Buscar

Aula 5

Prévia do material em texto

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

Outros materiais

Perguntas Recentes