Convezione  

      

Quando la trasmissione del calore è strettamente associata ad un trasferimento di massa si ha la trasmissione di calore per convezione; per questo motivo, il fenomeno della convezione è tipico dei fluidi, che grazie alla loro libertà di movimento, possono agire come vettori termici; mentre lo stesso fenomeno deve essere escluso per i solidi.

La convezione è un processo di trasferimento del calore che avviene per mezzo della circolazione di un fluido, solitamente aria o acqua.
Quando il fluido si riscalda, si espande e diventa meno denso, salendo verso l'alto. Allo stesso tempo, il fluido più freddo e denso si sposta verso il basso per sostituire quello più caldo.

In base alla causa che determina il trasferimento di massa, si possono distinguere due casi di convezione:
• la convezione naturale
• la convezione forzata.
Si parla di convezione naturale quando il trasferimento di massa è causato da una differenza di densità, a sua volta determinata da una differenza di temperatura.

Un esempio di convezione naturale è costituito dalla piastra di un termosifone.

In questo caso, l’aria fredda a contatto con la piastra calda, comincia a riscaldarsi, diminuendo contemporaneamente la densità e spostandosi di conseguenza verso l’alto. L’aria, in questo modo riscaldata, trasferisce il calore lontano dal termosifone.

Si parla invece di convezione forzata quando il moto del fluido non è determinato da una differenza di densità, ma è indotto dall’esterno tramite una differenza di pressione. Ad esempio, un liquido caldo che si muove spinto da una pompa, in una tubazione immersa in un altro liquido freddo, un ventilatore che manda un flusso di aria per raffreddare un banco di tubi dove passa un liquido caldo, un reattore fornito di camicia di raffreddamento in cui si verifica una reazione esotermica; tutti questi sono casi di convezione forzata.

La convezione è dunque, il trasferimento di calore associato allo spostamento di massa. Si ha la convezione naturale, quando lo spostamento di masse è determinato da un gradiente termico e da un conseguente gradiente di densità. Si ha invece la convezione forzata quando lo spostamento di materia è determinato da un gradiente di pressione.

Il profilo di temperatura mostra che questa si mantiene pressochè costante, fino allo strato limite, dove la temperatura aumenta rapidamente sino a portarsi al valore di parete.
Questo è determinato dal fatto che, mentre a distanza dalla parete gli spostamenti di massa rendono uniforme la temperatura in ogni punto, negli strati a diretto contatto con la parete la velocità di spostamento del liquido decresce rapidamente fino ad assumere valore zero a contatto con la parete.
Di conseguenza, questa zona non è interessata al mescolamento di materia e la temperatura varia rapidamente andando dal valore assunto nella massa del fluido fino al valore di parete. In assenza di mescolamento, atrraverso lo strato limite, detto anche pellicola,il trasferimento di calore avviene praticamente per conduzione. Lo spessore dello strato limite è, comunque funzione del tipo di moto del fluido, per cui non è semplice ricavare l'equazione di trasferimento per convezione come nel caso della conduzione.

L'approccio più usuale per determinare il calore trasferito è quello di riferirsi alla cosidetta equazione di Newton del raffreddamento.

h = coefficiente di trasferimento del calore per convezione, anche chiamato coefficiente dipellicola [ W/m²°K ]
A = superficie della parete [ m² ]
T_p = temperatura della parete [ °K ]
T₁ = temperatura del fluido [ °K ]
q = calore trasferito nell'unità di tempo [ W ]

Consideriamo adesso una parete solida a contatto con due fluidi diversi, uno a temperatura T₁ e l'altro a temperatura T₂. La parete solida ha conducibilità λ e spessore d, come si vede nella figura.

Possiamo sempre dire , in regime stazionario, che il calore che viene trasferito dal fluido 1 alla parete è identico al calore trasferito attraverso la parete ed a quello trasferito dalla parete al fluido 2. Allora ci sarà

1) trasferimento dal fluido 1 alla parete, per convezione    

2) trasferimento attraverso la parete, per conduzione         

3) trasferimento dalla parete al fluido 2, per convezione

se usiamo lo stesso metodo visto per le pareti composte nella trasmissione del calore per conduzione:

L'attribuzione del valore al coefficiente di pellicola h dipende dalle caratteristiche fisiche , geometriche e cinematiche del sistema. La sua espressione generale può risultare piuttosto complessa ed è preferibile spesso utilizzare le seguenti formule pratiche che semplificano la procedura del suo calcolo.

 Pareti solide immerse in aria 

cilindri orizzontali  

piani verticali          

L = altezza del piano

piani orizzontali faccia superiore

piani orizzontali faccia inferiore

 Pareti solide immerse in acqua 

cilindri orizzontali

piani verticali

 Liquidi organici 

cilindri orizzontali

piani verticali

N.B.:attenzione, il coefficiente calcolato con queste formule empiriche viene restituito in `(kcal)/(kg*h*°K)`
le distanze, i diametri per i cilindri e le altezze per i piani sono misurati in cm.

Nelle espressioni precedenti, L deve essere interpretato come la lunghezza longitudinale del piano, mentre d, il diametro del tubo.
Qui dobbiamo dire che non sempre abbiamo a che fare con delle condotte a sezione circolare; si pensi infatti ai canali che in genere hanno una sezione trapezoidale, oppure alle canaline per il condizionamento dell'aria (anch'essa è un fluido) che possono essere a sezione rettangolare.
Le equazioni sopra scritte possono essere anche adattate a queste particolari geometrie introducendo una grandezza caratteristica chiamata diametro equivalente.

Nel caso di due tubi concentrici, per la sezione anulare si avrà

si ottiene

Ad esempio: per un condotto di sezione quadrata di lato L si avrà

per un condotto con sezione rettangolare di base b ed altezza h il diametro equivalente sarà

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