Convezione termica

TERMODINAMICA E TERMOFLUIDODINAMICA
Cap. 9
TRASMISSIONE DEL CALORE PER CONVEZIONE
T∞
•
hC
A
ρ (T ) =
Qc
m
V (T )
V
= cost
T
TS
G. Cesini
Termodinamica e termofluidodinamica - Cap. 9_Convezione
1
Cap. 9 – Trasmissione del calore per convezione
Indice
1. La convezione termica forzata e naturale
2. Legge di Newton per la convezione termica
3. Il coefficiente di scambio termico convettivo
4. I gruppi adimensionali per la convezione termica
5. Le correlazioni di uso pratico
5.1 Flussi esterni in convezione forzata
5.2 Flussi interni in convezione naturale
5.3 Flussi interni in convezione forzata
6. Il modello resistivo per la convezione termica
G. Cesini
Termodinamica e termofluidodinamica - Cap. 9_Convezione
2
LA CONVEZIONE TERMICA
Convezione termica
Trasmissione di calore in presenza di un fluido
soggetto a trasporto di massa al suo interno
Convezione forzata
Il fluido, sotto la spinta generata da gradienti di
pressione prodotti da una macchina operatrice
(pompa, ventilatore), viene fatto scorrere su una
superficie solida o all’interno di un condotto.
Convezione naturale o libera
Il moto del fluido è provocato da forze di
galleggiamento generate dallo sbilanciamento
(dovuto a gradienti di temperatura all’interno del
fluido) tra spinta idrostatica e forza gravitazionale.
Tali florza danno luogo a moti ascensionali del
fluido più caldo e a moti discensionali del fluido
freddo.
G. Cesini
Termodinamica e termofluidodinamica - Cap. 9_Convezione
ρ (T ) =
m
V (T )
V
= cost
T
3
La convezione termica
La legge di Newton della convezione termica
i
i
•
Qc = hc AΔT
ovvero
q=
Q
= hc ΔT
A
dove
TS > T∞
y
h = coefficiente di convezione [W/(m2 K)]
A = area della superficie di scambio termico [m2]
TS = temperatura della superficie [K] o [°C]
T∞ = temperatura del fluido indisturbato [K] o [°C]
T = | TS - T∞|
•
T∞
u∞
Qc
TS
x
A
Il coefficiente convettivo hc rappresenta la potenza termica scambiata tra una
superficie solida e un fluido in moto relativo, per unità di superficie e per
unità di differenza di temperatura
G. Cesini
Termodinamica e termofluidodinamica - Cap. 9_Convezione
4
La convezione termica
ORDINE DI GRANDEZZA DI TIPICI hC
Condizione convettiva
hc
[W/(m2 K)]
AERIFORME, convezione NATURALE
6 ÷ 30
AERIFORME, convezione FORZATA
30 ÷ 300
OLIO, convezione FORZATA
60 ÷ 1500
ACQUA, convezione FORZATA
300 ÷ 10000
ACQUA, in EBOLLIZIONE
3000 ÷ 60000
VAPORE ACQUEO, in CONDENSAZIONE
6000 ÷ 120000
Da cosa dipende hc ?
• forma della superficie (piana, cilindrica, ecc)
• dimensioni della superficie (lunghezza caratteristica L (sup. piana) D (cilindro), ecc)
• tipo di convezione (forzata (u∞), naturale (TS-T∞))
• regime di flusso (laminare, turbolento, misto)
• tipo di fluido (proprietà del fluido: μ , ρ , λf , cp)
G. Cesini
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5
La convezione termica
y
Come si può determinare hc ?
Si è visto in precedenza che all’interfaccia
solido-fluido le particelle di fluido a diretto
contatto con la parete, per effetto degli
intensi sforzi viscosi sono praticamente
ferme. Allora lo scambio termico dalla
superficie solida allo strato di fluido ad essa
immediatamente adiacente avviene per
conduzione pura, per cui:
i
q=
y
∂T
∂y
Strato
limite
y =0
dinamico
x
termico
y =0
T∞
•
Qc
∂T
= −λ fluido
A
∂y
−λ fluido
hc =
u∞
u∞
∂u
∂y
∂T
∂y
y =0
(TS − T∞ )
G. Cesini
= hc (TS − T∞ )
y =0
∂T
∂y
TS
y =0
x
è il gradiente di temperatura
all’interfaccia solido-fluido
In generale, sia il gradiente di temperatura che il coefficiente di
scambio termico convettivo variano nella direzione del flusso:
mediando opportunamente tali valori locali si ottiene il
coefficiente convettivo medio (o globale)
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6
La convezione termica
Nella trattazione della convezione termica (così come nella fluidodinamica) si
utilizza il metodo di combinare le variabili da cui dipende il fenomeno,
raggruppandole in numeri adimensionali.
