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Transferência de Calor - Convecção 1 Convecção É o modo de transferência de energia entre uma superfície sólida e uma líquida ou gasosa adjacente, que está em movimento, envolvendo dois mecanismos: - movimento molecular aleatório → condução (difusão); - movimento macroscópico de massa → advecção. Na ausência de movimento do fluido ⇒ condução. Quanto mais rápido o movimento do fluido, maior a transferência de calor por convecção e mais difícil a determinação das taxas de transferência. Camada limite térmica: - região no fluido na qual a temperatura varia da temperatura da superfície sólida limitante (Ts), em y=0, até a temperatura média da região externa (T∞). Figura 1 – Como acontece a convecção A transferência de calor por convecção acontece entre a superfície limitante (bloco quente) e o fluido em movimento (ar). - inicialmente o calor é transferido para a camada de ar adjacente ao bloco por condução: contato direto; - em seguida o calor é transportado para longe da superfície por convecção, isto é, pelos efeitos combinados de condução dentro do ar, e pela advecção, que remove o ar aquecido próximo à superfície e o substitui por ar mais frio, até acontecer o resfriamento total do bloco quente exposto ao ar. Transferência de Calor - Convecção Obs.: a camada limite térmica pode ser maior, menor ou igual à camada limite hidrodinâmica (estudada em Mecânica dos Fluidos). 2 Natureza da convecção A convecção pode ser livre ou forçada. a) Livre ou natural O movimento das massas de fluido é causado por forças de flutuação (empuxo - E) induzidas por diferenças de densidades devidas às diferenças de temperatura. � � �∀� � ↑ ⇒ � ↓ b) Forçada Há presença de agentes externos que intensificam a transferência de calor, tais como um ventilador, uma bomba ou o vento. Figura 2 – Convecção natural e forçada 3 Energias transferidas no processo São transferidos dois tipos de energia no processo: a) energia sensível → associada às variações da energia cinética das moléculas ( T); b) energia latente → alterações nas estruturas físicas dos fluidos e isto acontece quando há mudanças de fase. Exemplos: bolhas de vapor no fundo de vasilhames aquecidos, gotas de água nas superfícies externas a fluidos com menor temperatura. Transferência de Calor - Convecção Figura 3 – Transferência de calor latente (www.ciencias.seed.pr.gov.br) 4 Lei básica A lei que rege a convecção é chamada lei de Newton do resfriamento ������ � ��� � � �� ��� Em que: - ������ é a taxa de transferência de calor por convecção (W); - h é o coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m².K); - A é a área da superfície através da qual a transferência de calor por convecção ocorre (m²); - Ts é a temperatura da superfície do corpo (K); - T∞ é a temperatura do fluido suficientemente longe da superfície do corpo, onde já não sofre mais seus efeitos (K). Obs.: note que na superfície de contato fluido-sólido as temperaturas são iguais (Ts=T∞). 5 Coeficiente de transferência de calor por convecção (h) Não é propriedade física do fluido. Parâmetro determinado experimentalmente (DESAFIO), cujo valor depende de todas as variáveis que influenciam a convecção: - geometria da superfície limitante; - natureza do movimento do fluido; Transferência de Calor - Convecção - propriedades físicas e termodinâmicas do fluido; - velocidade do fluido ou propriedades de transporte do fluido. Também chamado: - condutância de película; - coeficiente de película; - coeficiente de transferência convectiva de calor. Consistência dimensional: Itens SI Técnico Inglês QConv W=J/s kcal/h Btu/h A m² m² ft² T K °C °F h W/m².K kcal/h.m².°C Btu/h.ft².°F Valores típicos: Convecção Fluido h (W/m².K) Livre ou natural Gases 2 a 25 Líquidos 10 a 1.000 Forçada Gases 25 a 250 Líquidos 50 a 20.000 Com mudança de fase 2.500 a 100.000 6 Resistência térmica na convecção Semelhantemente à condução, definimos a resistência que o fluido oferece à transmissão de calor por convecção como resistência térmica convectiva, RConv: ����� � 1 �� E a taxa de transferência de calor por convecção é assim representada: Transferência de Calor - Convecção ������ � ∆ ����� Observe que a transferência de calor acontece entre a superfície e o fluido em sua vizinhança, portanto a configuração que se deve considerar é a área externa: - parede plana: � � !. � - cilindro: � � #$% - esfera: � � 4#'( Figura 4 – Configurações de transferência de calor por convecção: parede plana, cilindro e esfera. EXERCÍCIOS
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