Transmisia caldurii prin convectie

Transmisia caldurii prin convectie

1. Mecanismul fenomenului

Transferul de caldura prin convectie, de exemplu de la suprafata mai calda a unui element de incalzire (Fig. 12) la un fluid (aer) mai rece, are loc in cateva etape.

Fig. 12. Transferul caldurii prin convectie

Initial, caldura trece prin conductie termica de la suprafata elementului la particulele de aer adiacente acestuia, ceea ce are ca efect ridicarea temperaturii (si energiei interne) a acestor particule; acest proces se desfasoara in stratul subtire de fluid de langa suprafata elementului, denumit strat limita. In continuare, datorita incalzirii, aerul se dilata, isi micsoreaza densitatea si, devenind mai usor, tinde sa se ridice spre zonele superioare, formand un curent ascendent (curent convectiv). Locul acestui fluid este luat de fluidul mai rece din restul spatiului. Cu alte cuvinte, particulele cu energie mai mare se deplaseaza catre zone de fluid cu temperaturi mai scazute, unde, prin amestec cu alte particule, transmit o parte din energia lor. Daca temperatura radiatorului ar fi constanta in timp si nu s-ar produce pierderi de caldura, acest proces ar continua pana la egalizarea temperaturii aerului interior cu cea a elementului de incalzire. In vecinatatea elementelor de inchidere cu temperatura scazuta (pereti exteriori, geamuri) sensul transferului termic se inverseaza, formandu-se curenti convectivi descendenti (Fig. 12).

Convectia este astfel un transfer de energie, masa si impuls. Energia este inmagazinata in particulele de fluid si este transportata ca rezultat al miscarii acestora. Factorii care influenteaza convectia caldurii, determinand caracterul complex al acesteia, sunt: campul de temperatura din solid si din fluid in vecinatatea suprafetei de contact, natura fluidului (densitate, caldura masica, vascozitate, coeficient de conductivitate termica etc.), structura geometrica a sistemului in care fluidul se misca, natura si modul de prelucrare al suprafetelor solidului etc.

Functie de cauza miscarii, convectia se clasifica in convectie libera sau naturala (miscarea de amestec este rezultatul diferentelor de densitate produse de gradientii de temperatura), si convectie fortata (miscarea de amestec este rezultatul unor cauze externe care produc diferente de presiune, ca de exemplu un ventilator).

2. Legea lui Newton

Calculul fluxului termic transmis prin convectie nu se poate efectua cu ajutorul legii lui Fourier, datorita imposibilitatii cunoasterii complete a stratului limita si a gradientului termic pe suprafata de contact dintre perete si fluid. Rezolvarea acestor dificultati, pentru calculele practice, se face cu ajutorul legii lui Newton, care permite determinarea cantitatii de caldura si a fluxului termic schimbat prin convectie intre un solid si un fluid.

Fig. 13. Sir Isaac Newton (1642-1727)

Fiind dat un element, de exemplu un perete exterior, cantitatea de caldura primita (Q_c) sau cedata () prin convectie se determina cu relatia lui Newton astfel:

(11a)

(11b)

unde:    T_i, T_e - temperatura aerului interior, respectiv exterior (ºC);

T_si, T_se - temperatura suprafetei interioare, respectiv exterioare a

peretelui (ºC);

α_{c c} - coeficientul de transfer termic prin convectie, la suprafata

interioara, respectiv exterioara a peretelui (W/m² ºC);

S - suprafata prin care are loc transferul termic (m²);

τ - timpul (h).

Coeficientul de transfer de suprafata α se defineste, asemanator cu coeficientul de conductivitate termica λ, ca fiind marimea numeric egala cu cantitatea de caldura primita sau cedata intr-o ora, printr-o suprafata de
1 m², cand diferenta de temperatura dintre perete si fluid este de 1 ºC.

3. Coeficientul de transfer termic de suprafata

Definirea cantitativa a transferului de caldura prin convectie cu ajutorul legii lui Newton face ca in coeficientul de convectie α_c sa se reflecte majoritatea factorilor de care depinde procesul convectiv: tipul miscarii, regimul de curgere, proprietatile fizice ale fluidului, forma si orientarea suprafetei de schimb de caldura. In felul acesta α_c devine o functie complexa, cu multe variabile si greu de determinat, de forma:

α_c = f(ℓ, v, T_p, T_f, λ, c_p (12)

unde:    - lungimea caracteristica a curgerii (m);

v - viteza de curgere (m/s);

T_p T_f - temperatura peretelui, respectiv a fluidului (ºC sau K);

λ - coeficientul de conductivitate termica al fluidului (W/mºC);

c_p - caldura specifica a fluidului la presiune constanta (J/KgºC);

ρ - densitatea fluidului (Kg/m³);

ν - vascozitatea cinematica a fluidului (m²/s).

Determinarea coeficientului de transfer termic prin convectie se poate face prin patru metode principale:

determinari experimentale combinate cu analiza dimensionala;

solutiile matematice exacte ale ecuatiilor stratului limita;

analiza aproximativa a stratului limita prin metode integrale;

analogia dintre transferul de caldura, masa si impuls.

Toate aceste metode isi aduc contributia la intelegerea transferului de caldura convectiv. Cu toate acestea, nici una din metode nu poate rezolva singura toate problemele schimbului de caldura prin convectie, deoarece fiecare procedeu are anumite limitari care restrang utilizarea sa practica.