O que é convecção natural – convecção livre – definição

Convecção Natural – Convecção Livre

Em geral, a convecção é a transferência de massa ou a transferência de calor devido ao movimento em massa de moléculas dentro de fluidos, como gases e líquidos. Embora líquidos e gases geralmente não sejam bons condutores de calor, eles podem transferir calor rapidamente por convecção. A convecção ocorre através 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 .

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.

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 matéria ou 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.

Sabemos que a densidade de gases e líquidos depende da temperatura, geralmente diminuindo (devido à expansão do fluido) com o aumento da temperatura.A magnitude da transferência de calor por convecção natural entre uma superfície e um fluido está diretamente relacionada à taxa de fluxo do fluido induzido por convecção natural . Quanto maior a taxa de fluxo, maior a taxa de transferência de calor. A vazão em caso de convecção natural é estabelecida pelo equilíbrio dinâmico de flutuabilidade e atrito.

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.

Circulação Natural

Circulação natural é a circulação de fluido dentro de sistemas de tubulação ou piscinas abertas devido às alterações de densidade causadas pelas 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.

Veja também: Circulação Natural