L’energia termica trasferita tra una superficie e un fluido in movimento con temperature diverse – è conosciuta come convezione.
In realtà si tratta di una combinazione di diffusione e movimento di massa delle molecole. Vicino alla superficie la velocità del fluido è bassa, e la diffusione domina. Alla distanza dalla superficie, il moto di massa aumenta l’influenza e domina.
Il trasferimento di calore convettivo può essere
- convezione forzata o assistita
- naturale o libera
- trasferimento di calore conduttivo
Convezione forzata o assistita
La convezione forzata si verifica quando un flusso di fluido è indotto da una forza esterna, come una pompa, un ventilatore o un miscelatore.
Convezione naturale o libera
La convezione naturale è causata dalle forze di galleggiamento dovute alle differenze di densità causate dalle variazioni di temperatura nel fluido. Al riscaldamento, il cambiamento di densità nello strato limite farà salire il fluido e sarà sostituito da un fluido più freddo che si riscalderà e salirà. Questo fenomeno continuo è chiamato convezione libera o naturale.
I processi di ebollizione o di condensazione sono anche indicati come processi di trasferimento di calore convettivo.
- Il trasferimento di calore per unità di superficie attraverso la convezione fu descritto per la prima volta da Newton e la relazione è nota come legge di Newton sul raffreddamento.
L’equazione per la convezione può essere espressa come:
q = hc A dT (1)
dove
q = calore trasferito per unità di tempo (W, Btu/hr)
A = area di scambio termico della superficie (m2, ft2)
hc = coefficiente di scambio termico convettivo del processo (W/(m2oC, Btu/(ft2 h oF))
dT = differenza di temperatura tra la superficie e il fluido sfuso (oC, F)
Coefficienti di trasferimento calore – Unità
- 1 W/(m2K) = 0.85984 kcal/(h m2 oC) = 0,1761 Btu/(ft2 h oF)
- 1 Btu/(ft2 h oF) = 5,678 W/(m2 K) = 4,882 kcal/(h m2 oC)
- 1 kcal/(h m2 oC) = 1,163 W/(m2K) = 0.205 Btu/(ft2 h oF)
-
Coefficienti di trasferimento del calore complessivo
Coefficienti di trasferimento del calore convettivo
I coefficienti di trasferimento del calore convettivo – hc – dipendono dal tipo di mezzo, se è gas o liquido, e dalle proprietà del flusso come velocità, viscosità e altre proprietà dipendenti dal flusso e dalla temperatura.
Coefficienti di trasferimento di calore convettivo tipici per alcune applicazioni di flusso di fluidi comuni:
- Convezione libera – aria, gas e vapori secchi: 0.5 – 1000 (W/(m2K))
- Convezione libera – acqua e liquidi: 50 – 3000 (W/(m2K))
- Convezione forzata – aria, gas e vapori secchi: 10 – 1000 (W/(m2K))
- Convezione forzata – acqua e liquidi: 50 – 10000 (W/(m2K))
- Convezione forzata – metalli liquidi: 5000 – 40000 (W/(m2K))
- Acqua bollente: 3.000 – 100.000 (W/(m2K))
- Vapore acqueo condensato: 5.000 – 100.000 (W/(m2K))
- Coefficienti di trasferimento del calore dello scambiatore di calore
Coefficiente di trasferimento del calore convettivo per l’aria
Il coefficiente di trasferimento del calore convettivo per il flusso di aria può essere approssimato a
hc = 10.45 – v + 10 v1/2 (2)
dove
hc = coefficiente di trasferimento del calore (kCal/m2h°C)
v = velocità relativa tra la superficie dell’oggetto e l’aria (m/s)
Siccome
1 kcal/m2h°C = 1.16 W/m2°C
– la (2) può essere modificata in
hcW = 12,12 – 1,16 v + 11,6 v1/2 (2b)
dove
hcW = coefficiente di trasferimento del calore (W/m2°C)
Nota! – questa è un’equazione empirica e può essere usata per velocità da 2 a 20 m/s.
- Flusso d’aria convettivo da una singola fonte di calore
Esempio – Trasferimento di calore convettivo
Un fluido scorre su una superficie piana 1 m per 1 m. La temperatura della superficie è 50oC, la temperatura del fluido è 20oC e il coefficiente di trasferimento di calore convettivo è 2000 W/m2oC. Il trasferimento di calore convettivo tra la superficie più calda e l’aria più fredda può essere calcolato come