O que é convecção forçada – Definição

Convecção forçada. Neste capítulo, consideramos a transferência de convecção em fluxos de fluidos que se originam de uma condição de força externa – convecção forçada. Engenharia Térmica

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.

lei de newton do resfriamento - equação da convecção

Observe que ΔT é dado pela temperatura da superfície ou da parede , parede T temperatura do volume ,  , 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.

Equação de Dittus-Boelter - Fórmula

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

convecção natural vs convecção forçadaComo 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

convecção forçada e natural combinada - correlação

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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