{"id":47420,"date":"2019-11-04T09:24:01","date_gmt":"2019-11-04T08:24:01","guid":{"rendered":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/o-que-e-conveccao-natural-transferencia-de-calor-correlacoes-definicao\/"},"modified":"2020-01-23T13:22:59","modified_gmt":"2020-01-23T12:22:59","slug":"o-que-e-conveccao-natural-transferencia-de-calor-correlacoes-definicao","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/pt-br\/o-que-e-conveccao-natural-transferencia-de-calor-correlacoes-definicao\/","title":{"rendered":"O que \u00e9 Convec\u00e7\u00e3o Natural – Transfer\u00eancia de Calor – Correla\u00e7\u00f5es – Defini\u00e7\u00e3o"},"content":{"rendered":"
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Convec\u00e7\u00e3o Natural – Transfer\u00eancia de Calor – Correla\u00e7\u00f5es.\u00a0A transfer\u00eancia de calor por convec\u00e7\u00e3o natural ocorre tanto por difus\u00e3o t\u00e9rmica quanto por advec\u00e7\u00e3o.\u00a0Engenharia T\u00e9rmica<\/div>\n<\/div>\n
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Convec\u00e7\u00e3o Natural – Transfer\u00eancia de Calor<\/h2>\n

Da mesma forma que na convec\u00e7\u00e3o for\u00e7ada, tamb\u00e9m\u00a0a transfer\u00eancia de calor por convec\u00e7\u00e3o natural<\/strong>\u00a0ocorre tanto\u00a0por\u00a0<\/strong>difus\u00e3o t\u00e9rmica<\/strong>\u00a0(o movimento aleat\u00f3rio das mol\u00e9culas de fluido) quanto\u00a0por advec\u00e7\u00e3o<\/strong>\u00a0, na qual a mat\u00e9ria ou o calor \u00e9 transportado pelo movimento em larga escala das correntes no fluido.\u00a0\u00a0Na superf\u00edcie,<\/strong>\u00a0o fluxo de energia ocorre\u00a0puramente por condu\u00e7\u00e3o,<\/strong>\u00a0mesmo em convec\u00e7\u00e3o.\u00a0\u00c9 devido ao fato, sempre h\u00e1 uma\u00a0fina camada de filme fluido estagnado<\/strong>na superf\u00edcie de transfer\u00eancia de calor. Por\u00e9m, nas pr\u00f3ximas camadas, ocorrem movimentos de condu\u00e7\u00e3o e difus\u00e3o-massa no n\u00edvel molecular ou no n\u00edvel macrosc\u00f3pico. Devido ao movimento de massa, a taxa de transfer\u00eancia de energia \u00e9 maior. Quanto maior a taxa de movimento de massa, mais fina ser\u00e1 a camada de filme fluido estagnado e maior ser\u00e1 a taxa de fluxo de calor.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Sabemos que a densidade de gases e l\u00edquidos depende da temperatura, geralmente diminuindo (devido \u00e0 expans\u00e3o do fluido) com o aumento da temperatura.<\/span>A magnitude da transfer\u00eancia de calor por convec\u00e7\u00e3o natural entre uma superf\u00edcie e um fluido est\u00e1 diretamente relacionada \u00e0 taxa de fluxo do fluido induzido por\u00a0<\/span>convec\u00e7\u00e3o natural<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0Quanto maior a taxa de fluxo, maior a taxa de transfer\u00eancia de calor.\u00a0A vaz\u00e3o em caso de convec\u00e7\u00e3o natural \u00e9 estabelecida pelo\u00a0<\/span>equil\u00edbrio din\u00e2mico<\/span><\/strong>\u00a0de flutuabilidade e atrito.<\/span><\/p>\n

Assumir uma placa \u00e0 temperatura de\u00a0<\/span>T\u00a0<\/span>da parede<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0, o qual \u00e9 imerso num fluido em repouso \u00e0 temperatura de\u00a0<\/span>T\u00a0<\/span>a granel<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0, onde (\u00a0<\/span>t\u00a0<\/span>parede<\/span><\/sub>\u00a0> T\u00a0<\/span>grandes quantidades<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0).\u00a0O fluido pr\u00f3ximo \u00e0 placa \u00e9 menos denso que o fluido que \u00e9 removido posteriormente.\u00a0<\/span>As for\u00e7as de flutua\u00e7\u00e3o,<\/span><\/strong>\u00a0portanto, induzem uma camada limite natural de convec\u00e7\u00e3o na qual o fluido aquecido e mais leve sobe verticalmente, arrastando o fluido mais pesado da regi\u00e3o quiescente.\u00a0A distribui\u00e7\u00e3o de velocidade resultante \u00e9 diferente da associada \u00e0s camadas limite de convec\u00e7\u00e3o for\u00e7ada e depende tamb\u00e9m da viscosidade do fluido.\u00a0Em particular, a\u00a0<\/span>velocidade<\/span><\/strong>\u00a0\u00e9\u00a0<\/span>zero\u00a0<\/span><\/strong>na superf\u00edcie<\/span><\/strong>\u00a0, bem como<\/span>na fronteira<\/span><\/strong>\u00a0devido a for\u00e7as viscosas.\u00a0Deve-se notar que uma convec\u00e7\u00e3o natural tamb\u00e9m se desenvolve (\u00a0<\/span>parede<\/span><\/sub>\u00a0T <\u00a0<\/span>volume<\/span><\/sub>\u00a0T\u00a0), mas, nesse caso, o movimento do fluido ser\u00e1 descendente.<\/span><\/p>\n

A presen\u00e7a e magnitude da convec\u00e7\u00e3o natural tamb\u00e9m dependem da\u00a0<\/span>geometria<\/span><\/strong>\u00a0do problema.\u00a0A presen\u00e7a de um gradiente de densidade de fluido em um campo gravitacional n\u00e3o garante a exist\u00eancia de correntes de convec\u00e7\u00e3o naturais.\u00a0Esse problema \u00e9 ilustrado na figura a seguir, onde um fluido \u00e9 encerrado por duas grandes placas horizontais de temperatura diferente (T\u00a0<\/span>superior<\/span><\/sub>\u00a0\u2260 T\u00a0<\/span>inferior<\/span><\/sub>\u00a0).<\/span><\/p>\n

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  1. No\u00a0<\/span>caso A,<\/span><\/strong>\u00a0a temperatura da placa inferior \u00e9 superior \u00e0 temperatura da placa superior.\u00a0Nesse caso, a densidade diminui na dire\u00e7\u00e3o da for\u00e7a gravitacional.\u00a0Essa geometria induz a circula\u00e7\u00e3o de fluidos e a transfer\u00eancia de calor ocorre por circula\u00e7\u00e3o natural.\u00a0O fluido mais pesado descer\u00e1, sendo aquecido no processo, enquanto o fluido mais leve subir\u00e1, esfriando \u00e0 medida que se move.<\/span><\/li>\n
  2. No\u00a0<\/span>caso B,<\/span><\/strong>\u00a0a temperatura da placa inferior \u00e9 inferior \u00e0 temperatura da placa superior.\u00a0Nesse caso, a densidade aumenta na dire\u00e7\u00e3o da for\u00e7a gravitacional.\u00a0Essa geometria leva a condi\u00e7\u00f5es est\u00e1veis, gradiente de temperatura est\u00e1vel e\u00a0<\/span>n\u00e3o induz a circula\u00e7\u00e3o de fluidos<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0A transfer\u00eancia de calor ocorre apenas por\u00a0<\/span>condu\u00e7\u00e3o t\u00e9rmica<\/span><\/a>\u00a0.<\/span><\/li>\n<\/ol>\n

    \"circula\u00e7\u00e3o<\/a><\/p>\n

    Como a\u00a0<\/span>convec\u00e7\u00e3o natural<\/span><\/strong>\u00a0depende fortemente da geometria, a maioria das correla\u00e7\u00f5es de transfer\u00eancia de calor na convec\u00e7\u00e3o natural \u00e9 baseada em medi\u00e7\u00f5es experimentais e os engenheiros costumam usar\u00a0<\/span>n\u00fameros de caracter\u00edsticas<\/span><\/a>\u00a0apropriados\u00a0para descrever a transfer\u00eancia de calor por convec\u00e7\u00e3o natural.<\/span><\/p>\n

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    Convec\u00e7\u00e3o Natural – Correla\u00e7\u00f5es<\/span><\/h2>\n

