439185-Cap 06 Fundamentos de Convecção, Notas de estudo de Termodinâmica

Baixe 439185-Cap 06 Fundamentos de Convecção e outras Notas de estudo em PDF para Termodinâmica, somente na Docsity!

Capítulo 6

Fundamentos de Convecção

A transferência de calor por convecção é um pouco mais complicada porque envolve movimento do fluido e condução de calor. O movimento aumenta a transferência de calor promovendo o contato entre partes mais quentes e mais frias do fluido, com isso iniciando altas taxas de condução em diversos pontos no fluido. Aliás, quanto maior a velocidade do fluido, maior a taxa de transferência de calor.

Figura 6 - 2 Consideremos a transferência de calor permanente através de um fluido entre duas placas a temperaturas diferentes conforme Fig. 6 - 2.

Portanto, a transferência de calor por convecção depende das propriedades do fluido, como viscosidade dinâmica μ, condutividade k, densidade ρ e calor específico cp, bem como da velocidade do fluido V. Também depende da geometria e rugosidade da superfície, além do tipo de escoamento (laminar ou turbulento). Apesar da complexidade da convecção, observa-se que a taxa de transferência de calor é proporcional à diferença de temperatura e está muito bem expressa pela lei de Newton do resfriamento como

Avaliando as unidades, o coeficiente de transferência de calor por convecção h pode ser definido como a taxa de transferência de calor entre uma superfície sólida e um fluido, por unidade de área e por unidade de temperatura.

Figura 6 - 3 (“Hunter Rouse: Laminar and Turbulent Flow Film”. Copyright IIHR-Hydroscience and Engineering, The University of Iowa. Usada com permissão.)

Na figura 6 - 3

nota-se o

gradiente de

velocidade

como

resultado da

aderência do

fluido à

superfície.

A camada aderente à superfície atrasa as camadas adjacentes por causa das forças viscosas. A condição de não deslizamento é responsável pelo desenvolvimento do perfil de velocidades. A região do escoamento adjacente à parede, onde os efeitos viscosos são significativos, é chamada camada limite. As consequências da condição de não deslizamento são:

• Todos os perfis de velocidade tem valor zero em relação à superfície nos de contato. (Fig. 6 - 4 )
• arrasto na superfície que é a força exercida pelo fluido sobre a superfície na direção do escoamento.

Nú mero de Nusselt

Adimensionalizar equações e combinar variáveis que se agrupam em números adimensionais para reduzir o número total de variáveis , são ações comuns que facilitam os estudos de convecção. Outra prática comum é adimensionalizar o coeficiente h usando o número de Nusselt

Figura 6 - 6 Consideremos uma camada de fluido de espessura L e diferença de temperatura ∆T = T 2 - T 1 (Fig. 6 - 6 ).

A transferência de calor ocorre por convecção quando o fluido envolve algum movimento e por condução quando o fluido está imóvel. O número de Nusselt representa o aumento da transferência de calor através da camada de fluido, como resultado da convecção em relação à condução. Quanto maior for o numero de Nusselt mais eficaz será a convecção.

CLASSIFICAÇ Ã O DO ESCOAMENTO DOS FLUIDOS

A transferência de calor por convecção está intimamente ligada à mecânica dos fluidos. Existe um grande número de problemas de escoamento de fluidos encontrados na prática. Para facilitar seu estudo, convém classificar os escoamentos em grupos, com base em algumas características comuns.

Regiõ es de escoamento viscoso versus não viscoso

• escoamento viscoso – os efeitos de atrito são significativos
• escoamento não viscoso – as forças viscosas são desprezíveis se comparada com as forças iniciais

Figura 6 - 9 (Fundamentals of Boundary Layers, National Commitee from Fluid Mechanics Films, © Education Development Center.)