Coeficiente de transferência de calor - Heat transfer coefficient

O coeficiente de transferência de calor ou coeficiente de filme , ou eficácia de filme , em termodinâmica e em mecânica é a constante de proporcionalidade entre o fluxo de calor e a força motriz termodinâmica para o fluxo de calor (ou seja, a diferença de temperatura, Δ T ):

A taxa de transferência de calor total para modos combinado é normalmente expressa em termos de uma condutância global ou o coeficiente de transferência de calor, L . Nesse caso, a taxa de transferência de calor é:

Onde:

: área de superfície onde ocorre a transferência de calor, m 2
: temperatura do fluido circundante, K
: temperatura da superfície sólida, K.

A definição geral do coeficiente de transferência de calor é:

Onde:

q : fluxo de calor , W / m 2 ; ou seja, energia térmica por unidade de área , q = d / dA
h : coeficiente de transferência de calor, W / (m 2 • K)
Δ T : diferença de temperatura entre a superfície sólida e a área de fluido circundante, K

É usado no cálculo da transferência de calor , normalmente por convecção ou transição de fase entre um fluido e um sólido. O coeficiente de transferência de calor tem unidades SI em watts por metro quadrado kelvin: W / (m 2 K).

O coeficiente de transferência de calor é o inverso da isolação térmica . Isso é usado para materiais de construção ( valor R ) e para isolamento de roupas .

Existem vários métodos para calcular o coeficiente de transferência de calor em diferentes modos de transferência de calor, diferentes fluidos, regimes de fluxo e sob diferentes condições termo-hidráulicas . Muitas vezes, pode ser estimado dividindo a condutividade térmica do fluido de convecção por uma escala de comprimento. O coeficiente de transferência de calor é freqüentemente calculado a partir do número de Nusselt (um número adimensional ). Existem também calculadoras online disponíveis especificamente para aplicações de fluidos de transferência de calor . A avaliação experimental do coeficiente de transferência de calor apresenta alguns desafios, especialmente quando pequenos fluxos devem ser medidos (por exemplo ).

Composição

Um método simples para determinar um coeficiente de transferência de calor geral que é útil para encontrar a transferência de calor entre elementos simples, como paredes em edifícios ou entre trocadores de calor é mostrado abaixo. Observe que esse método considera apenas a condução dentro dos materiais, não leva em consideração a transferência de calor por meio de métodos como a radiação. O método é o seguinte:

Onde:

  • = o coeficiente geral de transferência de calor (W / (m 2 • K))
  • = A área de contacto para cada lado do fluido (m 2 ) (com e expressando quer superfície)
  • = a condutividade térmica do material (W / (m · K))
  • = o coeficiente de transferência de calor de convecção individual para cada fluido (W / (m 2 • K))
  • = a espessura da parede (m).

Como as áreas para cada abordagem de superfície são iguais, a equação pode ser escrita como o coeficiente de transferência por unidade de área, conforme mostrado abaixo:

ou

Freqüentemente, o valor de é referido como a diferença de dois raios, onde os raios interno e externo são usados ​​para definir a espessura de um tubo que transporta um fluido, no entanto, esta figura também pode ser considerada como uma espessura de parede em um mecanismo de transferência de placa plana ou outras superfícies planas comuns, como uma parede em um edifício, quando a diferença de área entre cada borda da superfície de transmissão se aproxima de zero.

Nas paredes de edifícios, a fórmula acima pode ser usada para derivar a fórmula comumente usada para calcular o calor através dos componentes do edifício. Arquitetos e engenheiros chamam os valores resultantes de Valor U ou Valor R de uma montagem de construção como uma parede. Cada tipo de valor (R ou U) está relacionado como o inverso um do outro, de modo que R-Value = 1 / U-Value e ambos são mais completamente compreendidos através do conceito de um coeficiente geral de transferência de calor descrito na seção inferior deste documento .

