Convecção forçada
Como foi escrito, a convecção ocorre por meio de advecção, difusão ou ambos. Neste capítulo, consideramos a transferência de convecção em fluxos de fluidos que se originam de uma condição de força externa – convecção forçada .
Lei do resfriamento de Newton
Apesar da complexidade da convecção , a taxa de transferência de calor por convecção é observada proporcional à diferença de temperatura e é convenientemente expressa pela lei do resfriamento de Newton , que afirma que:
A taxa de perda de calor de um corpo é diretamente proporcional à diferença de temperatura entre o corpo e seus arredores, desde que a diferença de temperatura seja pequena e a natureza da superfície radiante permaneça a mesma.
Observe que ΔT é dado pela temperatura da superfície ou da parede , parede T e temperatura do volume , T ∞ , que é a temperatura do fluido suficientemente longe da superfície.
Convecção Forçada – Equação de Dittus-Boelter
Para um fluxo turbulento totalmente desenvolvido (hidrodinamicamente e termicamente) em um tubo circular liso, o número local de Nusselt pode ser obtido a partir da conhecida equação de Dittus-Boelter . A equação Dittus® Boelter é fácil de resolver, mas é menos precisa quando existe uma grande diferença de temperatura no fluido e é menos precisa para tubos ásperos (muitas aplicações comerciais), pois é adaptada para tubos lisos.
A correlação de Dittus-Boelter pode ser usada para diferenças de temperatura pequenas a moderadas, T wall – T avg , com todas as propriedades avaliadas em uma temperatura média T avg .
Para fluxos caracterizados por grandes variações de propriedades, as correções (por exemplo, um fator de correção de viscosidade μ / μ parede ) devem ser levadas em consideração, por exemplo, como recomendam Sieder e Tate.
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:
Convecção Forçada e Natural Combinada
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.
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