Convezione: trasmissione del calore

Quando tra due corpi anche separati o due zone di uno stesso corpo esiste una differenza di temperatura si verifica una spontanea trasmissione di calore che tende a ristabilire l’equilibrio termico. Tale trasmissione può avvenire mediante tre modalità fondamentali:

1)      Conduzione quando il calore si propaga mediante vibrazioni attraverso successivi elementi contigui di materia senza movimento macroscopico di quest’ultima

2)      Convezione quando la propagazione è legata al rimescolamento dei vari elementi di materia; in tal caso il movimento può essere spontaneo, derivante da differenze di densità, ovvero può essere indotto con mezzi esterni

3)      Irraggiamento quando la propagazione avviene per mezzo di onde e quindi non necessita della presenza di materia.

La trasmissione per convezione è il meccanismo che domina la trasmissione termica nei fluidi al di sotto dei 350 °C. A seconda delle caratteristiche dinamiche, la convezione può essere forzata o naturale e, in entrambi i casi, in moto laminare o turbolento.

Moto laminare

Il moto laminare è caratterizzato da un movimento delle particelle che si muovono parallelamente le une alle altre senza subire brusche deviazioni; il moto laminare è rappresentato quindi da moto uniforme con linee di corrente parallele tra loro lungo le quali si muovono ordinatamente le particelle di fluido; in generale con i fluidi acqua e aria perché si abbia tale moto si devono mantenere velocità molto contenute e la superficie del solido con il quale il fluido è a contatto deve essere quanto più liscia possibile; il  moto turbolento è invece caratterizzato dal moto caotico delle particelle di fluido: il moto risulta non uniforme (o vario); a seconda del fluido tale moto può manifestarsi anche per velocità relativamente contenute, per eccessiva scabrezza della superficie del solido o per estensioni delle superfici di contatto relativamente elevate; tale condizione è quella che si verifica per il moto di fluidi all’interno di condotti e tubazioni, e nel moto dell’aria che lambisce esternamente le pareti degli edifici.

Convezione naturale e forzata

La trasmissione per convezione è il tipico modo di scambio termico tra un corpo solido ed un  fluido in movimento che ne lambisce la superficie ed è quindi vincolato al trasporto di materia per effetto delle forze che agiscono sul fluido e che si ingenerano a causa delle variazioni di temperatura (convezione naturale) o per effetto dell’azione meccanica di apparecchi, ad esempio ventilatori (convezione forzata); gli spostamenti di materia portano al rimescolamento delle masse elementari e quindi alla ridistribuzione della temperatura all’interno del fluido . La convezione è quindi un processo di trasporto dell’energia mediante l’azione combinata della conduzione, dell’accumulo di energia e del mescolamento. La potenza termica scambiata per convezione può essere espressa dalla relazione:

Q = h_c S ∆T

Dove ∆T è il potenziale termico (K), S è la superficie interessata alla trasmissione (m²), h_c è il coefficiente di scambio termico convettivo (W/m²K). Tale coefficiente dipende sia dalla natura che dallo stato fisico del fluido oltre che dalla forma geometrica del solido a contatto con il fluido e può variare da punto a punto della superficie S se varia il moto lungo la stessa e pertanto si rende necessario definire un valore medio di tale grandezza. La differenza tra i due tipi di moto suddetti fu scoperta nel 1883 da Osborne Reynolds: in  convezione forzata al fine di valutare il  regime di moto si ricorre ad una grandezza adimensionale che derivata dall’esperienza di Reynolds viene appunto denominata  Numero di Reynolds R_e:

R_e = w Lρ /µ

dove:

w = velocità media nella sezione del condotto (m/s)

ρ = densità del fluido (kg/m³) L = dimensione caratteristica (m)

µ = viscosità dinamica (kg/ms)

Si  è rilevato che: se   R_e < 2100  si ha moto laminare;  se 2100 < R_e < 3100  siamo in regime di transizione e se   Re > 3100  si ha moto turbolento.