La convezione (dal latino conveho che significa "trasporto insieme") è la modalità di scambio termico che si ha alla superficie di un solido lambito da un fluido per l'effetto combinato della conduzione nel fluido e del trasporto di energia associato allo spostamento di materia, dovuto al moto del fluido stesso. Affinchè si abbia convezione è necessario che il fluido sia in moto.
La convezione può essere classificata in:

• convezione naturale: quando il moto del fluido è dovuto alle differenze di densità indotte dalle differenze di temperatura;
• convezione forzata: quando il moto relativo tra il fluido e la superficie è indotto dall'esterno tramite appositi organi;
• convezione esterna: quando il fluido lambisce dall'esterno un oggetto e, a sufficiente distanza da esso, non risente dell'influenza della parete stessa;
• convezione interna: quando il fluido scorre internamente ad un condotto in modo tale che la presenza della parete provoca effetti sul moto dell'intero fluido.
  

Per calcolare il flusso termico trasmesso per convezione è necessario risolvere contemporaneamente le equazioni differenziali del moto (di Navier-Stokes) e del trasporto di energia nel fluido: un problema matematico formidabile, che a tutt'oggi è stato risolto solo in pochi casi semplici.
Pertanto si ricorre generalmente a determinazioni sperimentali.
Il flusso termico per convezione è esprimibile mediante l'espressione empirica (anch'essa dovuta originariamente a Fourier, che sviluppò una precedente osservazione di Newton):
q'' = α(T_s − T_r) dove:

• T_s rappresenta la temperatura della superficie;
• T_r è invece un'opportuna temperatura di riferimento del fluido: più precisamente, in caso di convezione esterna, essa è data dal valore asintotico che la temperatura raggiunge a sufficiente distanza dalla superficie e che non è influenzato dalla presenza della superficie stessa; in caso di convezione interna essa è la cosiddetta temperatura di miscela (ovvero un'opportuna media della temperatura nella sezione trasversale del condotto, che ne conserva il contenuto medio entalpico).
  

Il coefficiente α[W / m²K] è detto coefficiente di convezione, e non è solo una proprietà del fluido: esso è un coefficiente empirico che incorpora gli effetti dovuti alla natura del fluido, al campo di velocità in prossimità della superficie, alla geometria del sistema. Tanto più esso è elevato, tanto maggiore è lo scambio termico convettivo.
La determinazione di α è nella maggior parte dei casi affidata all'esecuzione di esperimenti che hanno come risultato delle espressioni matematiche, dette correlazioni di scambio termico, che danno il valore del coefficiente di convezione per determinate classi di fluidi, condizioni di moto e configurazioni geometriche.
Vediamo quanto vale questo coefficiente nel caso di convezione forzata nel caso di moto turbolento di fluidi all'interno di condotti:
Nu = 0.023Re^0.8Pr^0.4
dove:

• è il numero di Nusselt [=];
• è il numero di Reynolds [=];
• è il numero di Prandtl [=].

Con:

• D diametro idraulico del condotto;
• k conducibilità termica del fluido;
• w velocità del fluido;
• c_p calore specifico del fluido;
• ρ densità del fluido;
• μ viscosità dinamica.

In regime di convezione naturale, la velocità del fluido dipende dai moti indotti dalle differenze di densità e pertanto non è ben definita. Non ha quindi senso definire il numero di Reynolds, che viene sostituito dal numero di Grashof:

con:

• g accelerazione di gravità;
• β coefficiente di dilatazione termica del fluido;
• T_s temperatura della parete;
• temperatura del fluido imperturbato (a sufficiente distanza dalla parete);
• ρ densità del fluido;
• μ viscosità dinamica;
• L dimensione lineare caratteristica della superficie.

Infine, nel caso di convezione naturale, in presenza di piastre orizzontali, una tipica correlazione di scambio termico ha la seguente forma:

ed è valida per 10⁴ < PrGr < 10⁷.

Bibliografia

• Appunti del corso di Termotecnica.
• Termodinamica e trasmissione del calore, Yunus A. Çengel.