Não categorizado

Camada limite de velocidade

Em geral, quando um fluxo de fluido sobre uma superfície estável , por exemplo, a placa plana, o leito de um rio, ou a parede de um tubo, o fluido de tocar a superfície é levada a restante pela tensão de corte para a parede. A região na qual o fluxo se ajusta da velocidade zero na parede ao máximo na corrente principal do fluxo é denominada camada limite . O conceito de camadas limite é importante em toda a dinâmica de fluidos viscosos e também na teoria da transferência de calor.

As características básicas de todas as camadas limite laminar e turbulenta são mostradas no fluxo em desenvolvimento sobre uma placa plana. Os estágios da formação da camada limite são mostrados na figura abaixo:

Camadas de limite pode ser laminar ou turbulento , dependendo do valor do número de Reynolds .

Veja também: Camada limite

Camada de limite térmico

Da mesma forma, como uma camada limite de velocidade se desenvolve quando há fluxo de fluido sobre uma superfície, uma camada limite térmica deve se desenvolver se a temperatura do volume e a temperatura da superfície diferirem. Considere fluir sobre uma placa plana isotérmica a uma temperatura constante de T _parede . No bordo de ataque do perfil de temperatura é uniforme com t _{grandes quantidades} . As partículas de fluido que entram em contato com a placa alcançam equilíbrio térmico na temperatura da superfície da placa. Neste ponto, o fluxo de energia ocorre na superfície puramente por condução. Essas partículas trocam energia com as da camada de fluido adjacente (por condução e difusão) e gradientes de temperatura se desenvolvem no fluido. A região do fluido em que esses gradientes de temperatura existem é a camada limite térmica . A sua espessura , δ _t , é tipicamente definido como a distância a partir do corpo ao qual a temperatura é de 99% da temperatura encontrado a partir de uma solução não-viscoso. Com o aumento da distância da borda principal, os efeitos da transferência de calor penetram mais no fluxo e a camada limite térmica cresce.

A proporção destas duas espessuras (velocidade e camadas de fronteira térmica) é regulada pelo número de Prandtl , a qual é definida como a razão de difusividade impulso a difusividade térmica . Um número Prandtl de unidade indica que o momento e a difusividade térmica são comparáveis, e as camadas de velocidade e limite térmico quase coincidem uma com a outra. Se o número de Prandtl for menor que 1, como é o caso do ar em condições padrão, a camada limite térmica é mais espessa que a camada limite de velocidade. Se o número de Prandtl for maior que 1, a camada limite térmica será mais fina que a camada limite de velocidade. O ar à temperatura ambiente tem um número Prandtl de 0,71 e, paraágua a 18 ° C é de cerca de 7,56 , o que significa que a difusividade térmica é mais dominante para o ar do que para a água.

Da mesma forma que para o Número Prandtl , o número de Lewis relaciona fisicamente a espessura relativa da camada térmica e a camada limite de transferência de massa (concentração). O número de Schmidt relaciona fisicamente a espessura relativa da camada limite de velocidade e a camada limite de transferência de massa (concentração).

Correntes de Convecção – Circulação Atmosférica

Um dos fenômenos de maior importância para o clima da Terra é a circulação atmosférica , que é o movimento do ar em larga escala, e é um meio pelo qual a energia térmica (juntamente com a circulação do oceano) é distribuída na superfície da Terra. . A circulação atmosférica da Terra varia de ano para ano, mas a estrutura em larga escala de sua circulação permanece bastante constante.

A circulação atmosférica é uma conseqüência da iluminação da Terra pelo Sol e das leis da termodinâmica . A circulação atmosférica pode ser vista como um motor de calor acionado pela energia do Sol, e cuja energia afunda, em última análise, é a escuridão do espaço. Deste ponto de vista, também as turbinas eólicas são movidas pelo sol.

