mecanismo de tranferencia de calor por conveccion

Universidad Autónoma del CarmenFacultad de Química

“TRANSFERENCIA DE CALOR”

INTRODUCCIÓN

Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que

se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a

otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado.

Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del

fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a

un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la

mecánica de fluidos.

La convección sólo se trató en la medida en que se refería a las condiciones de frontera

impuestas a un problema de conducción. Ahora deseamos examinar los métodos para el

cálculo de la transferencia de calor por convección y en especial, los modos para predecir el

valor del coeficiente de transferencia de calor por convección h. El tema de transferencia de

calor por convección requiere un balance de energía, además de un análisis de la dinámica de

fluidos de los problemas de interés. En esta trabajo el tratamiento sera primero sobre algunas

de las relaciones sencillas de dinámica de fluidos y análisis de capa límite, los cuales son

importantes en la comprensión básica de la transferencia de calor por convección. En seguida

impondremos un balance de energía en el sistema de flujo y determinaremos la influencia del

flujo sobre los gradientes de temperatura en el fluido. Finalmente, después de conocer la

distribución de temperatura, se podrá determinar la rapidez de transferencia de calor de una

superficie caliente hacia el fluido que se hace pasar sobre ella.

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ÍNDICE

DESARROLLO

1. CONVECCIÓN………………………………………………………………………………….. 3

1.1 Coeficiente de Película…………………………………………………………………… 4

1.2 Viscosidad………………………………………………………………………………….

1.2.1 Flujo Viscoso………………………………………………………………………..

1.2.2 Flujo No Viscoso……………………………………………………………………

5

7

11

1.3 Convección Natural………………………………………………………………………… 11

1.4 Convección Forzada……………………………………………………………………….. 13

1.5 Diferencia entre Convección Libre y Convección Forzada…………………………. 15

1.6 No.de Reynolds…………………………………………………………………………… 16

2. CONCLUSION…………………………………………………………………………………... 17

3. BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………………………………. 19

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DESARROLLO

1. CONVECCIÓN

La transferencia de calor debida a la convección se relaciona con el cambio de energía que

ocurre entre una superficie y un fluido adyacente. Debe hacerse una distinción entre

convección forzada, en la cual se hace pasar un flujo por una superficie solido usando un

medio externo, tal como un ventilador o una bomba y la convección libre o natural, en la que un

fluido mas caliente (o mas frio), que se encuentra próximo a la frontera solida, ocasiona la

circulación a causa de la diferencia de densidades que resulta de la variación de temperatura

en una región del fluido.

Fue Newton quien en 1701 expreso por primera vez la ecuación correspondiente a la

rapidez de transferencia de calor convectivo, por lo que se le denomina a la rapidez de

transferencia de calor convectivo, por lo que se le denomina ecuación de Newton de la

rapidez o ley de Newton del enfriamiento.

Esta ecuación es:

donde q es la rapidez de transferencia de calor convectivo, expresada en Btu/h, A es el área

normal a la dirección de flujo de calor, en m2 o en ft2, ∆T es la diferencia de temperatura que

existe entre la superficie y el fluido, en K o en ºF y h es el coeficiente de transferencia de calor

convectivo, expresado en W/m2.K o en Btu/h.ft2.ºF. La ecuación anterior no es una ley sino una

definición dedicada a la determinación de este coeficiente. En general, es una función de la

geometría del sistema, de las propiedades del fluido y del flujo y de la magnitud de ∆T.

Ya que las propiedades del flujo son tan importantes para la evaluación del coeficiente

de transferencia de calor convectivo, es de esperarse que muchos de los métodos y conceptos

de análisis sean importantes en el análisis de la transferencia de calor convectivo.

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Debe recordarse, que aun cuando un fluido fluya de manera turbulenta alrededor de una

superficie, queda, sin embargo, una capa, algunas veces extremadamente delgada, próxima a

la superficie, en la que el flujo es laminar. También debe tenerse en cuenta que las partículas

de flujo próximas a la frontera solida están en reposo. Como esto es siempre valido, el

mecanismo de transferencia de calor entre una superficie solida y un fluido debe incluir la

conducción a través de las capas de fluido cercana a la superficie.

1.1 Coeficiente de Película

Esta “película” de fluido presenta, a menuda, la principal resistencia a la transferencia de

calor convectivo y al coeficiente h se le llama a menudo, coeficiente de película.

