La convezione termica è il trasferimento di calore tra una superficie e un fluido in movimento. Combina conduzione vicino alla parete e trasporto di energia dovuto al moto del fluido; per questo dipende sia dalle proprietà termiche sia dalla fluidodinamica.
Il modello ingegneristico di base è la legge di Newton del raffreddamento:
dove h è il coefficiente convettivo, A l’area di scambio, T_s la temperatura della superficie e T_\infty quella del fluido indisturbato.
La convezione può essere:
| Tipo | Origine del moto |
|---|---|
| forzata | pompe, ventilatori, vento o moto imposto |
| naturale | spinta di galleggiamento dovuta a differenze di densità |
| mista | contributi forzati e naturali comparabili |
Il coefficiente h non è una proprietà del fluido soltanto: dipende da geometria, velocità, regime laminare o turbolento, orientamento della superficie, rugosità e proprietà termofisiche. Per questo si stima spesso tramite correlazioni adimensionali, espresse con il numero di Nusselt:
dove L è una lunghezza caratteristica e k la conducibilità termica del fluido. Il numero di Nusselt confronta lo scambio convettivo reale con la sola conduzione attraverso uno strato fluido di spessore caratteristico.
Nella convezione forzata entrano in gioco velocità e regime di moto; nella convezione naturale sono importanti differenze di temperatura, dilatazione termica e gravità. Il numero di Rayleigh sintetizza spesso la tendenza all’innesco della convezione naturale.
Dal punto di vista progettuale, la convezione compare in scambiatori di calore, elettronica di potenza, raffreddamento di motori, edifici, impianti HVAC, reattori chimici e processi di essiccazione. Un errore comune è scegliere un valore di h “tabellare” senza verificare geometria e condizioni di flusso: lo stesso fluido può avere coefficienti molto diversi in quiete, in ventilazione forzata o in ebollizione.
Vedi anche: Conduzione termica, Trasmissione del calore, Temperatura, Calore.