Criação de correntes de convecção

A criação de correntes de convecção  é baseada em três suposições físicas:

• Presença de fonte de calor . A fonte de calor é necessária, porque  as correntes de convecção  são geradas por diferenças de densidade no fluido que ocorre devido a gradientes de temperatura. Na convecção natural, o fluido em torno de uma fonte de calor recebe calor e, por expansão térmica, torna-se menos denso e sobe. A expansão térmica do fluido desempenha um papel crucial. Em outras palavras, os componentes mais pesados ​​(mais densos) cairão, enquanto os componentes mais leves (menos densos) subirão, levando ao movimento de fluidos a granel.
• Presença de aceleração adequada. A convecção natural só pode ocorrer em um campo gravitacional ou na presença de outra aceleração adequada, como aceleração, força centrífuga e força de Coriolis. A convecção natural essencialmente não opera na órbita da Terra. Por exemplo, na Estação Espacial Internacional em órbita, são necessários outros mecanismos de transferência de calor para impedir o superaquecimento dos componentes eletrônicos.
• Geometria adequada . A presença e magnitude da convecção natural também dependem da geometria do problema. A presença de um gradiente de densidade de fluido em um campo gravitacional não garante a existência de correntes de convecção naturais. Esse problema é ilustrado na figura a seguir, onde um fluido é fechado por duas grandes placas horizontais de temperatura diferente (T _superior  ≠ T _inferior ).
  • No  caso A,  a temperatura da placa inferior é superior à temperatura da placa superior. Nesse caso, a densidade diminui na direção da força gravitacional. Essa geometria induz a circulação de fluidos e a transferência de calor ocorre por  circulação natural . O fluido mais pesado descerá, sendo aquecido no processo, enquanto o fluido mais leve subirá, esfriando à medida que se move.
  • No  caso B,  a temperatura da placa inferior é inferior à temperatura da placa superior. Nesse caso, a densidade aumenta na direção da força gravitacional. Essa geometria leva a condições estáveis, gradiente de temperatura estável e não induz a circulação de fluidos. A transferência de calor ocorre apenas por condução térmica.

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Criação de correntes de convecção

A criação de correntes de convecção  é baseada em três suposições físicas:

• Presença de fonte de calor . A fonte de calor é necessária, porque  as correntes de convecção  são geradas por diferenças de densidade no fluido que ocorre devido a gradientes de temperatura. Na convecção natural, o fluido em torno de uma fonte de calor recebe calor e, por expansão térmica, torna-se menos denso e sobe. A expansão térmica do fluido desempenha um papel crucial. Em outras palavras, os componentes mais pesados ​​(mais densos) cairão, enquanto os componentes mais leves (menos densos) subirão, levando ao movimento de fluidos a granel.
• Presença de aceleração adequada. A convecção natural só pode ocorrer em um campo gravitacional ou na presença de outra aceleração adequada, como aceleração, força centrífuga e força de Coriolis. A convecção natural essencialmente não opera na órbita da Terra. Por exemplo, na Estação Espacial Internacional em órbita, são necessários outros mecanismos de transferência de calor para impedir o superaquecimento dos componentes eletrônicos.
• Geometria adequada . A presença e magnitude da convecção natural também dependem da geometria do problema. A presença de um gradiente de densidade de fluido em um campo gravitacional não garante a existência de correntes de convecção naturais. Esse problema é ilustrado na figura a seguir, onde um fluido é fechado por duas grandes placas horizontais de temperatura diferente (T _superior  ≠ T _inferior ).
  • No  caso A,  a temperatura da placa inferior é superior à temperatura da placa superior. Nesse caso, a densidade diminui na direção da força gravitacional. Essa geometria induz a circulação de fluidos e a transferência de calor ocorre por  circulação natural . O fluido mais pesado descerá, sendo aquecido no processo, enquanto o fluido mais leve subirá, esfriando à medida que se move.
  • No  caso B,  a temperatura da placa inferior é inferior à temperatura da placa superior. Nesse caso, a densidade aumenta na direção da força gravitacional. Essa geometria leva a condições estáveis, gradiente de temperatura estável e não induz a circulação de fluidos. A transferência de calor ocorre apenas por condução térmica.

Correntes de convecção

O movimento que resulta da substituição contínua do fluido aquecido nas proximidades da fonte de calor pelo fluido mais frio nas proximidades é chamado de  corrente de convecção natural , e a transferência de massa e calor que é aprimorada como resultado dessa  corrente de convecção natural  é chamada  massa de convecção natural e transferência de calor .

As correntes de convecção  são geradas por diferenças de densidade no fluido que ocorre devido a gradientes de temperatura. As correntes de convecção estão associadas à  convecção natural , na qual qualquer movimento de fluido ocorre por meios naturais, como a flutuabilidade. Na convecção natural, matéria e calor são movidos de um local para outro. As correntes de convecção  atraíram muita atenção dos pesquisadores devido à sua presença tanto na natureza quanto em aplicações de engenharia.

