convección: principios básicos

TRANSFERENCIA DE CALOR

Mecanismo de convecciónLey de enfriamiento de Newton-CONVECCIÓN

M. Sc. Edisson Paguatian

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Cuando un fluido caliente se mueve en contacto con una superficie fría, el calor se transfiere hacia la pared a un ritmo que depende de las propiedades del fluido y si se mueve por convección natural, por flujo laminar o por flujo turbulento.

Convección

Convección natural Flujo laminar Flujo turbulento

Convección forzada

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CONVECCIÓN

• La convección es un fenómeno de transporte (materia y energía) que tiene su origen en diferencias de densidad.

• Cuando un fluido se calienta, se expande; en consecuencia su densidad disminuye.

• Si una capa de material más fría y más densa se encuentra encima del material caliente, entonces el material caliente asciende a través del material frío hasta la superficie.

• El material ascendente disipará su energía en el entorno, se enfriará y su densidad aumentará, con lo cual se hundirá reiniciando el proceso.http://www.sunblock99.org.uk/sb99/people/KGalsgaa/convect.html

http://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node76.html

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http://orpheus.nascom.nasa.gov/~kucera/explore/lessons/convection.html

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Ley de enfriamiento de Newton

ThATThAQ )(

Temperatura superficial Temperatura del fluido libre

Coeficiente deconvección

Superficie deintercambio

T superficial

T fluido libre

Capa límite T

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h (Wm-2K-1)Convección libre en aire 5-25Convección libre en agua 500-1000Convección forzada en aire 10-500Convección forzada en agua 100-15000Agua hirviendo 2500-25000Vapor condensando 5000-100000

Valores típicos del coeficiente de convección

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Distancia

Velocidad Velocidad

Distancia

Laminar Turbulento

Perfiles de velocidad

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SuperficieDistribución de temperaturas

Distancia

Temperatura

Capa límite

fsx TThAq

T superficie sT

T fluido libre (región de temperatura uniforme)

fT

Ley de Newton del enfriamiento

Perfiles de temperaturas

hTT

Aq fsx

/1

RT

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Viscosidad: propiedad molecular que representa la resistencia del fluido a la deformación

Dentro de un flujo, la viscosidad es la responsable de las fuerzas de fricción entre capas adyacentes de fluido. Estas fuerzas se denominan de esfuerzo cortante (“shearing stress”) y dependen del gradiente de velocidades del fluido.

zc

AF

Viscosidad dinámica

Gradiente develocidad

(Pa · s=N·s/m2)

(1 Pa · s = 10 Poise)

z

c c+dc

FA

10

Viscosidad cinemática (m2s-1)

Fluidos viscosos fricción entre capas, disipación energía cinética como calor

aportación de energía para mantener el flujo

Fluidos viscosos en régimen laminar fricción entre capas, disipación como calor

existen intercambios de energía entre capas adyacentes de fluido

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Flujo laminar y flujo turbulento

lclc Re

Número de Reynolds

Si Re < Re CRÍTICO Régimen laminar

Si Re > Re CRÍTICO Régimen turbulento

Valores típicosSuperficie plana: Re CRÍTICO 510-5

Conducto cilíndrico: Re CRÍTICO 2200

CONVECCIÓN Transporte del calor en cañerías

puede ser:

Axial: Velocidad axial (transporte) Mezcla axial (movimiento de vórtices)

Radial: Conducción radial Mezcla radial

CONVECCIÓN Tipos de

movimientos de fluido: Convección forzada. Convección libre. Sin movimiento

(conducción).

CONVECCIÓN

CONVECCIÓN

CONVECCIÓN Conceptos de capa límite hidráulica y capa

límite térmica.

