Analisis De La Conveccion

Introducción

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.

5. Análisis de la convección

5.1 Convección forzada

5.1.1 Introducción

La convección forzada se clasifica a su vez en externa e interna dependiendo de si el flujo de fluido es interna o externa. El flujo de un fluido se clasifica como interno o externo dependiendo de si se fuerza al fluido a fluir por un canal confinado (superficie interior) o por una superficie abierta. El flujo de un fluido no limitado por una superficie (placa, alambre, exterior de un tubo) es flujo externo. El flujo por un tubo o ducto es flujo interno si ese fluido está limitado por completo por superficies sólidas. El flujo de líquidos en un tubo se conoce como flujo en canal abierto si ese tubo está parcialmente lleno con el líquido y se tiene una superficie libre.

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 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.

En cualquier caso, la velocidad de transferencia de calor por convección siempre es proporcional a la diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido. Este hecho se modela matemáticamente mediante la Ley de Enfriamiento de Newton: q-punto = h (Ts- Tf) o Q-punto = h As (Ts - Tf) donde Ts es la temperatura de la superficie en contacto con el fluido y Tf es la temperatura del fluido lo suficientemente lejos de dicha superficie. La influencia de las propiedades del fluido, de la superficie y del flujo se cuantifica en el coeficiente de película o coeficiente de transferencia de calor por convección (h).

5.1.2 Capa limite hidrodinámica y térmica

Capa límite hidrodinámica

Considérese una placa plana, donde un flujo de fluido incide sobre ésta. La partícula de fluido al hacer contacto con la placa adquiere una velocidad relativa a la placa nula. Éstas partícula actúan por efecto de la viscosidad sobre las capas contiguas retardando su movimiento, así sucesivamente, hasta que a una distancia y = δ los efectos se hacen insignificante, esto como consecuencia de que la velocidad del fluido se hace igual a la velocidad de corriente libre.

La cantidad δ se le llama espesor de capa límite hidrodinámica y se define como:

(4.6)

Cuando el fluido choca con la placa se produce dos regiones perfectamente definidas, la primera región, llamada capa límite, que se caracteriza por una capa muy delgada en los que los gradientes de velocidad y esfuerzos corte son grandes. La segunda región, llamada flujo de potencia, se encuentra fuera de la capa límite y los gradientes de velocidad y esfuerzos cortantes son insignificantes.

A demás del espesor de la capa límite, δ, existen dos parámetros impotente que se deber calcular, estos son: El coeficiente de fricción y el esfuerzo cortante en la pared.

El coeficiente de fricción se define por:

(4.7)

Donde ρ es la densidad del fluido, es la velocidad de corriente libre y

es el esfuerzo cortante en la pared.

Y el esfuerzo cortante en la pared es:

(4.8)

Donde ð es la viscosidad dinámica del fluido.

Capa límite térmico

Así como se produce la capa límite hidrodinámica, también se produce una capa límite térmica, siempre y cuando exista un gradiente de temperatura entre la superficie de la placa y el fluido que entra en contacto con ella (ver Figura 4.3). En la entran del fluido a la placa, se puede considerar que la distribución de temperatura

es uniforme, luego al estar la partícula de fluido en contacto con la placa que esta a

Tal que se transmite energía térmica a las partículas de fluido. Cuando se alcanza el equilibrio térmico las partículas de fluido en contacto con la placa alcanzan la temperatura de la placa, las cuales a su vez intercambia energía con las partículas adyacentes, produciendo un gradiente de temperatura en ésta región. Ésta región donde existe el gradiente de temperatura se le llama capa límite térmico y su espesor (espesor de la capa límite térmica) se determine por:

(4.9)

Donde es la temperatura en la superficie de la placa (

) y es la temperatura del fluido en la corriente libre.

Haciendo el cambio de variable, en termino de exceso de temperatura

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