Na natureza, as correntes de convecção formadas pelo aumento do ar acima da terra ou da água aquecidas pelo sol são uma das principais características de todos os sistemas climáticos. As correntes de convecção também são vistas na crescente nuvem de ar quente do fogo, das placas tectônicas e da circulação oceânica.

Criação de correntes de convecção

A criação de correntes de convecção  é baseada em três suposições físicas:

• Presença de fonte de calor . A fonte de calor é necessária, porque  as correntes de convecção  são geradas por diferenças de densidade no fluido que ocorre devido a gradientes de temperatura. Na convecção natural, o fluido em torno de uma fonte de calor recebe calor e, por expansão térmica, torna-se menos denso e sobe. A expansão térmica do fluido desempenha um papel crucial. Em outras palavras, os componentes mais pesados ​​(mais densos) cairão, enquanto os componentes mais leves (menos densos) subirão, levando ao movimento de fluidos a granel.
• Presença de aceleração adequada. A convecção natural só pode ocorrer em um campo gravitacional ou na presença de outra aceleração adequada, como aceleração, força centrífuga e força de Coriolis. A convecção natural essencialmente não opera na órbita da Terra. Por exemplo, na Estação Espacial Internacional em órbita, são necessários outros mecanismos de transferência de calor para impedir o superaquecimento dos componentes eletrônicos.
• Geometria adequada . A presença e magnitude da convecção natural também dependem da geometria do problema. A presença de um gradiente de densidade de fluido em um campo gravitacional não garante a existência de correntes de convecção naturais. Esse problema é ilustrado na figura a seguir, onde um fluido é fechado por duas grandes placas horizontais de temperatura diferente (T _superior  ≠ T _inferior ).
  • No  caso A,  a temperatura da placa inferior é superior à temperatura da placa superior. Nesse caso, a densidade diminui na direção da força gravitacional. Essa geometria induz a circulação de fluidos e a transferência de calor ocorre por  circulação natural . O fluido mais pesado descerá, sendo aquecido no processo, enquanto o fluido mais leve subirá, esfriando à medida que se move.
  • No  caso B,  a temperatura da placa inferior é inferior à temperatura da placa superior. Nesse caso, a densidade aumenta na direção da força gravitacional. Essa geometria leva a condições estáveis, gradiente de temperatura estável e não induz a circulação de fluidos. A transferência de calor ocorre apenas por condução térmica.

Correntes de Convecção – Circulação Atmosférica

Um dos fenômenos de maior importância para o clima da Terra é a circulação atmosférica , que é o movimento de ar em larga escala, e é um meio pelo qual a energia térmica (juntamente com a circulação do oceano) é distribuída na superfície da Terra. . A circulação atmosférica da Terra varia de ano para ano, mas a estrutura em larga escala de sua circulação permanece bastante constante.

A circulação atmosférica é uma conseqüência da iluminação da Terra pelo Sol e das leis da termodinâmica . A circulação atmosférica pode ser vista como um motor de calor acionado pela energia do Sol, e cuja energia consome, em última análise, a escuridão do espaço. Deste ponto de vista, também as turbinas eólicas são movidas pelo sol.

Correntes de Convecção – Coluna Térmica

Outra corrente de convecção importante , formada na atmosfera, é uma coluna térmica . A coluna térmica é uma coluna de ar ascendente nas altitudes mais baixas da atmosfera da Terra, uma forma de atualização atmosférica. As colunas térmicas são criadas pelo aquecimento desigual da superfície da Terra a partir da radiação solar e são um exemplo de convecção natural atmosférica.

O Sol aquece o chão, que por sua vez aquece o ar diretamente acima dele. O ar mais quente perto da superfície se expande, tornando-se menos denso que o ar circundante. O ar mais leve sobe e esfria devido à sua expansão na pressão mais baixa em altitudes mais altas. Ele pára de subir quando esfria à mesma temperatura do ar circundante. Terra escura, áreas urbanas e estradas são boas fontes de colunas térmicas .