Dos clases de transferencia de calor que difieren un tanto de la convección libre o

forzada, pero que sin embargo, pueden evaluarse cuantitativamente por medio de la ecuación

de Newton son los fenómenos de ebullición y condensación. Los coeficientes de película

asociados a estas dos clases de transferencia son bastante grandes. La siguiente tabla

representa algunos valores del orden de magnitud de h en diferentes mecanismos convectivos.

También es necesario distinguir entre coeficientes locales de calor, ósea, aquellos que

se aplican en un punto y valores totales o promedio de h aplicables en un área dada.

Designaremos al coeficiente local por medio del símbolo hx, de acuerdo con la ecuación

de Newton:

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asi, el coeficiente promedio, h, se relaciona con hx, por medio de la ecuación:

Los valores dados en la tabla son coeficientes promedio de transferencia de calor

convectivo [WELTY, J.R.]

1.2 Viscosidad

La viscosidad es la 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.[1]

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1.2.1 Flujo Viscoso

Considérese el flujo sobre la placa plana que se muestra en las siguientes figuras.

Desde el comienzo del borde principal de la placa se desarrolla una región en donde se siente

la influencia de fuerzas viscosas. Estas fuentes viscosas se describen en términos de

esfuerzos cortantes T entre las capas de fluido. Si suponemos este esfuerzo como proporcional

al gradiente de velocidad normal, tenemos la ecuación para definir la viscosidad.

A la constante de proporcionalidad p se le llama la viscosidad dinámica. Un conjunto

de unidades típico es el newton-segundo por metro cuadrado; sin embargo, se utilizan muchos

conjuntos de unidades para la viscosidad, y deberá tenerse cuidado a fin de seleccionar el

conjunto apropiado que sea consistente con la formulación que se tiene. A la región de flujo

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que se desarrolla a partir del borde Principal de la placa en el que se observan los efectos de

viscosidad se le llama la capa Emite. Se utiliza un punto arbitrario para designar la posición y,

en donde termina la capa; este punto se selecciona casi siempre como la coordenada y en

donde la velocidad adquiere el 99% del valor de corriente libre.

Inicialmente, el desarrollo de la capa límite es laminar, pero a una distancia crítica del

borde principal, dependiendo del campo de flujo y las propiedades del fluido, comienzan a

amplificarse pequeñas perturbaciones en el fluido y tiene lugar un proceso de transición hasta

que el flujo se vuelve turbulento. Podemos pensar en la región de flujo turbulento como en una

agitación aleatoria en la que partes del fluido se mueven de aquí para allá, en todas

direcciones. La transición de flujo turbulento a laminar ocurre cuando

A esta agrupación particular de términos se le llama número de Reynolds y es

adimensional cuando se utiliza un conjunto de unidades consistente para todas las

propiedades:

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A pesar de que para la mayor parte de los propósitos analíticos el número de Reynolds

crítico se toma generalmente como 5x105 para transición en una placa plana, el valor crítico en

una situación práctica depende en gran parte de las condiciones de rugosidad de la superficie y

del “nivel de turbulencia” de la corriente libre. El intervalo normal para el comienzo de la

transición se encuentra entre 5x105 y 106. Cuando existen perturbaciones muy grandes en el

flujo, la transición puede comenzar en números tan bajos como 105 y para flujos casi libres de

fluctuaciones, ésta no comenzará hasta Re = 2x106 o más. En realidad el proceso de transición

es uno que cubre un intervalo de números de Reynolds en el que tenemos transiciones

completas y desarrollo de flujo turbulento en números de Reynolds del doble del valor en que

comenzó la transición.

Considérese el flujo en un tubo, tal como se muestra en la figura. Como se muestra, se

forma una capa límite en la entrada. Tal vez la capa límite llena la totalidad del tubo, y se dice

que el flujo se encuentra totalmente desarrollado. Si el flujo es laminar, se observa un perfil de

velocidad parabólico, tal como se muestra en la fig. 1. Cuando el flujo es turbulento se observa

un perfil un poco más obtuso, como el de la fig. 2. Para un tubo, se utiliza nuevamente el

número de Reynolds como criterio para el flujo laminar y turbulento. Se observa que el flujo es

turbulento.

