Trasmissione del calore per convezione: un meccanismo di scambio termico nei fluidi
La convezione del calore è un processo di trasmissione termica che avviene quando almeno uno dei due corpi coinvolti è un fluido. Quando esiste una differenza di temperatura tra due corpi separati o due zone dello stesso corpo, si verifica una trasmissione spontanea di calore per ristabilire l’equilibrio termico. Tale trasmissione può avvenire attraverso tre modalità fondamentali: conduzione, convezione e irraggiamento.
La trasmissione per convezione è il dominante meccanismo di trasmissione termica nei fluidi a temperature inferiori a 350 °C. Essa può manifestarsi come convezione naturale o forzata, e in entrambi i casi può avvenire in moto laminare o turbolento.
Il moto laminare è caratterizzato da un movimento delle particelle del fluido che si muovono parallelamente l’una all’altra senza subire brusche deviazioni, con linee di corrente parallele. Al contrario, il moto turbolento è caratterizzato da un movimento caotico delle particelle di fluido, con un moto non uniforme. La convezione naturale avviene a causa delle variazioni di temperatura, mentre la convezione forzata è dovuta all’azione meccanica di apparecchi come ventilatori.
Il coefficiente di scambio termico convettivo (hc) dipende dalla natura e dallo stato fisico del fluido, oltre che dalla forma geometrica del solido a contatto con il fluido. La potenza termica scambiata per convezione può essere espressa dalla relazione: Q = hc S ∆T.
Il valore di hc dipende dal tipo di fluido, dal suo stato fisico e dalla forma geometrica del solido a contatto con il fluido. La differenza tra moto laminare e moto turbolento è descritta dal Numero di Reynolds, derivato dall’esperienza di Osborne Reynolds: Re = w Lρ /µ, dove w è la velocità media nella sezione del condotto, ρ è la densità del fluido, L è la dimensione caratteristica e µ è la viscosità dinamica. Se Re e 3100 si ha moto turbolento.