Correlações convectivas de transferência de calor

Embora a transferência de calor convectiva possa ser derivada analiticamente por meio de análise dimensional, análise exata da camada limite, análise integral aproximada da camada limite e analogias entre transferência de energia e momento, essas abordagens analíticas podem não oferecer soluções práticas para todos os problemas quando não há matemática modelos aplicáveis. Portanto, muitas correlações foram desenvolvidas por vários autores para estimar o coeficiente de transferência de calor por convecção em vários casos, incluindo convecção natural, convecção forçada para fluxo interno e convecção forçada para fluxo externo. Essas correlações empíricas são apresentadas para sua geometria e condições de fluxo particulares. Como as propriedades do fluido são dependentes da temperatura, elas são avaliadas na temperatura do filme , que é a média da superfície e a temperatura ambiente circundante .

Fluxo externo, plano vertical

As recomendações de Churchill e Chu fornecem a seguinte correlação para convecção natural adjacente a um plano vertical, tanto para fluxo laminar quanto turbulento. k é a condutividade térmica do fluido, L é o comprimento característico em relação à direção da gravidade, Ra L é o número de Rayleigh em relação a esse comprimento e Pr é o número de Prandtl .

Para fluxos laminares, a seguinte correlação é ligeiramente mais precisa. Observa-se que a transição de uma fronteira laminar para turbulenta ocorre quando o Ra L excede em torno de 10 9 .

Fluxo externo, cilindros verticais

Para cilindros com seus eixos verticais, as expressões para superfícies planas podem ser usadas, desde que o efeito de curvatura não seja muito significativo. Isso representa o limite onde a espessura da camada limite é pequena em relação ao diâmetro do cilindro . As correlações para paredes planas verticais podem ser usadas quando

onde está o número de Grashof .

Fluxo externo, placas horizontais

WH McAdams sugeriu as seguintes correlações para placas horizontais. A flutuabilidade induzida será diferente dependendo se a superfície quente está voltada para cima ou para baixo.

Para uma superfície quente voltada para cima ou uma superfície fria voltada para baixo, para fluxo laminar:

e para fluxo turbulento:

Para uma superfície quente voltada para baixo ou uma superfície fria voltada para cima, para fluxo laminar:

O comprimento característico é a relação entre a área da superfície da placa e o perímetro. Se a superfície é inclinada em um ângulo θ com a vertical, então as equações para uma placa vertical de Churchill e Chu podem ser usadas para θ até 60 °; se o fluxo da camada limite for laminar, a constante gravitacional g é substituída por g cos  θ ao calcular o termo Ra.

Fluxo externo, cilindro horizontal

Para cilindros de comprimento suficiente e efeitos finais insignificantes, Churchill e Chu têm a seguinte correlação para .

Fluxo externo, esferas

Para esferas, T. Yuge tem a seguinte correlação para Pr≃1 e .

Invólucro retangular vertical

Para fluxo de calor entre duas placas verticais opostas de gabinetes retangulares, Catton recomenda as duas correlações a seguir para proporções menores. As correlações são válidas para qualquer valor do número de Prandtl.

Para 1 < H / L <2:

onde H é a altura interna do gabinete e L é a distância horizontal entre os dois lados de diferentes temperaturas.

Para 2 < H / L <10:

Para compartimentos verticais com proporções de aspecto maiores, as duas correlações a seguir podem ser usadas. Para 10 < H / L <40:

Para 1 < H / L <40:

Para todas as quatro correlações, as propriedades do fluido são avaliadas na temperatura média - em oposição à temperatura do filme - , onde e são as temperaturas das superfícies verticais e .

Convecção forçada

Fluxo interno, fluxo laminar

Sieder e Tate fornecem a seguinte correlação para explicar os efeitos de entrada no fluxo laminar em tubos onde é o diâmetro interno, é a viscosidade do fluido na temperatura média da massa, é a viscosidade na temperatura da superfície da parede do tubo.

Para fluxo laminar totalmente desenvolvido, o número de Nusselt é constante e igual a 3,66. Mills combina os efeitos de entrada e o fluxo totalmente desenvolvido em uma equação

Fluxo interno, fluxo turbulento

A correlação de Dittus-Bölter (1930) é uma correlação comum e particularmente simples, útil para muitas aplicações. Essa correlação é aplicável quando a convecção forçada é o único modo de transferência de calor; ou seja, não há ebulição, condensação, radiação significativa, etc. A precisão dessa correlação é esperada em ± 15%.