Convecção Forçada e Natural Combinada

Como foi escrito, a convecção ocorre por meio de advecção, difusão ou ambos. Nos capítulos anteriores, consideramos a transferência de convecção em fluxos de fluidos que se originam de uma condição de forçamento externo – convecção forçada . Neste capítulo, consideramos a convecção natural , onde qualquer movimento fluido ocorre por meios naturais, como a flutuabilidade. De fato, existem regimes de fluxo, nos quais devemos considerar os dois mecanismos de força . Quando as velocidades de fluxo são baixas, a convecção natural também contribuirá, além da convecção forçada. Se a convecção livre é significativa ou não para a transferência de calor, ela pode ser verificada usando os seguintes critérios:

• Se a convenção livre Gr / Re ² >> 1 prevalecer
• Se a convecção forçada Gr / Re ² << 1 prevalecer
• Se Gr / Re ² ≈ 1, ambos devem ser considerados

O efeito da flutuabilidade na transferência de calor em um fluxo forçado é fortemente influenciado pela direção da força de flutuação em relação à do fluxo. A convecção natural pode ajudar ou prejudicar a transferência de calor por convecção forçada, dependendo das direções relativas dos movimentos induzidos por flutuabilidade e de convecção forçada. Três casos especiais que foram estudados extensivamente correspondem a movimentos induzidos por flutuabilidade e movimentos forçados:

• Ajudando o fluxo . O movimento flutuante está na mesma direção que o movimento forçado.
• Fluxo oposto . O movimento flutuante está na direção oposta ao movimento forçado.
• Fluxo transversal . O movimento flutuante é perpendicular ao movimento forçado.

É óbvio que, na assistência e fluxos transversais, a flutuabilidade aumenta a taxa de transferência de calor associada à convecção forçada pura. Por outro lado, em fluxos opostos, diminui a taxa de transferência de calor. Ao determinar o número de Nusselt sob condições combinadas de convecção natural e forçada, é tentador adicionar as contribuições da convecção natural e forçada na assistência aos fluxos e subtraí-las nos fluxos opostos:

Convecção Forçada e Natural Combinada

Exemplo: Convecção Natural – Placa Plana

Uma placa vertical de 10 cm de altura é mantida a 261 ° C em água comprimida a 260 ° C (16MPa). Determine o número de Nusselt usando a correlação simples para uma placa plana vertical.

Para calcular o número de Rayleigh, precisamos saber:

• o coeficiente de expansão térmica, que é: β = 0,0022
• o número de Prandtl (para 260 ° C), que é: Pr = 0,87
• a viscosidade cinemática (para 260 ° C), que é ν = 0,13 x 10 ^-6 (observe que esse valor é significativamente menor que o de 20 ° C)

O número Rayleigh resultante é:

O número de Nusselt resultante, que representa o aprimoramento da transferência de calor através de uma camada de fluido como resultado da convecção relativa à condução através da mesma camada de fluido é:

Convecção Natural Laminar e Turbulenta

É importante notar que as camadas limites da convecção natural não se restringem ao fluxo laminar . Como na convecção forçada, podem surgir instabilidades hidrodinâmicas. Ou seja, distúrbios no fluxo podem ser amplificados, levando à transição do fluxo laminar para o turbulento. Para uma placa plana vertical, o fluxo fica turbulento pelo valor de:

Ra _x = Gr _x . Pr> 10 ⁹

Como na convecção forçada, a natureza microscópica das correlações de fluxo e convecção são distintamente diferentes nas regiões laminar e turbulenta .

Convecção Natural – Correlações

Como foi escrito, a maioria das correlações de transferência de calor na convecção natural é baseada em medições experimentais e os engenheiros costumam usar números de características apropriados para descrever a transferência de calor por convecção natural. O número característico que descreve a transferência de calor por convecção (ou seja, o coeficiente de transferência de calor ) é o número de Nusselt , que é definido como a razão entre a energia térmica convocada para o fluido e a energia térmica conduzida dentro do fluido. O número de Nusselt representa o aprimoramento da transferência de calor através de uma camada de fluido como resultado da convecção relativa à conduçãoatravés da mesma camada de fluido. Porém, no caso de convecção livre, as correlações de transferência de calor (para o número de Nusselt) são geralmente expressas em termos do número de Rayleigh .

O número de Rayleigh é usado para expressar a transferência de calor em convecção natural. A magnitude do número de Rayleigh é uma boa indicação sobre se a camada limite da convecção natural é laminar ou turbulenta. As correlações empíricas simples para o número médio de Nusselt, Nu, em convecção natural, são da forma:

Nu _x = C. Ra _x ⁿ

Os valores das constantes C e n dependem da geometria da superfície e do regime de vazão , que é caracterizado pela faixa do número de Rayleigh . O valor de n é geralmente n = 1/4 para o fluxo laminar e n = 1/3 para fluxo turbulento .

