convección

TRANSFERENCIA DE CALOR
POR 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.
La velocidad de transferencia de calor por convección se
calcula a través de la siguiente expresión:
q  h(Ts  T )
donde:
h : coeficiente convectivo de transferencia de calor.(W/m2 ⁰C)
T s : temperatura de la superficie.
T α : temperatura del fluido.
Coeficiente convectivo
h  f(v, , , T,  , p, geometria.....)
METODOS DE CÁLCULO
Análisis dimensional
Ecuaciones de capa frontera
Analogia con CdM, calor y masa
Análisis Dimensional
NUMERO DE NUSSELT
En 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 PRANDTL
La mejor manera de describir el espesor de
las capas limites de velocidad y térmica es
por medio del parámetro adimensional
conocido como numero de Prandtl.
Pr 
C p
k
NUMERO DE REYNOLDS
Para la transición de un flujo laminar a
turbulento se utiliza la cantidad adimensional
conocida como numero de Reynolds.
vLc
Re 

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,
GrL 
g (Ts  T ) L 
3

2
2
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
Gr
2
Re
representa la importancia de la convección
natural con relación a la convección forzada.
La Convección Natural es despreciable cuando
Gr

0
.
1
2
Re
La Convección Forzada es despreciable cuando
Gr
 10
2
Re
Se deben analizar ambas cuando.
Gr
0.1  2  10
Re
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.
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 natural
opone resistencia a la
forzada y hace disminuir
la transferencia de
calor.
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
1

T
 donde T es en ºK
 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:
q  hAS (Ts  T )
 En este caso el número de Rayleigh, definido como,
 Las propiedades del fluido se evalúan a la temperatura
de la película:
TS  T
Tf 
2
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:
Nu  0.023Re
4/ 5
1/ 3
Pr
 Ecuación de Dittus-Boelter:
Nu  0.023Re
4/ 5
Pr
n
 Ecuación de Sieder y Tate:
Nu  0.027 Re
4/5
1/ 3
Pr
 


 s




0.14
 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