In precedenza si è vista l’importanza del numero di Reynolds per
caratterizzare il comportamento fluidodinamico di un fluido in moto forzato.
Numero di Reynolds
u∞ ρ L
Re L =
μ
=
u∞ L
υ
Numero di Reynolds locale
Re x =
u∞ ρ x
G. Cesini
μ
=
dove
u∞ x
u∞ = velocità di flusso indisturbato
ρ = densità del fluido
μ = viscosità del fluido
ν= μ/ρ = viscosità cinematica del fluido
L = lunghezza caratteristica della geometria
υ
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La convezione termica
Nel caso della convezione naturale si utilizza il numero di Grashof
Numero di Grashof
GrL =
g β L3 ΔT
υ2
∼
Forze di galleggiamento
Forze viscose
dove
g = accelerazione di gravità
β= coefficiente di espansione del fluido
ΔT = differenza di temperatura tra
superficie e fluido
ν = viscosità cinematica del fluido
Il numero di Grashof fornisce il principale
criterio per stabilire in convezione naturale se
il flusso è laminare o turbolento.
Lastra piana verticale
Es.
Grcritico ≈ 109
G. Cesini
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8
La convezione termica
Numero di Prandtl
μcp ν
Pr =
=
λ
α
dove
μ = viscosità del fluido
cp = calore specifico fluido
λ = conducibilità termica del fluido
ν= viscosità cinematica del fluido
α = diffusività termica del fluido
Il numero di Prandtl dipende solo dalle proprietà del fluido e può essere visto
come il rapporto tra la capacità di trasporto di quantità di moto e la capacità di
trasporto del calore ovvero come il rapporto tra gli spessori dello strato limite
dinamico e termico.
Tipici valori del numero di Prandtl
Metalli liquidi
0.004 ÷ 0.030
Fluidi organici
leggeri
Gas
0.7 ÷ 1.0
Oli
Acqua
1.7 ÷ 13.7
Glicerina
G. Cesini
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5 ÷ 50
50 ÷ 100000
2000 ÷ 100000
9
LE CORRELAZIONI DI USO PRATICO
y
Il numero di Nusselt locale
Nu x =
hx x
λf
Il numero di Nusselt medio
∂T
∂y
T∞
y =0
TS
x
Il coefficiente di scambio
termico convettivo
____
____
L
1
NuL = ∫ Nu x dx
L0
Convezione forzata
Nu = f (Re, Pr)
G. Cesini
h=
λ f NuL
L
Convezione naturale
Nu = f (Gr , Pr)
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Le correlazioni di uso pratico
____
Il coefficiente di scambio
termico convettivo
Convezione forzata
Nu = f (Re, Pr)
h=
λ f NuL
L
Convezione naturale
Nu = f (Gr , Pr)
Tali relazioni funzionali hanno, di solito, una struttura del tipo:
Nu = C Re n Pr m
Nu = CGr n Pr m
dove C, n, m dipendono dalla forma della superficie e dal regime di flusso
(laminare, turbolento, misto) .
G. Cesini
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Le correlazioni per lastra piana in convezione forzata
Flusso laminare
Nu x =
hx x
NuL =
hC L
1
= 0,332 ⋅ Re x ⋅ Pr
λ
λ
Re x < 5 ⋅105 Pr ≥ 0, 6
2
1
1
= 0, 664 ⋅ Re L ⋅ Pr
2
T∞
3
1
TS
u∞
3
h
5 ⋅105 ≤ Re x ≤ 107
Flusso turbolento
Nu x =
Nu L =
hx x
λ
0, 6 ≤ Pr ≤ 60
4
= 0, 0296 ⋅ Re x 5 ⋅ Pr
hC L
λ
G. Cesini
1
3
4
= 0, 037 ⋅ Re L ⋅ Pr
5
1
3
0
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xcritico
L
12
x
Le correlazioni per lastra piana in convezione forzata
Flusso misto laminare-turbolento
1⎛
hC = ⎜
L ⎜⎝
xcritico
∫
0
NuL =
Noto NuL
G. Cesini
0, 6 ≤ Pr ≤ 60
5 ⋅105 ≤ Re x ≤ 107
⎞
hx ,la min are dx + ∫ hx ,turbolento dx ⎟
⎟
xcritico
⎠
L
hC L
λ
(
)
= 0, 037 Re − 871 Pr
hc =
45
L
1
3
λ f NuL
L
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•
Qc = hc AΔT
13
La convezione termica
Esempio 1
Aria a temperatura ambiente fluisce, con velocità u∞ = 1 m/s,
lungo una superficie solida assimilabile ad una lastra piana di
area A = 1.8 m2 e lunghezza caratteristica L = 1,7 m.