Por exemplo:

Convecção Natural – Transferência de Calor

Da mesma forma que na convecção forçada, também a transferência de calor por convecção natural ocorre tanto por difusão térmica (o movimento aleatório das moléculas de fluido) quanto por advecção , na qual a matéria ou o calor é transportado pelo movimento em larga escala das correntes no fluido.  Na superfície, o fluxo de energia ocorre puramente por condução, mesmo em convecção. É devido ao fato, sempre há uma fina camada de filme fluido estagnadona superfície de transferência de calor. Porém, nas próximas camadas, ocorrem movimentos de condução e difusão-massa no nível molecular ou no nível macroscópico. Devido ao movimento de massa, a taxa de transferência de energia é maior. Quanto maior a taxa de movimento de massa, mais fina será a camada de filme fluido estagnado e maior será a taxa de fluxo de calor.

Assumir uma placa à temperatura de T _{da parede} , o qual é imerso num fluido em repouso à temperatura de T _{a granel} , onde ( t _parede > T _{grandes quantidades} ). O fluido próximo à placa é menos denso que o fluido que é removido posteriormente. As forças de flutuação, portanto, induzem uma camada limite natural de convecção na qual o fluido aquecido e mais leve sobe verticalmente, arrastando o fluido mais pesado da região quiescente. A distribuição de velocidade resultante é diferente da associada às camadas limite de convecção forçada e depende também da viscosidade do fluido. Em particular, a velocidade é zero na superfície , bem comona fronteira devido a forças viscosas. Deve-se notar que uma convecção natural também se desenvolve ( _parede T < _volume T ), mas, nesse caso, o movimento do fluido será descendente.

A presença e magnitude da convecção natural também dependem da geometria do problema. A presença de um gradiente de densidade de fluido em um campo gravitacional não garante a existência de correntes de convecção naturais. Esse problema é ilustrado na figura a seguir, onde um fluido é encerrado por duas grandes placas horizontais de temperatura diferente (T _superior ≠ T _inferior ).

1. No caso A, a temperatura da placa inferior é superior à temperatura da placa superior. Nesse caso, a densidade diminui na direção da força gravitacional. Essa geometria induz a circulação de fluidos e a transferência de calor ocorre por circulação natural. O fluido mais pesado descerá, sendo aquecido no processo, enquanto o fluido mais leve subirá, esfriando à medida que se move.
2. No caso B, a temperatura da placa inferior é inferior à temperatura da placa superior. Nesse caso, a densidade aumenta na direção da força gravitacional. Essa geometria leva a condições estáveis, gradiente de temperatura estável e não induz a circulação de fluidos . A transferência de calor ocorre apenas por condução térmica .

Como a convecção natural depende fortemente da geometria, a maioria das correlações de transferência de calor na convecção natural é baseada em medições experimentais e os engenheiros costumam usar números de características apropriados para descrever a transferência de calor por convecção natural.

Convecção Natural – Correlações

Como foi escrito, a maioria das correlações de transferência de calor na convecção natural é baseada em medições experimentais e os engenheiros costumam usar números de características adequados para descrever a transferência de calor por convecção natural. O número característico que descreve a transferência de calor por convecção (ou seja, o coeficiente de transferência de calor ) é o número de Nusselt , que é definido como a razão da energia térmica convectada ao fluido pela energia térmica conduzida dentro do fluido. O número de Nusselt representa o aprimoramento da transferência de calor através de uma camada de fluido como resultado da convecção relativa à conduçãoatravés da mesma camada de fluido. Mas, no caso de convecção livre, as correlações de transferência de calor (para o número de Nusselt) são geralmente expressas em termos do número de Rayleigh .

O número Rayleigh é usado para expressar transferência de calor em convecção natural. A magnitude do número de Rayleigh é uma boa indicação sobre se a camada limite da convecção natural é laminar ou turbulenta. As correlações empíricas simples para o número médio de Nusselt, Nu, em convecção natural, têm a forma:

Nu _x = C. Ra _x ⁿ

Os valores das constantes C e n dependem da geometria da superfície e do regime de vazão , que é caracterizado pela faixa do número de Rayleigh . O valor de n é geralmente n = 1/4 para o fluxo laminar e n = 1/3 para fluxo turbulento .

