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
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 – 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
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