La differenza di temperatura tra superficie e fluido
indisturbato è ΔT = 7 °C.
Determinare il coefficiente di scambio termico convettivo e la
potenza termica scambiata.
Proprietà termofisiche
dell’aria a Tfilm~300 K
ν = 1,57 10-5 m2/s λa = 0,0261 W/(m K)
Pr = 0,71
m
⋅1, 7 m
w∞ L
5
5
s
Re L =
=
=
1,15
⋅
10
<
5
⋅
10
2
ν
−5 m
1,57 ⋅10
s
1
G. Cesini
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La convezione termica
Esempio 1 (continua)
m
⋅1, 7 m
w∞ L
s
Re L =
=
= 1,15 ⋅105 < 5 ⋅105
2
m
ν
1,57 ⋅10−5
s
1
1
NuL = 0, 664 ⋅ Re L ⋅ Pr
hC =
NuL ⋅ λa
=
L
2
1
3
(
= 0, 664 ⋅ 1,15 ⋅10
5
Flusso LAMINARE
) ( 0, 71)
1
2
1
3
= 200, 6
W
m⋅K ≈ 3 W
m2 K
1, 7 m
200, 6 ⋅ 0, 0261
Se il flusso fosse
TURBOLENTO
hC ≈ 6
W
m2 K
•
W
Qc = hc AΔT = 3 2 1,8 m 2 7 K ≈ 38 W
m K
G. Cesini
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15
La convezione naturale
Il moto del fluido è dovuto a forze di
galleggiamento prodotte dall’effetto
combinato di un gradiente di densità del
fluido (generalmente dovuto ad un
gradiente di temperatura) e di una forza di
volume proporzionale alla densità
(generalmente la forza gravitazionale)
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Le correlazioni per la convezione naturale
Le correlazioni si possono ricondurre alla formula
x
Nu = C ( Gr ⋅ Pr ) = CRa n
L
n
u∞= 0
dove Ra = Gr Pr = numero di Rayleigh
T∞
Lastra piana verticale
Flusso laminare
NuL =
hC L
λf
9
1
= 0.059 ⋅ R aL 4
Flusso turbolento
NuL =
10 < R a < 10
4
hc L
λf
TS
u∞= 0
y
x
L
109 < R a < 1013
TS
1
= 0.1⋅ R aL
3
T∞
y
G. Cesini
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17
LA CONVEZIONE TERMICA FORZATA CON FLUSSO INTERNO
Strato limite
di velocità
Profilo di velocità
Regione di ingresso
idrodinamica
0
Regione idrodinamicamente
pienamente svuluppata
xingr,idr
L
x
Ts = costante
Tu
Ti
0
L
x
Temperatura superficiale costante
Flusso termico costante
G. Cesini
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18
Le correlazioni per la convezione forzata con flusso interno
CONVEZIONE FORZATA ALL’INTERNO DI UN TUBO
FLUSSO LAMINARE completamente sviluppato
Temperatura superficiale costante
Flusso costante
Re < 2300
Nu = 3.66
Nu = 4.36
FLUSSO TURBOLENTO completamente sviluppato
Re > 4000
Temperatura superficiale costante
Flusso costante
Re > 10000
Nu = 0.023Re0.8 Pr1/ 3
0.7 ≤ Pr ≤ 160
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IL MODELLO RESISTIVO PER LA CONVEZIONE TERMICA
Il modello resistivo può essere utilizzato anche per la soluzione di problemi di
scambio termico convettivo
T∞
•
Qc = hc AΔT
ΔT
Qc = Gc ΔT =
Rc
•
dove
GC = hC A
1
1
Rc =
=
Gc hc A
o, in termini di grandezze unitarie,
Gu ,c = hc
G. Cesini
•
hC
Ru ,c
1
1
=
=
Gu ,c hc
Qc
A
TS
•
Qc
T∞
RC
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