Por exemplo:

Veja também: Número Nusselt
Veja também: Número Rayleigh

Exemplo: Convecção Natural – Placa Plana

Uma placa vertical de 10 cm de altura é mantida a 261 ° C em água comprimida a 260 ° C (16MPa). Determine o número de Nusselt usando a correlação simples para uma placa plana vertical.

Para calcular o número de Rayleigh, precisamos saber:

• o coeficiente de expansão térmica, que é: β = 0,0022
• o número de Prandtl (para 260 ° C), que é: Pr = 0,87
• a viscosidade cinemática (para 260 ° C), que é ν = 0,13 x 10 ^-6 (observe que esse valor é significativamente menor que o de 20 ° C)

O número Rayleigh resultante é:

O número de Nusselt resultante, que representa o aprimoramento da transferência de calor através de uma camada de fluido como resultado da convecção relativa à condução através da mesma camada de fluido é:

Convecção Forçada e Natural Combinada

Como foi escrito, a convecção ocorre por meio de advecção, difusão ou ambos. Nos capítulos anteriores, consideramos a transferência de convecção em fluxos de fluidos que se originam de uma condição de forçamento externo – convecção forçada . Neste capítulo, consideramos a convecção natural , onde qualquer movimento fluido ocorre por meios naturais, como a flutuabilidade. De fato, existem regimes de fluxo, nos quais devemos considerar os dois mecanismos de força . Quando as velocidades de fluxo são baixas, a convecção natural também contribuirá além da convecção forçada. Seja a convecção livre significativa ou não para a transferência de calor, ela pode ser verificada usando os seguintes critérios:

• Se a convenção livre Gr / Re ² >> 1 prevalecer
• Se a convecção forçada Gr / Re ² << 1 prevalecer
• Se Gr / Re ² ≈ 1, ambos devem ser considerados

O efeito da flutuabilidade na transferência de calor em um fluxo forçado é fortemente influenciado pela direção da força de flutuação em relação à do fluxo. A convecção natural pode ajudar ou prejudicar a transferência de calor por convecção forçada, dependendo das direções relativas dos movimentos induzidos por flutuabilidade e de convecção forçada. Três casos especiais que foram estudados extensivamente correspondem a movimentos induzidos por flutuabilidade e forçados:

• Ajudando o fluxo . O movimento flutuante está na mesma direção que o movimento forçado.
• Fluxo oposto . O movimento flutuante está na direção oposta ao movimento forçado.
• Fluxo transversal . O movimento flutuante é perpendicular ao movimento forçado.

É óbvio que, na assistência e fluxos transversais, a flutuabilidade aumenta a taxa de transferência de calor associada à convecção forçada pura. Por outro lado, em fluxos opostos, diminui a taxa de transferência de calor. Ao determinar o número de Nusselt sob condições combinadas de convecção natural e forçada, é tentador adicionar as contribuições da convecção natural e forçada na assistência aos fluxos e subtraí-las nos fluxos opostos:

Para a geometria específica de interesse, os números de Nusselt Nu _forçado e Nu _natural são determinados a partir de correlações existentes para convecção forçada pura e natural (livre), respectivamente. A melhor correlação de dados para experimentos é frequentemente obtida para o expoente n = 3 , mas pode variar entre 3 e 4, dependendo da geometria do problema.

Convecção Natural – Convecção Livre

Definição de Convecção Natural

A convecção natural , também conhecida como convecção livre, é um mecanismo ou tipo de transporte de massa e calor , no qual o movimento do fluido é gerado apenas por diferenças de densidade no fluido que ocorre devido a gradientes de temperatura, não por qualquer fonte externa (como uma bomba, ventilador, dispositivo de sucção, etc.).

Na convecção natural , o fluido em torno de uma fonte de calor recebe calor e, por expansão térmica, torna-se menos denso e sobe. A expansão térmica do fluido desempenha um papel crucial. Em outras palavras, os componentes mais pesados ​​(mais densos) cairão, enquanto os componentes mais leves (menos densos) subirão, levando ao movimento de fluidos a granel. A convecção natural pode ocorrer apenas em um campo gravitacional ou na presença de outra aceleração adequada , como:

• aceleração
• força centrífuga
• força de Coriolis

A convecção natural essencialmente não opera na órbita da Terra. Por exemplo, na Estação Espacial Internacional em órbita, são necessários outros mecanismos de transferência de calor para impedir o superaquecimento dos componentes eletrônicos.

