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:
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:
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