Conceitos Fundamentais em Transferência de Calor e Fluidos

O que é Camada-Limite?

A camada-limite é a região de escoamento afetada cinematicamente pela presença de um corpo. É a camada de fluido nas imediações de uma superfície delimitadora, onde se fazem sentir os efeitos difusivos e a dissipação da energia mecânica.

Camadas-Limite em Tubos vs. Placas

Diferente das placas, nos tubos não há escoamento livre, pois o fluido está confinado. As camadas-limite de velocidade e térmica se desenvolvem ao longo do escoamento até que as camadas superiores e inferiores se interceptam no centro do tubo. A partir desse ponto, há um perfil de velocidade e temperatura de escoamento constante.

Escoamento Plenamente Desenvolvido e Interno

A camada-limite se desenvolve, aumentando com a distância x, e termina quando se torna única no eixo do tubo. A partir deste ponto, o perfil de velocidade não se altera mais com x, sendo o escoamento denominado plenamente desenvolvido.

No escoamento interno, ele é considerado:

• Hidraulicamente desenvolvido quando x_h < L
• Termicamente desenvolvido quando x_t < L

Números Adimensionais na Convecção Forçada

Nusselt (Nu)

Representa a razão entre a transferência de calor de um fluido por convecção (ou seja, a transferência do fluido em movimento) e a condução (que pode ser considerada um caso extremo de convecção). Considerando uma camada de fluido de espessura L e com uma diferença de temperatura ΔT entre suas superfícies: q_conv / q_cond = hΔT / L = Nu.

Reynolds (Re)

É representativo para o cálculo do regime de escoamento de determinado fluido sobre uma superfície. Seu significado físico é um quociente de forças: forças de inércia sobre forças de viscosidade.

Prandtl (Pr)

Controla a espessura relativa das camadas-limite de momento e térmica. Quando Pr é pequeno, significa que o calor difunde-se muito facilmente em comparação com a velocidade (momento). Fisicamente, pode ser descrito como a razão entre a difusão viscosa e a difusão térmica.

Número de Biot (Bi)

O Número de Biot (Bi) é um parâmetro adimensional que fornece um índice da razão entre a resistência à transferência de calor por condução dentro de um sólido e a resistência à transferência de calor por convecção na sua superfície.

Número de Fourier (Fo)

Caracteriza a condução de calor, sendo a razão entre a taxa de difusão de calor e a taxa de armazenamento de calor. É expresso pela razão entre a difusividade térmica e o tempo característico, sobre o quadrado do comprimento da difusão.

Convecção Forçada vs. Convecção Natural

A principal diferença entre a convecção natural e forçada é que, na convecção natural, o movimento do fluido é influenciado por forças de empuxo (devido a diferenças de densidade), enquanto, na convecção forçada, o movimento dos fluidos é influenciado por meios externos (como ventiladores ou bombas).

Fatores que Afetam o Coeficiente de Convecção (h)

O coeficiente de transferência de calor convectivo (h) depende de diversos fatores, incluindo:

• Propriedades do fluido
• Propriedades do fluxo (regime, velocidade)
• Temperatura
• Geometria da superfície
• Dimensões do sistema