Circulação Natural

Circulação natural é a circulação de fluido dentro de sistemas de tubulação ou piscinas abertas devido às alterações de densidade causadas por diferenças de temperatura. A circulação natural não requer dispositivos mecânicos para manter o fluxo.

Esse fenômeno tem natureza semelhante à convecção natural, mas, neste caso, o coeficiente de transferência de calor não é um objeto de estudo. Nesse caso, o fluxo em massa através do loop é o objeto de estudo. Esse fenômeno é mais um problema hidráulico do que um problema de transferência de calor, embora, como resultado, a circulação natural remova o calor da fonte e o transporte para o dissipador de calor e seja da maior importância na segurança do reator.

Condições necessárias para a circulação natural

Da mesma forma que na convecção natural , a circulação natural não opera essencialmente na órbita da Terra. A circulação natural ocorre em um loop apenas sob condições específicas. Mesmo após o início da circulação natural, a remoção de qualquer uma dessas condições fará com que a circulação natural pare . As condições para circulação natural são as seguintes:

• Presença de aceleração adequada. A circulação natural só pode ocorrer em um campo gravitacional ou na presença de outra aceleração adequada, como aceleração, força centrífuga.
• Presença de fonte de calor e dissipador de calor . Fonte de calor e dissipador de calor são necessários, porque a circulação naturalé gerado pela diferença de densidade no fluido que ocorre devido à diferença de temperatura. O fluido que entra em uma fonte de calor recebe calor e, por expansão térmica, torna-se menos denso e sobe. A expansão térmica do fluido desempenha um papel crucial. O processo em um canto de calor é oposto, o canto de calor recebe calor e o fluido se torna mais denso. A diferença de densidade é a força motriz do fluxo de circulação natural. A diferença de temperatura deve ser mantida para que a circulação natural continue. A adição de calor por uma fonte de calor deve existir na área de alta temperatura. A remoção contínua de calor por um dissipador de calor deve existir na área de baixa temperatura. Caso contrário, as temperaturas acabariam se igualando, e nenhuma circulação adicional ocorreria.
• Geometria adequada. A presença e magnitude da circulação natural também dependem da geometria do problema. A presença de um gradiente de densidade de fluido em um campo gravitacional não garante a existência de correntes de convecção naturais. A circulação natural em um circuito fechado cheio de fluido é estabelecida pela localização de um dissipador de calor no circuito a uma elevação mais alta que a fonte de calor. O fluido circulante remove o calor da fonte e o transporta para a pia. O fluxo pode ser monofásico ou bifásico, em que o vapor flui ao longo do líquido. A diferença de temperatura deve ser mantida para que a circulação natural continue. A adição de calor por uma fonte de calor deve existir na área de alta temperatura. A remoção contínua de calor por um dissipador de calor deve existir na área de baixa temperatura. Caso contrário, as temperaturas eventualmente se igualariam, e não ocorreria mais circulação. É possível que a circulação natural ocorra em fluxo bifásico, mas geralmente é mais difícil manter o fluxo.
• Fluidos em contato . As duas áreas devem estar em contato para que o fluxo entre as áreas seja possível. Se o caminho do fluxo estiver obstruído ou bloqueado, a circulação natural não poderá ocorrer.

Circulação Natural – Vazão

A taxa de fluxo de circulação natural no circuito, em estado estacionário, é determinada a partir do equilíbrio entre as forças motriz e resistência . A força motriz resulta da diferença de densidade entre a perna quente e a perna fria do circuito. O cabeçote necessário para compensar as perdas de cabeçote é criado por gradientes de densidade e alterações de elevação.

Cabeça de condução térmica

Cabeça de acionamento térmico é a força que causa a circulação natural . É causada pela diferença de densidade entre dois corpos ou áreas de fluido. Considere dois volumes iguais do mesmo tipo de fluido. Se os dois volumes não estiverem na mesma temperatura , o volume com a temperatura mais alta também terá uma densidade mais baixa e, portanto, menos massa. Sabe-se que a densidade de gases e líquidos depende da temperatura, geralmente diminuindo (devido à expansão do fluido) com o aumento da temperatura. Como o volume a uma temperatura mais alta terá uma massa menor, também terá menos força exercida sobre ele pela gravidade. Essa diferença na força da gravidade exercida sobre o fluido tenderá a fazer com que o fluido mais quente suba e o fluido mais frio afunde. A cabeça de acionamento térmico pode ser simplesmente calculada usando a diferença de pressões hidrostáticas:

Como pode ser visto, quanto maior a diferença de temperatura entre as áreas quentes e frias do fluido, maior a cabeça de acionamento térmico e a vazão resultante.