Para um fluido fluindo em um tubo circular reto com um número de Reynolds entre 10.000 e 120.000 (na faixa de fluxo de tubo turbulento ), quando o número de Prandtl do fluido está entre 0,7 e 120, para um local longe da entrada do tubo (mais de 10 tubos diâmetros; mais de 50 diâmetros de acordo com muitos autores) ou outras perturbações de fluxo, e quando a superfície do tubo é hidraulicamente lisa, o coeficiente de transferência de calor entre o volume do fluido e a superfície do tubo pode ser expresso explicitamente como:

Onde:

é o diâmetro hidráulico
é a condutividade térmica do fluido em massa
é a viscosidade do fluido
fluxo de massa
capacidade de calor isobárico do fluido
é 0,4 para aquecimento (parede mais quente do que o fluido) e 0,33 para resfriamento (parede mais fria do que o fluido).

As propriedades do fluido necessárias para a aplicação desta equação são avaliadas na temperatura total , evitando assim a iteração.

Convecção forçada, fluxo externo

Ao analisar a transferência de calor associada ao fluxo pela superfície externa de um sólido, a situação é complicada por fenômenos como a separação da camada limite. Vários autores correlacionaram tabelas e gráficos para diferentes geometrias e condições de fluxo. Para fluxo paralelo a uma superfície plana, onde é a distância da borda e é a altura da camada limite, um número de Nusselt médio pode ser calculado usando a analogia de Colburn .

Correlação de Thom

Existem correlações específicas de fluido simples para o coeficiente de transferência de calor na ebulição. A correlação de Thom é para o fluxo de água fervente (sub-resfriada ou saturada a pressões de até cerca de 20 MPa) sob condições em que a contribuição da ebulição nucleada predomina sobre a convecção forçada. Esta correlação é útil para uma estimativa aproximada da diferença de temperatura esperada, dado o fluxo de calor:

Onde:

é a elevação da temperatura da parede acima da temperatura de saturação, K
q é o fluxo de calor, MW / m 2
P é a pressão da água, MPa

Observe que essa correlação empírica é específica para as unidades fornecidas.

Coeficiente de transferência de calor da parede do tubo

A resistência ao fluxo de calor pelo material da parede do tubo pode ser expressa como um "coeficiente de transferência de calor da parede do tubo". No entanto, é necessário selecionar se o fluxo de calor é baseado no diâmetro interno ou externo do tubo. Selecionando para basear o fluxo de calor no diâmetro interno do tubo e assumindo que a espessura da parede do tubo é pequena em comparação com o diâmetro interno do tubo, então o coeficiente de transferência de calor para a parede do tubo pode ser calculado como se a parede não fosse curva:

onde k é a eficaz condutividade térmica do material da parede e x é a espessura da parede.

Se a suposição acima não for válida, o coeficiente de transferência de calor da parede pode ser calculado usando a seguinte expressão:

onde d i e d o são os diâmetros interno e externo do tubo, respectivamente.

A condutividade térmica do material do tubo geralmente depende da temperatura; a condutividade térmica média é freqüentemente usada.

Combinando coeficientes de transferência de calor por convecção

Para dois ou mais processos de transferência de calor atuando em paralelo, os coeficientes de transferência de calor convectivos simplesmente adicionam:

Para dois ou mais processos de transferência de calor conectados em série, os coeficientes de transferência de calor convectivos somam-se inversamente:

Por exemplo, considere um tubo com um fluido fluindo dentro. A taxa aproximada de transferência de calor entre a maior parte do fluido dentro do tubo e a superfície externa do tubo é:

Onde

q = taxa de transferência de calor (W)
h = coeficiente de transferência de calor por convecção (W / (m 2 · K))
t = espessura da parede (m)
k = condutividade térmica da parede (W / m · K)
A = área (m 2 )
= diferença de temperatura.