    Como foi escrito, a maioria das\u00a0<\/span>correla\u00e7\u00f5es de transfer\u00eancia de calor<\/span><\/strong>\u00a0na\u00a0<\/span>convec\u00e7\u00e3o natural<\/span><\/strong>\u00a0\u00e9 baseada em medi\u00e7\u00f5es experimentais e os engenheiros costumam usar\u00a0<\/span>n\u00fameros de caracter\u00edsticas<\/span><\/a>\u00a0adequados\u00a0para descrever a transfer\u00eancia de calor por convec\u00e7\u00e3o natural.\u00a0O n\u00famero caracter\u00edstico que descreve\u00a0<\/span>a transfer\u00eancia de calor por convec\u00e7\u00e3o<\/span><\/a>\u00a0(ou seja, o\u00a0<\/span>coeficiente de transfer\u00eancia de calor<\/span><\/a>\u00a0) \u00e9 o\u00a0<\/span>n\u00famero de Nusselt<\/span><\/strong><\/a>\u00a0, que \u00e9 definido como a raz\u00e3o da\u00a0<\/span>energia t\u00e9rmica convectada<\/span><\/strong>\u00a0ao fluido pela\u00a0<\/span>energia t\u00e9rmica conduzida<\/span><\/strong>\u00a0dentro do fluido.\u00a0O\u00a0<\/span>n\u00famero de Nusselt<\/span><\/strong>\u00a0representa o aprimoramento da transfer\u00eancia de calor atrav\u00e9s de uma camada de fluido como resultado da\u00a0<\/span>convec\u00e7\u00e3o relativa \u00e0 condu\u00e7\u00e3o<\/span><\/strong>atrav\u00e9s da mesma camada de fluido.\u00a0Mas, no caso de convec\u00e7\u00e3o livre, as correla\u00e7\u00f5es de transfer\u00eancia de calor (para o n\u00famero de Nusselt) s\u00e3o geralmente expressas em termos do\u00a0<\/span>n\u00famero de Rayleigh<\/span><\/a>\u00a0.<\/span><\/strong><\/p>\n

    O\u00a0<\/span>n\u00famero Rayleigh<\/span><\/strong>\u00a0\u00e9 usado para expressar transfer\u00eancia de calor em convec\u00e7\u00e3o natural.\u00a0A magnitude do n\u00famero de Rayleigh \u00e9 uma boa indica\u00e7\u00e3o sobre se a camada limite da convec\u00e7\u00e3o natural \u00e9 laminar ou turbulenta.\u00a0As correla\u00e7\u00f5es emp\u00edricas simples para o n\u00famero m\u00e9dio de Nusselt, Nu, em convec\u00e7\u00e3o natural, t\u00eam a forma:<\/span><\/p>\n

    Nu\u00a0<\/span>x<\/span><\/sub>\u00a0= C. Ra\u00a0<\/span>x\u00a0<\/span><\/sub>n<\/span><\/sup><\/strong><\/p>\n

    Os valores das\u00a0<\/span>constantes C<\/span><\/strong>\u00a0e\u00a0<\/span>n<\/span><\/strong>\u00a0dependem da geometria da superf\u00edcie e do\u00a0<\/span>regime de vaz\u00e3o<\/span><\/a>\u00a0, que \u00e9 caracterizado pela faixa do\u00a0<\/span>n\u00famero de Rayleigh<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0O valor de n \u00e9 geralmente\u00a0<\/span>n = 1\/4<\/span><\/strong>\u00a0para\u00a0<\/span>o fluxo laminar<\/span><\/strong><\/a>\u00a0e\u00a0<\/span>n = 1\/3<\/span><\/strong>\u00a0para\u00a0<\/span>fluxo turbulento<\/span><\/strong><\/a>\u00a0.<\/span><\/p>\n

    Por exemplo:<\/span><\/p>\n

    \"convec\u00e7\u00e3o<\/a><\/p>\n

    Veja tamb\u00e9m:\u00a0<\/span>N\u00famero Nusselt<\/span><\/a>
    \nVeja tamb\u00e9m:\u00a0<\/span>    N\u00famero Rayleigh<\/span><\/a><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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    Exemplo: Convec\u00e7\u00e3o Natural – Placa Plana<\/span><\/h2>\n

    Uma placa vertical de 10 cm de altura \u00e9 mantida a 261 \u00b0 C em \u00e1gua comprimida a 260 \u00b0 C (16MPa).\u00a0Determine o\u00a0<\/span>n\u00famero de Nusselt<\/span><\/strong>\u00a0usando a correla\u00e7\u00e3o simples para uma placa plana vertical.<\/span><\/p>\n

    \"exemplo<\/a><\/p>\n

    Para calcular o n\u00famero de Rayleigh, precisamos saber:<\/span><\/p>\n