Mecanismos de Transferencia de Calor: Convección

Convección natural

Ejercicio guiado

Curso de adaptación a Grado de Ingeniería Mecánica

Se utiliza una tubería horizontal de cobre, de diámetro de 16 mm, para calentar una habitación por convección natural. Por su interior circula agua muy caliente de forma que la temperatura exterior de la tubería sea de 100°C, mientras que se desea que la habitación permanezca a 20°C.

Determinar la cantidad de calor que se disipará por metro lineal de tubería.

Enunciado

Agua caliente

Ts = 100ºCTaire = 20K

1. Dado que sólo analizamos la convección, y se conocen las temperaturas en la superficie y en el fluido lejos de la superficie, únicamente existe la resistencia de convección

planteamiento1. Dibuja el esquema del problema

2. Introduce las condiciones de contorno y las

propiedades de los materiales y fluido

3. Dibuja el esquema del resistencias térmicas

1. Condiciones de operación estacionarias

2. Aire es un gas ideal con propiedades constantes

3. La presión del medio es de 1 atm

4. La temperatura de la superficie externa es constante

5. La transferencia de calor por radiación es despreciable.

planteamiento4. Define las hipótesis

5. Identifica las cuestiones: ¿qué es lo que se pide?

Calor que se disipará por metro lineal de tubería.

Para ello necesitaremos conocer previamente las propiedades de fluido.

K 333

CTT

T erficiefluidomedia º60

2

20100

2sup

0,7007

/sm 102,72

C; W/m·º0,0287

/s;m 1019,43

kg/m·s 102,044

C;kJ/kg·º 1,008

kg/m 1,059

25

26

5

3

Pr

;

313

333

333

333

333

333

KT

KT

KT

KT

KT

KT

k

cp

resolución6. Calcular la temperatura

media del fluido

7. Identificar la tabla correspondiente al fluido

en cuestión

8. Si la temperatura no coincide con ninguna de

la proporcionadas, interpolamos linealmente

En este caso, no existe ningún flujo inducido, por lo que la convección es natural.

84,25543)/sm 1043,19(

)m 016,0)(K 20100)(K 003,0)(m/s 8,9()(226

3-12

2

3

LTTg

Gr s

1-333 K

333

11 3-103media

KT T

resolución10.Determinar si el flujo es

natural o forzado

11.Si es FORZADO: calcular el número de Reynolds para determinar si es

LAMINAR o TURBULENTO

11.Si es NATURAL: calcular el número de

Grashof

56,17898)7007.0()/sm 1043,19(

)m 016,0)(K 20100)(K 003,0)(m/s 8,9(Pr

)(226

3-12

2

3

LTTg

Ra s

Las correlaciones para el caso de la convección natural son los siguientes:

En esta caso se tiene un cilindro horizontal, por lo que las tablas a utilizar son:

resolución12.Determinar la correlación

del número de Nusselt apropiada

Convección natural:

nGrC ·Pr)·(NuL

Como en este caso 92

34 1057,17898Pr

)(10

LTTg s

Entonces:

25,0

53,0

n

C

13,657,1789853,0 25,0 nCRaNu

resolución12.Determinar la correlación

del número de Nusselt apropiada

Cº W/m11

016,0

0287,013,6NuNu 2

L

kh

k

hL

W44,21

mmxChA

T

R

TQ

conveccion

10160º W/m111

Cº 201001

2

13.Aplicar la expresión del número de Nusselt y

obtener h

resolución

14.Aplicar la expresión de transferencia de calor

adecuada

En esta ocasión se trata de un caso de convección únicamente

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gracias