TRANSFERENCIA DE CALORPOR CONVECCIÓN

Nos hemos concentrado en la transferencia de calor por conducción y hemos considerado la convección solo hasta el punto en que proporciona una posible condición de frontera para problemas de conducción.

En general utilizamos el termino convección para describir la transferencia de energía entre una superficie y un fluido que se mueve sobre esta.

Convección.

Es el proceso de transferir energía térmica por el movimiento de un fluido.

Cuando el movimiento se produce por diferencia en la densidad, como en el ejemplo del aire alrededor del fuego, esta se conoce como convección natural o libre.

Cuando la sustancia calentada es obligada a moverse mediante un ventilador o bomba, como en algunos sistemas de calefacción de aire caliente y agua caliente, el proceso se denomina convección forzada.

Convección.

Convección.

donde:h : coeficiente convectivo de transferencia de calor.(W/m2 ⁰C)T s : temperatura de la superficie.T α : temperatura del fluido.

La velocidad de transferencia de calor por convección se calcula a través de la siguiente expresión:

)( TThq s

convectivo eCoeficient

....)geometria. p,, T, , , f(v,h

METODOS DE CÁLCULOAnálisis dimensionalEcuaciones de capa fronteraAnalogia con CdM, calor y masa

Análisis Dimensional

NUMERO DE NUSSELTEn el caso del coeficiente de transferencia de calor por convección (h), se utiliza el parámetro adimensional que se denomina numero de Nusselt (Nu).

Proporciona una medida de la transferencia de calor por convección que ocurre en una superficie.

NUMERO DE PRANDTLLa mejor manera de describir el espesor de las capas limites de velocidad y térmica es por medio del parámetro adimensionalconocido como numero de Prandtl.

k

CpPr

NUMERO DE REYNOLDSPara la transición de un flujo laminar a turbulento se utiliza la cantidad adimensionalconocida como numero de Reynolds.

cvLRe

NUMERO DE GRASHOF.El régimen de flujo en la convección natural lo rige un numero adimensional llamado número de Grashof, el cual representa la razón entre la fuerza de empuje y la fuerza viscosa que actúan sobre el fluido y se expresa como,

2

23)(

LTTgGr s

L

ANALISIS POR CONVECCION.La presencia de un gradiente de temperaturas en un fluido, en un campo de gravedad, siempre da lugar a corrientes de convección natural, y como consecuencia, a transferencia de calor por convección natural. Por lo tanto, la convección forzada siempre viene acompañada por convección natural.Los coeficientes de transferencia de calor en la convección forzada son mucho mas altos que los que se encuentran en convección natural, debido a las velocidades mas altas del fluido asociadas a la convección forzada.

Para un fluido dado, el parámetro

representa la importancia de la convección natural con relación a la convección forzada.

La Convección Natural es despreciable cuando

2Re

Gr

1.0Re2

Gr

La Convección Forzada es despreciable cuando

Se deben analizar ambas cuando.

La convección natural puede ayudar o perjudicar a la transferencia de calor por convección forzada,dependiendo de las direcciones relativas de los movimientos inducido por la flotación y la convección forzada.

10Re2

Gr

10Re

1.02

Gr

En el flujo de apoyo el movimiento de flotación tiene la misma dirección que el movimiento forzado.Por lo tanto, la convección natural apoya a la forzada y mejora la transferencia de calor.

En el flujo en oposición la dirección del movimiento de flotación es opuesta a la del movimiento forzado.Por lo tanto, la convección naturalopone resistencia a la forzada y hace disminuir la transferencia decalor.

En el flujo transversal el movimiento de flotación es perpendicular al movimiento forzado.El flujo transversal mejora el mezclado del fluido y, de este modo, la transferencia de calor.

Cuando se determina la transferencia de calor en condiciones de convección forzada y natural combinadas, se tiene

el signo mas es para los flujos de apoyo y transversal y el menos para los flujo en oposición. El valor n varia entre 3 y 4, dependiendo de la configuración geométrica que intervenga. (n = 3 superficies verticales)

CONVECCIÓN NATURAL.

La transferencia de calor por convección natural, se caracteriza debido a que el movimiento del fluido ocurre por medios naturales.

El coeficiente de expansión volumétrica de una sustancia representa la variación de la densidad de esa sustancia con la temperatura a presión constante, y para un gas ideal se expresa como

donde T es en ºK

T

1

Las correlaciones para el número de Nusselt, en la convección natural se expresa en términos del número de Rayleigh, definido como:

SOBRE SUPERFICIES

La transferencia de calor por convección se expresa por la “Ley de Newton” del enfriamiento como:

)( TThAq sS

En este caso el número de Rayleigh, definido como,

Las propiedades del fluido se evalúan a la temperatura de la película:

2

TTT S

f

donde,

g = 9,8 m/s2

β = coeficiente de expansión volumétrica, en . [1/K]

Ts = temperatura de la superficie.

T∞ = temperatura del medio ambiente.

Lc = longitud característica, en m.

ν = viscosidad cinemática del fluido, en m2/s

En la siguientes tablas se dan relaciones del número de Nusselt para varias configuraciones geométricas .

SUPERFICIES CON ALETAS.

En el caso de placas paralelas verticales isotérmicas (Ts = constante), con espaciamiento S y altura L, el numero de Rayleigh se expresa como,

El número de Nusselt para placas paralelas verticales isotérmicas (Ts =constante), con espaciamiento S y altura L, se expresa como:

Una tubería horizontal de vapor de alta presión de 0.1 m de diámetro externo pasa a través de un cuarto cuya temperatura ambiente es de 23ºC. Si la tubería tiene una temperatura superficial externa de 165ºC, estimar la pérdida de calor por unidad de longitud.

Convección Forzada.

Ecuación de Colburn:

Ecuación de Dittus-Boelter:

Ecuación de Sieder y Tate:

3/15/4 PrRe023.0Nu

nNu PrRe023.0 5/4

14.0

3/15/4 PrRe027.0

s

Nu

Agua caliente, circula dentro de una tubería de 0.15 m de diámetro interior, con un flujo másico de 0.05 Kg/s. El aire caliente ingresa a 103ºC y se enfría a 77ºC. Calcular el coeficiente convectivo