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Una vez más se puede observar un intervalo de números de Reynolds para la transición,

de acuerdo con la rugosidad del tubo y la uniformidad del flujo. El intervalo para la transición

aceptado en general es

2000 < Red < 4000

a pesar de que en condiciones de laboratorio cuidadosamente controladas se ha mantenido

flujo laminar hasta números de Reynolds de 25 000.

La relación de continuidad para flujo unidimensional en un tubo es

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Definimos la masa velocidad como

de manera que los números de Reynolds pueden escribirse

1.2.2 Flujo no viscoso

Aunque no existe un fluido real no viscoso, en algunas circunstancias se puede

considerar el fluido como tal y es conveniente presentar algunas ecuaciones que se aplican en

estas circunstancias.

La razón de este comportamiento es que los gradientes de velocidad normales para la

dirección de flujo son muy pequeños y por consiguiente, las fuerzas cortantes viscosas son

pequeñas. Si se realiza un equilibrio de fuerzas sobre un elemento de fluido incompresible y

estas fuerzas se hacen iguales al cambio en momento del elemento, la ecuación de Bernoulli

para flujo a lo largo de una línea de corriente resulta: [HOLMAN, J.P.]

o en forma diferencial

1.3 Convección Natural

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El mecanismo de transferencia de energía por convección natural

incluye el movimiento de un fluido alrededor de una frontera solida,

como resultado de las diferencias de densidad que resultan del

intercambio de energía. A causa de esto, es muy natural que los

coeficientes de transferencia de calor así como las ecuaciones que

la relacionan, varíen de acuerdo con la geometría de un sistema

dado.

Los principios que guarda este tipo de mecanismo son:

• Régimen estacionario.

• Propiedades físicas constantes.

• Régimen laminar.

• Temperatura de las paredes constante (T1 y T2).

• Paredes muy largas (en z): T(y)

Superficies Verticales. El sistema de convección natural que acepta con más facilidad el

tratamiento analítico es el de un fluido adyacente a una pared vertical o a un cilindro de gran

diámetro. [WELTY, J.R.]

En convección natural el flujo resulta solamente de la diferencia de temperaturas del

fluido en la presencia de una fuerza gravitacional. La densidad de un fluido disminuye con el

incremento de temperatura. En un campo gravitacional, dichas diferencias en densidad

causadas por las diferencias en temperatura originan fuerzas de flotación. Por lo tanto, en

convección natural las fuerzas de flotación generan el movimiento del fluido. Sin una fuerza

gravitacional la convección natural no es posible. En convección natural una velocidad

característica no es fácilmente disponible. Algunos ejemplos de transferencia de calor por

convección natural son: el enfriamiento de café en una taza, transferencia de calor de un

calefactor, enfriamiento de componentes electrónicos en computadoras sin ventilador para

enfriar, y la transferencia de calor del cuerpo humano cuando una persona esta en descanso.

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El estudio de la convección natural se basa de dos principiuos de la mecánica de fluidos:

conservación de masa, conservación de momento y del principio de termodinámica que es la

conservación de energía. Las ecuaciones de los principios mencionados se reducen al tomar

en cuenta las siguientes suposiciones: [2]

1) p=cte, la densidad es constante

2) d/dt=0, no se toma en cuenta las variaciones con respecto al tiempo

3) el fluido se considera bidimensional.

4) La viscosidad estática es constante

5) No se considera la diferencia en presiones en el eje y

6) No hay esfuerzos cortantes a lo largo del eje y

7) El calor especifico es constante (Cp)

8) El coeficiente de actividad es constante (k)

1.4 Convección Forzada

La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un

gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento

de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos. Las

propiedades de una convección forzada son las siguientes:[4]

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• Régimen estacionario.

• Propiedades físicas constantes.

• Régimen laminar.

• Densidad de flujo de calor en la pared (q1) constante.

El Perfil de velocidad para convección forzada es:

Balance de energía:

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1.5 Diferencias entre Convección Libre y Convección Forzada

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1.6 No. De Reynolds (N.Re)

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Representa la relación que existe entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas que

actúan sobre un elemento de volumen de un fluido. Es un indicativo del tipo de flujo del fluido,

laminar o turbulento. [3]

Donde:

Uf es la velocidad del flujo del fluido a una distancia lo suficientemente alejada de la superficie.

Lc es la longitud característica: para una placa plana

Lc = distancia al borde de ataque de la placa.

Para un tubo de sección circular Lc = Diámetro ( D ).

Para un tubo de sección no circular Lc = Diámetro hidraúlico ( Dhid ).

n es la viscosidad cinemática.

Un valor grande del número de Reynolds indica régimen turbulento.

Un valor pequeño del número de Reynolds indica régimen laminar.

El valor del número de Reynolds para el cual el flujo se vuelve turbulento es el número

crítico de Reynolds. Este valor crítico es diferente para las diferentes configuraciones

geométricas.

Para una placa plana Re crítico = 5 E5.

Para tubos: si Re < 2300 el flujo es laminar. Si 2300 < Re < 10000 el flujo es de

transición. Si Re > 10000 el flujo es turbulento.

El número de Reynolds sólo se utiliza en convección forzada.

2. CONCLUSIÓN

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La convección es el mecanismo transferencia de calor a través de un fluido con movimiento

masivo de éste.

En la convección existe movimiento del fluido a nivel macroscópico mientras que en la

conducción existe movimiento a nivel microscópico, atómico o molecular, pero no a nivel

macroscópico, entendiendo como nivel mácroscópico movimiento de volúmenes

relativamente grandes del fluido.

La convección se clasifica en natural y forzada. En la convección forzada se obliga al fluido a

fluir mediante medios externos, como un ventilador o una bomba. En la convección natural el

movimiento del fluido es debido a causas naturales, como el efecto de flotación, el cual se

manifiesta con la subida del fluido caliente y el descenso del fluido frio.

La transferencia de calor por convección depende de las propiedades del fluido, de la

superficie en contacto con el fluido y del tipo de flujo. Entre las propiedades del fluido se

encuentran: la viscosidad dinámica m, la conductividad térmica k, la densidad r. También se

podría considerar que depende de la viscosidad cinemática n, puesto que n = m /r .

Entre las propiedades de la superficie que intervienen en la convección están la geometría y

la aspereza. El tipo de flujo, laminar o turbulento, también influye en la velocidad de

transferencia de calor por convección.

La velocidad de transferencia de calor a través de un fluido es mucho mayor por convección

que por conducción. Cuanto mayor es la velocidad del fluido mayor es la velocidad de

transferencia de calor.

La convección natural es debida al gradiente térmico, y se justifica:

1. Por la diferencia de densidad o de peso específico que aparece debido a las diferentes

temperaturas. Esto produce que el fluído más frío circule hacia abajo y el más caliente hacia

arriba, produciendo una corriente ascendente. En esta consideración participa la fuerza de

gravedad, pero en el caso que ésta no entre en juego por estar el sistema en el espacio

exterior, la convección natural tambien tiene lugar, por el siguiente punto.

2. Las partículas líquidas o gaseosas tienen movimientos relativos contínuos, que aumentan

al aumentar sus estados térmicos. Este movimiento transporta la energía calórica en forma

de energía cinética mientras se desplaza la partícula y va colisionando con las millones que

encuentra en su camino, y a su vez éstas hacen lo mismo, verificándose una convección a

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nivel molecular de flujo muy turbulento. El movimiento de las partículas es conocido como

movimiento browniano.

El mecanismo de transferencia de energía por convección natural incluye el movimiento de

un fluido alrededor de una frontera solida, como resultado de las diferencias de densidad

que resultan del intercambio de energía.

3. BIBLIOGRAFIA

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“Fundamentos de Transferencia de Momento, Calor y Masa”, Convección; James R.

WELTY; Edit. Limusa; 1996; Pag 278-279

“Transferencia de Calor”, Principios de Conveccion; J.P. HOLMAN; Decima Reimpresion

Edit. CECSA; 1999; Pag 193-198

Fuentes Bibliográficas. Páginas WEB.

[1] www.uclm.es/profesorado/.../FA0405%20Tema04%20Calor.ppt

[2] http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lim/lopez_s_ja/capitulo3.pdf]

[3] http://www.telecable.es/personales/albatros1/calor/transferencia_de_calor_05_conveccion.htm

[4] www.iq.uva.es/fentrans/.../WebFT04%20Ec%20No-Isotermicos.ppt

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