Aula+07-+Introdução+à+convecção (1)

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Fenômeno dos Transportes 
Prof. Ricardo Mendes
Unidade 3 -
Introdução à Introdução à 
transferência de calor 
3.2 - Introdução à 
convecção
Transferência de Calor:
A transferência de calor, ou calor, é a energia
térmica que está em trânsito devido a umatérmica que está em trânsito devido a uma
certa diferença de temperatura finita entre dois
sistemas. A forma na qual essa transferência
de calor ocorre, dependerá do tipo de processo
de calor que está ocorrendo.
Objetivo:
 Conhecer e compreender a Lei de Newton do
resfriamento;resfriamento;
 O conceito das camadas-limite de convecção ;
 Os coeficientes convectivos local e médio.
Convecção:
Convecção: é um processo de transferência de
calor que ocorre entre a superfície de um meiocalor que ocorre entre a superfície de um meio
estacionário e um fluído em movimento, a partir
de uma diferença de temperatura entre eles.
Mecanismos de transferência de 
energia:
 Difusão: Ocorre devido ao movimento atômico e
molecular aleatório das partículas de fluido,molecular aleatório das partículas de fluido,
considerando-se o movimento microscópico das
partículas de fluido.
 Advecção: Ocorre devido ao movimento global do
fluido, ou seja, considerando-se o movimento
macroscópico do fluido.
As camadas-limite de convecção:
Considerando o escoamento de um fluido sobre uma
placa plana com sua superfície aquecida.placa plana com sua superfície aquecida.
Desenvolvi
mento da 
camada-
limite na 
convecção 
de calor
As camadas-limite de convecção:
De maneira análoga, se a temperatura da superfície e do
fluido forem diferentes, existe a formação de uma região
chamada de camada limite térmica, na qual existe um
gradiente de temperaturas, desde a temperatura da
superfície Ts até a temperatura do escoamento livre T∞.
Camada-limite térmica se desenvolve a partir de uma
diferença de temperatura entre a temperatura do fluido na
corrente livre e na superfície de um meio estacionário.
Camada-limite térmica em uma 
placa plana isotérmica:
Enquanto a espessura da camada-limite térmica cresce
com o aumento de x, os gradientes de temperatura na
camada-limite devem diminuir com o aumento de x.
Observações: 
 A difusão é dominante na região próxima à superfície 
aquecida, pois a velocidade do fluido é baixa nessa aquecida, pois a velocidade do fluido é baixa nessa 
região.
 A advecção ocorre devido ao fato de a espessura da
camada limite aumentar à medida que o escoamento 
progride em relação ao eixo x.
Classificação quanto a natureza do 
escoamento fluido: 
Convecção forçada: Ocorre quando o escoamento do fluido é
causado por um meio externo, como um ventilador, uma
bomba hidráulica, etc.
Convecção natural (convecção livre): O escoamento do fluido
é induzido por forças de empuxo, que são originadas a partir
de diferenças de densidade do fluido, causadas pela variação
de temperatura entre as partículas de fluido, devido a um
aquecimento (ou resfriamento). Ex: Ebulição da água.
Lei de Newton do resfriamento
( Calor transferido por convecção): 
).(.''  TThAq Sconv
''q ''q = Fluxo de calor (W)
h = Coeficiente de transferência de calor 
por convecção (W/m2.k)
= Temperatura da superfície (K) ST
T = Temperatura do escoamento (K) 
A = Área de transferência de calor (m2)
Fluxo de calor por convecção : 
Positivo: se a temperatura da superfície for maior que a
temperatura do fluido.temperatura do fluido.
Negativo: se a temperatura da superfície for menor que
a temperatura do fluido .
Fluxo de calor por convecção:
Valores típicos do coeficiente de transferência de calor (h) por
convecção.convecção.
Fluxo de calor por convecção
(Observações):
Sabe-se que o coeficiente h depende das condições da
camada-limite, influenciadas pela geometria da superfície,
pela natureza do escoamento, e pelas propriedades
termodinâmicas e de transporte do fluido.
Coeficientes convectivos local e 
médio:
Transferência de calor por convecção em uma
superfície arbitrária.superfície arbitrária.
Coeficientes convectivos local e 
médio:
Definindo um coeficiente convectivo médio para toda
a superfície, temos:
h
).(.  TTAhq SS
S
As
S
dAh
A
h  .
1
Os coeficientes convectivos local e médio estão 
relacionados a partir da equação.
Coeficientes convectivos local e 
médio:
Finalizando, para uma placa plana, tem-se que o
coeficiente convectivo h varia somente com o eixo x,
portanto:

L
hdx
L
h
0
1
Exemplo 1:
Resultados experimentais do coeficiente de transferência de 
calor por convecção h , para o caso de um escoamento calor por convecção h , para o caso de um escoamento 
sobre uma placa plana isotérmica, sugerem a seguinte 
relação: h = C.x-1/2 , em que C é uma constante. Determine o 
coeficiente de transferência de calor por convecção médio 
e desenvolva uma expressão que relacione os coeficientes 
convectivos local e médio. 
h
Parâmetros adimensionais importantes 
no estudo da convecção:
 Número de Reynolds:
 Número de Nusselt: muito utilizado para determinarmos Número de Nusselt: muito utilizado para determinarmos
o coeficiente de transferência de calor por convecção. Ele
indica qual é a relação da convecção com a condução de
calor.
k
Lh
N u
.

Parâmetros adimensionais importantes 
no estudo da convecção:
 Se o número de Nusselt for igual a um, significa que
temos somente transferência de calor por conduçãotemos somente transferência de calor por condução
ocorrendo, ou seja, o fluido está estacionário. Quanto
maior for o número de Nusselt, maior será a influência da
convecção na transferência de calor, ou seja, maior será o
coeficiente de transferência de calor por convecção, o que
indica que a velocidade do escoamento aumenta com o
aumento do número de Nusselt.
Parâmetros adimensionais importantes 
no estudo da convecção:
 O número de Nusselt médio é uma função do número de
Reynolds e do número de Prandtl.Reynolds e do número de Prandtl.
Pr);(
.
eLu Rf
k
Lh
N 
Pr = número de Prandtl
Parâmetros adimensionais importantes 
no estudo da convecção:
 O número de Prandtl é um parâmetro adimensional
muito utilizado para determinarmos a relação da espessuramuito utilizado para determinarmos a relação da espessura
das camadas limite térmica e de velocidade. Portanto, ele
indica a relação entre a difusividade viscosa e a
difusividade térmica.


Pr
= viscosidade cinemática (m2/s)
= condutividade térmica (m2/s)
Parâmetros adimensionais 
importantes no estudo da convecção:
 O número de Prandtl é comumente encontrado em
tabelas de propriedades, com a viscosidade cinemática e atabelas de propriedades, com a viscosidade cinemática e a
condutividade térmica, pois depende apenas do fluido e do
seu estado.
Exemplo 2:
A superfície externa das paredes de um forno industrial
possui uma área de 8m2 e é mantida a uma temperaturapossui uma área de 8m2 e é mantida a uma temperatura
de 150°C, enquanto que o ar externo do ambiente se
encontra a uma temperatura de 25°C. Considerando um
coeficiente de troca de calor por convecção de 50 W /m²⋅K,
a taxa de calor trocado por convecção entre as paredes do
forno e o ar é de?
Exemplo 3:
	Fenômeno dos Transportes Prof. Ricardo Mendes
	Transferência de Calor:
	Objetivo:
	Convecção:
	 Mecanismos de transferência de energia:
	 As camadas-limite de convecção:
	 As camadas-limite de convecção:
	 Camada-limite térmica em uma placa plana isotérmica:
	 Observações: 
	 Classificação quanto a natureza do escoamento fluido: 
	 Lei de Newton do resfriamento ( Calortransferido por convecção): 
	 Fluxo de calor por convecção : 
	 Fluxo de calor por convecção:
	 Fluxo de calor por convecção (Observações):
	 Coeficientes convectivos local e médio:
	 Coeficientes convectivos local e médio:
	 Coeficientes convectivos local e médio:
	 Exemplo 1:
	 Parâmetros adimensionais importantes no estudo da convecção:
	 Parâmetros adimensionais importantes no estudo da convecção:
	 Parâmetros adimensionais importantes no estudo da convecção:
	 Parâmetros adimensionais importantes no estudo da convecção:
	 Parâmetros adimensionais importantes no estudo da convecção:
	 Exemplo 2:
	 Exemplo 3: