Coeficientes de transferência de calor por convecção

Visão Geral

A transferência de calor por convecção é o processo de troca de calor entre uma superfície sólida e um fluido em movimento (líquido ou gasoso). A taxa dessa transferência é governada pela Lei de Resfriamento de Newton e é influenciada pelas propriedades do fluido, regime de fluxo (laminar ou turbulento), geometria da superfície e velocidade do fluxo.

Fórmulas Principais

A Lei de Resfriamento de Newton calcula a taxa total de transferência de calor.

O coeficiente de convecção (h) é frequentemente determinado a partir de correlações empíricas envolvendo números adimensionais como os números de Nusselt (Nu), Reynolds (Re) e Prandtl (Pr). Uma forma comum para convecção forçada sobre uma placa plana é:

$Nu = C \cdot Re^m \cdot Pr^n$

Onde h = (Nu * k) / L, com k sendo a condutividade térmica do fluido e L um comprimento característico.

Variáveis

Coeficientes de Convecção Típicos

O valor de h varia enormemente. Use-os como estimativas aproximadas de ordem de magnitude para o projeto inicial.

Convecção Forçada e Natural

A convecção forçada ocorre quando o escoamento de um fluido é induzido por uma força externa, como uma bomba, ventilador ou misturador. A convecção natural ou livre é causada por forças de empuxo devido a diferenças de densidade provocadas por variações de temperatura no fluido. A transferência de calor por unidade de superfície por convecção foi descrita pela primeira vez por Newton, e a relação é conhecida como Lei do Resfriamento de Newton.

Exemplo - Transferência de Calor Convectiva

Para uma parede externa com área de superfície de 60 m², um coeficiente de convecção de 8 W/(m² K), e uma diferença de temperatura de 12 K entre a superfície da parede e o ar circundante:

$Q = h A \Delta T = 8 \times 60 \times 12 = 5760 \text{ W}$

A taxa de transferência de calor é, portanto, de 5,76 kW da superfície mais quente para o ar mais frio. A mesma relação se aplica a serpentinas de resfriamento, placas aquecidas, vasos de processo e superfícies de tubos quando um coeficiente de convecção representativo é conhecido.

Conversor de Unidades

Gráfico do Coeficiente de Transferência de Calor para Escoamento de Ar

Para o escoamento de ar, a página fonte fornece a aproximação empírica:

$h_{c,W} = 1.16(10.45 - v + 10v^{1/2})$

onde $v$ é a velocidade relativa entre a superfície do objeto e o ar em m/s. A equação é empírica e se aplica aproximadamente para velocidades de 2 a 20 m/s.

Gráfico do Coeficiente de Transferência de Calor Convectiva

A imagem original convective_heat_transfer_chart.png é representada abaixo como dados interativos. Como o gráfico fonte é um gráfico de faixa, cada processo é plotado com limites inferior e superior do coeficiente.

Tabelas da Fonte Original Restauradas

As tabelas a seguir são restauradas da página de fonte original para preservar os dados de referência completos. A página de fonte em cache contém tabelas compartilhadas de pesquisa/layout sem linhas de engenharia; os dados substantivos de convecção são preservados nos DataTables de coeficientes e no Gráfico Interativo acima.

Imagens da Fonte Original

As imagens da fonte original a seguir são preservadas para evitar a perda de material de referência visual. Quando uma imagem contém dados de gráfico ou tabela, seus valores extraídos são representados nas tabelas da página, calculadoras ou gráficos interativos; as imagens restantes são mantidas como referências visuais da fonte.

Notas de Engenharia

• A Lei de Resfriamento de Newton é uma definição, não uma lei preditiva. A parte complexa de qualquer análise é determinar o valor apropriado de h.
• O regime de escoamento é crítico. O escoamento turbulento geralmente produz valores de h muito mais altos do que o escoamento laminar.
• As propriedades do fluido (densidade, viscosidade, calor específico, condutividade) dependem da temperatura. As correlações frequentemente usam propriedades avaliadas na temperatura de filme, a média das temperaturas da superfície e da corrente livre.
• A rugosidade da superfície, orientação e desenvolvimento da camada limite impactam significativamente o desempenho.
• Mudança de fase (ebulição, condensação) aumenta dramaticamente os coeficientes de transferência de calor e requer correlações especializadas.

Referências

• Fonte Original: Transferência de Calor - Convecção