CONVECCIÓN

.: hidráulicalímitecapaEspesor

.: térmicalímitecapaEspesorT

.: narlamisubcapaEspesorEn general:

T

LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON

)( TThq sConv

)( TThAQ sSConv

Coeficiente de transferencia de calor por convección

Resistencia térmica por convección

LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON

h1

térmicaaresistenciimpulsorafuerza

h

Tq

1

h

Teniendo en cuenta que Lc es la Longitud característica

Para un tubo no circular:  donde Dhid es el diámetro hidraúlico = ( 4 Ac ) / p ;Ac: área de la sección transversal del tubo;p: perímetro de la sección

tranversal

Para un tubo circular, donde; D: diametro interior del tubo

Cuanto mayor es el número de Nusselt más eficaz es la convecciónUn número de Nusselt de Nu = 1, para una capa de fluido, representa transferencia de calor a través de ésta por conducción pura.

El número de Prandtl va desde menos de 0.01 para los metales líquidos hasta más de 100.000 para los aceites pesados. El Pr es del orden de 10 para el agua. Los valores del número de Prandtl para los gases son de alrededor de 1, lo que indica que tanto la cantidad de movimiento como de calor se difunden por el fluido a una velocidad similar. 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. Esto indica que 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 velocidad. Cuanto más gruesa sea la capa límite térmica con mayor rapidez se difundirá el calor en el fluido.

Donde Uf es la velocidad del flujo del fluido a una distancia lo suficientemente alejada de la superficie.Lc = la longitud característica: para una placa plana Lc = Diámetro ( D ). Para un tubo de sección circular Lc = Diámetro hidraúlico ( Dhid ). Para un tubo de sección no circular

Donde:g es la aceleración de la gravedad.β  es el coeficiente de expansión volumétrica de una sustancia; representa la variación de la densidad de esa sustancia con la temperatura a presión constante. Para un gas ideal b = 1 / T; T es la temperatura absoluta en K. Lc es la longitud característica. Para una placa vertical del longitud L , Lc = L. Para un cilindro de diámetro D , Lc = D.

ᵥ es la viscosidad cinemática.

Número de GRASHOF ( Gr ) .- Representa la relación que existe entre las fuerzas de empuje y las fuerzas viscosas que actúan sobre el fluido. Es un indicativo del régimen de flujo en convección natural, equivalente al número de Reynolds en convección forzada. 

Número de RAYLEIGH ( Ra ) .- Es función del número de Grashof y del número de Prandtl. Su valor es el número de Grashof multiplicado por el número de Prandtl.

El Número de Eckert (Ec) Que expresa la relación entre la energía cinética de un fluido y su entalpía. Su nombre es en honor del profesor Ernst R. G. Eckert

CORRELACIONES Correlaciones con siete números

adimensionales todavía son difíciles de manipular y trabajar, por lo tanto hay que reducir su número.

El número de Eckert se puede despreciar, ya que influye en altas velocidades.

Si se utiliza una temperatura media de fluido, se puede despreciar la razón de temperaturas.

CORRELACIONES

3 2

2( , , , , , )p s

p

c ThL uL g L uF Sk k T c T

kE

hLkuL

3

2

g L

pck

2

p

uc T

sTT

LNu

ReL

LGr

Pr

Número de Nusselt , Eckert number ,

Número de Reynods, Razón de temperatura Número de Grashof, Forma de la Superficie Número de Prandtl,

CORRELACIONES La correlación para obtener el

coeficiente convectivo se reduce a:

Convección forzada: en este caso la variación de la densidad es despreciable, por lo que el número de Grashof se deprecia:

(Re , Pr, , )L L LNu F Gr S

(Re ,Pr, )L LNu F S

CORRELACIONES Convección natural: en este caso

no hay movimiento del seno del fluido provocado por agente externos, u=0, el Re es nulo:

( ,Pr, )L LNu F Gr S

CORRELACIONES Es destacable, que siempre está

presente el Prandtl y la forma de la superficie. El Prandtl, razón de las difusividades de momento y térmica.

Correlaciones empíricas:

GRACIAS POR SU ATENCIÓN