ... 15
Equação 6.1. Coeficiente de atrito local... 17
Equação 6.2. Tensão de cisalhamento ... 17
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 9
2. CONVECÇÃO ... 10
3. CAMADA LIMITE TÉRMICA ... 11
4. COEFICIENTE DE CONVECÇÃO (h) ... 13
5. CAMADA LIMITE DE CONCENTRAÇÃO ... 15
6. CAMADA LIMITE HIDRODINÂMICA ... 16
7. TRANSPORTE DE CALOR POR CONVECÇÃO NO COTIDIANO ... 19
8. TRANSPORTE DE CALOR POR CONVECÇÃO APLICADA A QUÍMICA ... 20
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 21
9 1. INTRODUÇÃO
A convecção é a designação utilizada para o mecanismo de transferência de calor por ação de um fluido. A convecção pode ser classificada como natural ou forçada, dependendo do que é que está na origem do escoamento. Na convecção forçada, o fluido é forçado a escoar-se sobre uma superfície ou no interior de uma tubagem, por ação de elementos exteriores como um ventilador ou uma bomba. Na convecção natural o movimento observado é provocado por diferenças nas forças gravíticas, que se caracteriza pela ascensão do fluido mais quente e pela descida do mais frio (diferenças de densidade). A convecção pode também ser classificada como externa ou interna, dependendo se o escoamento ocorre sobre uma superfície ou no interior de um canal.
A convecção, também, pode ser definida como o processo pelo qual energia é transferida das porções quentes para as porções frias de um fluido através da ação combinada de: condução de calor, armazenamento de energia e movimento de mistura.
O mecanismo da convecção pode ser mais facilmente entendido considerando, por exemplo, um circuito impresso (chip) sendo refrigerado (ar ventilado), como mostra a figura 1.1:
Figura 1.1: Circuito impresso sendo refrigerado
1. A velocidade da camada de ar próxima à superfície é muito baixa em razão das forças viscosas (atrito);
2. Nesta região o calor é transferido por condução. Ocorre, portanto um armazenamento de energia pelas partículas presentes nesta região;
3. Na medida em que estas partículas passam para a região de alta velocidade, elas são carreadas pelo fluxo transferindo calor para as partículas mais frias.
No caso acima dizemos que a convecção foi forçada, pois o movimento de mistura foi induzido por um agente externo, no caso um ventilador. Suponhamos que o ventilador seja retirado. Neste caso, as partículas que estão próximas à superfície continuam recebendo calor por condução e armazenando a energia. Estas partículas
10 tem sua temperatura elevada e, portanto a densidade reduzida. Já que são mais leves elas sobem trocando calor com as partículas mais frias (e mais pesadas) que descem. Neste caso dizemos que a convecção é natural (é óbvio que no primeiro caso a quantidade de calor transferido é maior).
Um exemplo bastante conhecido de convecção natural é o aquecimento de água em uma panela doméstica como mostrado na figura 1.2. Para este caso, o movimento das moléculas de água pode ser observado visualmente.
Figura 1.2: Aquecimento de água em uma panela
2. CONVECÇÃO
A convecção partilha com a condução o fato de requerer a presença de um meio material para que possa ocorrer distinguindo-se desta pelo fato de o meio se escoar. Assim, é possível dizer que a transferência de calor através de um meio sólido ocorre por condução, enquanto num meio líquido ou gasoso, pode ter lugar por condução ou convecção, dependendo da presença de um escoamento. No caso da existência de um escoamento temos uma situação de convecção e perante a ausência de movimento do fluido teremos condução.
A transferência de calor por convecção é um fenômeno complexo, pelo fato de envolver simultaneamente a transferência de calor e o movimento do fluido. O movimento do fluido em si, pode ser visto como um promotor da transferência de calor, razão pela qual a taxa de transferência de calor de um fluido é superior em convecção do que numa situação de condução pura. Na verdade, é fácil verificar que a taxa de transferência de calor varia diretamente com a velocidade do escoamento.