Coeficiente geral de transferência de calor

O coeficiente geral de transferência de calor é uma medida da capacidade geral de uma série de barreiras condutivas e convectivas para transferir calor. É comumente aplicado ao cálculo da transferência de calor em trocadores de calor , mas pode ser aplicado igualmente bem a outros problemas.

Para o caso de um trocador de calor, pode ser usado para determinar a transferência de calor total entre as duas correntes no trocador de calor pela seguinte relação:

Onde:

= taxa de transferência de calor (W)
= coeficiente geral de transferência de calor (W / (m 2 · K))
= Área da superfície de transferência de calor (m 2 )
= diferença de temperatura média logarítmica (K).

O coeficiente geral de transferência de calor leva em consideração os coeficientes de transferência de calor individuais de cada fluxo e a resistência do material do tubo. Pode ser calculado como o recíproco da soma de uma série de resistências térmicas (mas existem relações mais complexas, por exemplo, quando a transferência de calor ocorre por diferentes rotas em paralelo):

Onde:

R = Resistência (s) ao fluxo de calor na parede do tubo (K / W)
Outros parâmetros são como acima.

O coeficiente de transferência de calor é o calor transferido por unidade de área por Kelvin. Assim, a área é incluída na equação, pois representa a área sobre a qual ocorre a transferência de calor. As áreas para cada fluxo serão diferentes, pois representam a área de contato para cada lado do fluido.

A resistência térmica devido à parede do tubo (para paredes finas) é calculada pela seguinte relação:

Onde

x = a espessura da parede (m)
k = a condutividade térmica do material (W / (m · K))

Isso representa a transferência de calor por condução no tubo.

A condutividade térmica é uma característica de um determinado material. Os valores das condutividades térmicas para vários materiais estão listados na lista de condutividades térmicas .

Conforme mencionado anteriormente no artigo, o coeficiente de transferência de calor por convecção para cada corrente depende do tipo de fluido, propriedades de fluxo e propriedades de temperatura.

Alguns coeficientes de transferência de calor típicos incluem:

  • Ar - h = 10 a 100 W / (m 2 K)
  • Água - H = 500 a 10,000 W / (m 2 K).

Resistência térmica devido a depósitos de incrustação

Freqüentemente, durante o uso, os trocadores de calor coletam uma camada de incrustação na superfície que, além de potencialmente contaminar um fluxo, reduz a eficácia dos trocadores de calor. Em um trocador de calor sujo, o acúmulo nas paredes cria uma camada adicional de materiais por onde o calor deve fluir. Devido a esta nova camada, há resistência adicional dentro do trocador de calor e, portanto, o coeficiente geral de transferência de calor do trocador é reduzido. A seguinte relação é usada para resolver a resistência à transferência de calor com a resistência adicional à incrustação:

=

Onde

= coeficiente geral de transferência de calor para um trocador de calor sujo,
= perímetro do trocador de calor, pode ser o perímetro do lado quente ou frio, no entanto, deve ser o mesmo perímetro em ambos os lados da equação,
= coeficiente geral de transferência de calor para um trocador de calor não incrustado,
= resistência à incrustação no lado frio do trocador de calor,
= resistência à incrustação no lado quente do trocador de calor,
= perímetro do lado frio do trocador de calor,
= perímetro do lado quente do trocador de calor,

Esta equação usa o coeficiente geral de transferência de calor de um trocador de calor não incrustado e a resistência à incrustação para calcular o coeficiente geral de transferência de calor de um trocador de calor incrustado. A equação leva em consideração que o perímetro do trocador de calor é diferente nos lados quente e frio. O perímetro usado para o não importa, desde que seja o mesmo. Os coeficientes gerais de transferência de calor serão ajustados para levar em consideração que um perímetro diferente foi usado, pois o produto permanecerá o mesmo.

As resistências de incrustação podem ser calculadas para um trocador de calor específico se a espessura média e a condutividade térmica da incrustação forem conhecidas. O produto da espessura média e da condutividade térmica resultará na resistência à incrustação em um lado específico do trocador de calor.

=

Onde:

= espessura média da incrustação em um trocador de calor,
= condutividade térmica da incrustação ,.

Veja também

Referências

links externos