Força de resistência hidráulica

Como foi escrito, a taxa de fluxo de circulação natural , V, no circuito fechado, em condições de estado estacionário, é determinada a partir do equilíbrio entre a cabeça motriz e as forças resistentes. Como o atrito do tubo, as perdas de pressão gerais são proporcionais ao quadrado da vazão e, portanto, podem ser facilmente integradas na equação de Darcy-Weisbach . Os engenheiros costumam usar o coeficiente de perda de pressão , CLP . Nota-se K ou ξ (pronunciado “xi”). Este coeficiente caracteriza a perda de pressãode um determinado sistema hidráulico ou de uma parte de um sistema hidráulico. Pode ser facilmente medido em loops hidráulicos. O coeficiente de perda de pressão pode ser definido ou medido para tubos retos e especialmente para perdas locais (menores) . Como o fator de atrito de Darcy é uma função da velocidade (no número de Reynolds), o cálculo do coeficiente de perda de pressão é um processo iterativo.

Circulação Natural em Engenharia de Reatores

Na engenharia de reatores , a circulação natural é um fenômeno muito desejado, pois é capaz de fornecer resfriamento do núcleo do reator após a perda de RCPs (por exemplo, após perda de energia externa – LOOP). Em PWRs, o projeto da planta fornece uma diferença de elevação , h , de aproximadamente 12 metros entre a linha central do gerador de vapor e a linha central do núcleo do reator . O layout do sistema deve garantir a capacidade de circulação natural após uma perda de fluxo para permitir a recarga sem superaquecer o núcleo. Além disso, a tubulação de interconexão do vaso de pressão do reatorOs geradores de vapor devem estar intactos, livres de obstruções, como gases não condensáveis ​​(por exemplo, bolsas de vapor). Dessa forma, a circulação natural garantirá que o fluido continue fluindo enquanto o reator estiver mais quente que o dissipador de calor, mesmo quando a energia não puder ser fornecida às bombas.

Os RCPs geralmente não são “sistema de segurança”, conforme definido. Após a perda de RCPs (por exemplo, após perda de energia externa – LOOP), o reator deve ser desligado imediatamente, pois os RCPs diminuem lentamente até a vazão zero. A remoção de calor residual suficiente e segura é então assegurada por um fluxo de circulação natural através do reator. Sem fluxo forçado, o líquido de arrefecimento no núcleo começa a aquecer. O aumento da temperatura do refrigerante causa uma redução na densidade do refrigerante, que por sua vez move o refrigerante para o gerador de vapor. Deve-se notar que a circulação natural não é suficiente para remover o calor gerado quando o reator está na potência.

Os projetos modernos de reatores usam a circulação natural, um recurso de segurança muito importante . Muitos sistemas de segurança passiva em projetos modernos de reatores operam sem o uso de bombas, o que cria maior segurança, integridade e confiabilidade do projeto, reduzindo simultaneamente o custo geral do reator.

Indicadores de circulação natural

Nos PWRs, vários parâmetros podem ser usados ​​para indicar ou verificar a circulação natural. Isso depende do tipo e dos sistemas da planta. Por exemplo, para um PWR, os parâmetros selecionados que podem ser usados ​​são os seguintes:

• Idealmente, a taxa de fluxo pode ser medida em cada um dos loops.
• ΔT ( T _quente – T _frio ). A diferença de temperatura entre as pernas quentes e as frias deve ser de 25 a 80% do valor total da potência e estar constante ou diminuir lentamente. Isso indica que o calor de decomposição está sendo removido do sistema a uma taxa adequada para manter ou reduzir as temperaturas do núcleo.
• As temperaturas quentes e frias das pernas devem estar estáveis ​​ou diminuindo lentamente. Novamente, isso indica que o calor está sendo removido e a carga de calor do decaimento está diminuindo conforme o esperado.
• A pressão do vapor do gerador de vapor (pressão lateral secundária) deve estar seguindo a temperatura do sistema de refrigeração do reator. Isso verifica se o gerador de vapor está removendo o calor do líquido de arrefecimento RCS.

Referência especial: Circulação natural em usinas nucleares resfriadas a água, IAEA-TECDOC-1474. IAEA, 2005. ISBN 92–0–110605 – X.