La convección, la cual constituye el mecanismo de transferencia de calor a través de un fluido, en presencia de un movimiento masivo de éste.
La convección se clasifica como convección natural (o libre) y forzada, dependiendo de la manera en que se inicia el movimiento del fluido.
En la convección forzada se obliga a que el fluido fluya sobre una superficie o en un tubo por medios externos, como una bomba o un ventilador. En los procesos industriales es muy común utilizar torres de enfriamiento, cuya finalidad es enfriar agua caliente por medio de intercambio de calor y masa entre la corriente de agua y una corriente de aire.
Las torres de tiro inducido utilizan ventiladores, con el objetivo de producir convección forzada y lograr un mayor transporte de calor entre el aire y el agua caliente.
En la convección natural, cualquier movimiento del fluido es causado por medios naturales, como el efecto de flotación, el cual se manifiesta como la subida del fluido caliente y la caída del fluido frío. Como por ejemplo las torres de enfriamiento natural, llamadas también torres “hiperbólicas” por la forma que poseen.
En estas torres, el aire necesario se obtiene como resultado de la diferencia de densidades entre el aire más frío del exterior y húmedo del interior de la torre. Utilizan chimeneas de gran altura y sección que facilitan el tiro ascendente del aire frío del ambiente.
6-1 MECANISMO FÍSICO DE LA CONVECCIÓN
La transferencia de calor por convección es complicada por el hecho de que comprende movimiento del fluido así como conducción del calor.
El movimiento del fluido mejora la transferencia de calor, ya que pone en contacto porciones más calientes y más frías de ese fluido, iniciando índices más altos de conducción en un gran número de sitios. Por lo tanto, la velocidad de la transferencia de calor a través de un fluido es mucho más alta por convección que por conducción. De hecho, entre más alta es la velocidad del fluido, mayor es la velocidad de la transferencia de calor.
Se observa que la velocidad de transferencia de calor por convección es proporcional a la diferencia de temperatura y se expresa de manera conveniente por la ley de Newton de enfriamiento como:
El coeficiente de transferencia de calor por convección varía a lo largo de la dirección del flujo (o dirección x). En esos casos, el coeficiente promedio o medio de transferencia de calor por convección para una superficie se determina al promediar de manera adecuada los coeficientes locales sobre toda esa superficie.
NÚMERO DE NUSSELT
El número de Nusselt representa el mejoramiento de la transferencia de calor a través de una capa de fluido como resultado de la convección en relación con la conducción a través de la misma capa.
Entre mayor sea el número de Nusselt, más eficaz es la convección. Un número de Nusselt de Nu=1 para una capa de fluido representa transferencia de calor a través de ésta por conducción pura.
6-2 CLASIFICACIÓN DE LOS FLUJOS DE FLUIDOS
Existe una amplia variedad de problemas de flujo de fluidos que se encuentran en la práctica, y suele ser conveniente clasificarlos a continuación, se presentan algunas categorías generales.
- Región viscosa de flujo en comparación con la no viscosa
- Flujo interno en comparación con el externo
- Flujo compresible en comparación con el incompresible
- Flujo laminar en comparación con el turbulento
- Flujo natural (o no forzado) en comparación con el forzado
- Flujo estacionario en comparación con el no estacionario
- Flujos unidimensional, bidimensional y tridimensional
6-3 CAPA LÍMITE DE LA VELOCIDAD
Considere el flujo paralelo de un fluido sobre una placa plana, como se muestra en la figura:
Las superficies que están torneadas de manera ligera, como los álabes de las turbinas, también se pueden considerar como placas planas con precisión razonable. La coordenada x se mide a lo largo de la superficie de la placa, desde el borde de ataque de esta última, en la dirección del flujo y la y se mide desde esa superficie, en la dirección perpendicular. El fluido se aproxima a la placa en la dirección x con una velocidad uniforme superior V, la cual es prácticamente idéntica a la velocidad de la corriente libre sobre la placa, lejos de la superficie (éste no sería el caso para el flujo cruzado sobre objetos romos, como un cilindro).
En beneficio de la discusión, se puede considerar que el fluido consta de capas adyacentes apiladas una sobre la otra. La velocidad de las partículas en la primera capa de fluido adyacente a la placa se vuelve cero debido a la condición de no resbalamiento. Esta capa inmóvil retarda las partículas de la capa vecina como resultado de la fricción de las partículas de ambas capas adjuntas que tienen velocidades diferentes. Esta última capa retarda las moléculas de la capa siguiente, y así sucesivamente. Por lo tanto, la presencia de la placa se siente hasta cierta distancia normal d a partir de ella, más allá de la cual la velocidad de la corriente libre permanece esencialmente inalterada. Como resultado, la componente x de la velocidad del fluido, u, varía desde 0, en y=0, hasta casi V, en y = 𝝳 (figura 6-15).
6-4 CAPA LÍMITE TÉRMICA
Se ha visto que se desarrolla una capa límite de la velocidad cuando un fluido fluye sobre una superficie como resultado de que la capa de fluido adyacente a la superficie tome la velocidad de ésta (es decir, velocidad cero en relación con la superficie). Y se define la capa límite de la velocidad como la región en la cual la velocidad del fluido varía desde cero hasta 0.99V.
Se desarrolla una capa límite térmica cuando un fluido a una temperatura específica fluye sobre una superficie que está a una temperatura diferente.
El espesor de la capa límite térmica aumenta en la dirección del flujo.
NÚMERO DE REYNOLDS
La transición de flujo laminar a turbulento depende de la configuración geométrica de la superficie, de la aspereza superficial, de la velocidad del flujo, de la temperatura de la superficie y del tipo de fluido.
NÚMERO DE PRANDTL
La mejor manera de describir el espesor relativo de las capas límite de velocidad y térmica es por medio del parámetro número de Prandtl adimensional, definido como:
Los números de Prandtl para los gases son de alrededor de 1, lo cual indica que tanto la cantidad de movimiento como el calor se disipan a través del fluido a más o menos la misma velocidad. El calor se difunde con mucha rapidez en los metales líquidos (Pr<< 1) y con mucha lentitud en los aceites (Pr>> 1) en relación con la cantidad de movimiento. Como consecuencia, la capa límite térmica es mucho más gruesa para los metales líquidos y mucho más delgada para los aceites, en relación con la capa límite de la velocidad.
EJERCICIO 6.8
Durante el enfriamiento de papas mediante aire se determina experimentalmente que el coeficiente de transferencia de calor para la convección, la radiación y la evaporación combinada es como se indica en seguida:
Considere una papa de 8 cm de diámetro que está inicialmente a 20°C, con una conductividad térmica de 0.49 W/m C. Las papas se enfrían por medio de aire refrigerado que está a 5°C, a una velocidad de 1 m/s. Determine la razón inicial de la transferencia de calor desde una papa y el valor inicial del gradiente de temperatura en la superficie de la papa. Respuestas: 5.8 W, –585°C/m
Datos
D=0.08m
To=20°C
K= 0.49 W/m °C
T∞=5°C
V= 1 m/s à Con la tabla se busca el valor de la h = 19.1 W/m2 °C
El área de la esfera (papa) = пr2 = п(8*10-2m)2
Para una esfera ocurre conducción y convección en el interior y exterior de ella:
Igualando para determinar el valor inicial del gradiente de temperatura en la superficie de la papa.
Determine la razón inicial de la transferencia de calor desde una papa.
BIBLIOGRAFÍA
- CENGEL, YUNUS .A. & GHAJAR, AFSHIN J. (2011). Transferencia de calor y masa. México: Mcgraw - Hill
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