Transferencia de Calor e Massa - Introducao a Conveccao

Bruna de Souza Nascimento Professora Bruna de Souza Nascimento brunanascimentouflabr GCA 112 TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA Aula 12 Introdução à Convecção Mecanismo físico de TC e TM por convecção Camada limite térmica e de concentração Coeficiente de película Veremos Bruna de Souza Nascimento Bruna de Souza Nascimento Abrange 2 mecanismos Movimento molecular aleatório Movimento global do fluido Convecção Mecanismos Movimento do Fluido aumento da velocidade Aumenta a Transferência de calormassa Então esse aumento da velocidade explica a sensação de mais frio Dados Inmet Instituto Nacional de Meteorologia Velocidade do vento 3 ms T 10C Sens Térmica 7ºC Velocidade do vento 6 ms T 10C Sens Térmica 3ºC Velocidade do vento 6 ms T 6C Sens Térmica 18ºC Exemplo imagine um dia frio Situação 1 Situação 2 Situação 3 Bruna de Souza Nascimento Lei de Resfriamento de Newton T h T q s y Quantificação do fenômeno Viscosidade dinâmica μ Condutividade térmica k Densidade r Calor específico cp Velocidade do fluido V Geometria e rugosidade da superfície sólida Tipo de escoamento C h C N A As m A S A camada limite O escoamento de fluidos é muitas vezes confinado por superfícies sólidas dentro de tubulações ou sobre uma superfície Como a presença de superfícies afeta o escoamento a camada de fluido em contato direto com a placa adere na superfície devido aos efeitos viscosos e não há escorregamento condição de não deslizamento corrente livre camada limite Assim a presença da placa é sentida até uma distância normal δ a partir da placa além da qual a velocidade do escoamento livre permanece inalterada Camada limite se desenvolve sempre que há escoamento de um fluido sobre uma superfície Condição de não deslizamento Perfil de velocidade Camada limite hidrodinâmica Região do escoamento adjacente à parede em que os efeitos viscosos e portanto os gradientes de velocidade são significativos Importância relação com a tensão de cisalhamento portanto com os efeitos de atrito Cf na superfície 0 y s y v 2 2 u C s f r Exemplos Camada limite térmicaconcentração Se houver diferença de temperaturasconcentrações entre o fluido e uma superfície uma camada limite térmicaconcentração irá se desenvolver da mesma forma que uma camada limite hidrodinâmica se forma quando há o escoamento do fluido sobre uma superfície 0 99 T T T T S S T Espessura da camada limite y x Relação entre as condições na camada limite e o coeficiente convectivo A qualquer distância x da aresta frontal da superfície sólida a transferência de calor da camada de fluido adjacente à superfície acontece devido à condução devido a condição de não deslizamento Significado Físico O gradiente de temperatura diminui com o aumento de x portanto qs e h diminuem com o aumento de x 0 y y T A qualquer distância x da aresta frontal da superfície sólida a transferência de massa da camada de fluido adjacente à superfície acontece devido à difusão devido a condição de não deslizamento 𝑁𝐴𝑠 𝐷𝐴𝐵 𝐶𝐴 𝑦 𝑁𝐴𝑠 ℎ𝑚𝐶𝐴𝑠𝐶𝐴 ℎ𝑚 ൙ 𝐷𝐴𝐵 𝐶𝐴 𝑦 𝐶𝐴𝑠𝐶𝐴 Coeficiente convectivo local e médio T u As Ts q dx L A taxa de TC q pode ser obtida pela integração do fluxo local ao longo de toda a superfície s s A s s A s hdA T T q dA q Definindo um coeficiente convectivo médio para toda a superfície a taxa de TC total também pode ser escrita na forma T hA T q s s s s A s s A s hdA T T q dA q Igualando com a equação anterior s A s s hdA A h 1 L hdx L h 0 1 No caso em estudo Camada limite Laminar ou turbulenta Turbulent flow Laminar flow O movimento do fluido é altamente ordenado Ao longo do escoamento x a espessura da camada limite δ aumenta e os gradientes de velocidade em y0 dvxdyy0 diminuem A camada limite térmica cresce no sentido do escoamento x e o gradiente de temperatura diminui dTdyy0 reduzindo h h k dTdyy0 TsT O comportamento ordenado continua até que uma zona de transição é atingida ao longo da qual ocorre uma conversão das condições laminares para turbulentas As condições mudam com o tempo às vezes laminar às vezes turbulento Escoamento laminar turbulento flutuações na corrente livre rugosidade superficial Escoamento altamente irregular caracterizado pelo movimento tridimensional aleatório de grandes parcelas de fluido Presença de flutuações de velocidades e pressão A mistura turbulenta promove grandes gradientes de temperatura adjacentes à superfície aumento de h Laminar ou turbulento Número de Reynolds Re Re ρvXμ ρ densidade do fluido v velocidade do fluido μ viscosidade do fluido X comprimento característico Placa XL comprimento Tubulação XD diâmetro Número de Reynolds Re ρvXμ forças de inérciaforças viscosas Re pequeno forças de inércia são insignificantes em relação às forças viscosas Os distúrbios são dissipados e o escoamento é laminar Re grande forças de inércia são suficientes para amplificar os mecanismos de gatilho e a transição para a turbulência ocorre No cálculo do comportamento da camada limite supõese que a transição comece em uma certa distância xc Este local é determinado pelo Re crítico Rec O valor de Rec é diferente para diferentes geometrias e condições de escoamento Para placa plana Rec ρvxcμ 5 10⁵ Exemplo 13 água escoa a um velocidade de 1ms sobre uma placa plana de comprimento de 06m Considere que a temperatura da água é de aproximadamente 300K e que nas regiões laminar e turbulenta medidas experimentais mostram que os coeficientes convectivos locais são bem escritos pelas relações 50 395 x x hlam 0 2 2330 x x hturb Determine o coeficiente convectivo médio sobre a placa inteira Propriedades da água a 300K μ 855x106 Nsm2 ρ 997 kgm3 Propriedades da água a 350K μ 365x106 Nsm2 ρ 974 kgm3