Convección de calor. Conceptos clave

Convección de calor

Conceptos clave

• La convección de calor es la transferencia de energía térmica por el movimiento físico del fluido (líquido, gas o plasma) de un lugar a otro.

• La convección de calor es a menudo el modo principal de transferencia de energía en líquidos y gases.

• Junto con la conducción y la radiación, la convección es uno de los tres métodos básicos de transferencia de calor.

• Los dos tipos de convección por calor son convección natural (libre) y convección forzada. En la mayoría de las situaciones, ambos tipos coexisten, lo que se conoce como convección mixta.

• El coeficiente de transferencia de calor por convección es una unidad de conductancia utilizada para calcular la transferencia de calor por convección.

La transferencia de energía térmica por el movimiento físico real de una ubicación a otra de una sustancia en la que se almacena la energía térmica. La convección de calor es a menudo el modo principal de transferencia de energía en líquidos y gases. Un ejemplo familiar de convección es la ebullición de agua en una olla (Fig. 1). Técnicamente, la convección denota el intercambio de calor no radiante entre una superficie y un fluido que fluye sobre ella. (El término "fluido" se refiere a formas deformables de materia, incluidos líquidos, gases y plasmas). Aunque el flujo de calor por conducción también ocurre en este proceso, la característica de control es la transferencia de energía por flujo del fluido, de ahí el nombre de convección. La convección es uno de los tres métodos básicos de transferencia de calor, los otros dos son la conducción y la radiación. [pic 1]

Tipos de convección por calor

Los dos tipos de convección por calor son la convección natural (libre) y la convección forzada. Los dos tipos suelen estar presentes en situaciones de transferencia de calor de la vida real, conocidas como convección mixta. Un ejemplo familiar es el movimiento libre o forzado de aire caliente a través de una habitación para proporcionar calefacción.

Convección natural

Este modo de transferencia de energía se ejemplifica mediante el enfriamiento de una superficie vertical en un gran cuerpo de aire inactivo a temperatura t∞. El aire de menor densidad al lado de una superficie vertical caliente se mueve hacia arriba debido a la fuerza de flotación del aire frío de mayor densidad más alejado de la superficie (Fig. 2a). En cualquier ubicación vertical arbitraria x, la velocidad paralela a la superficie aumentará de cero en la superficie a un máximo, y luego disminuirá a cero a medida que se alcancen las condiciones ambientales circundantes (Fig. 2b). En contraste, la temperatura del aire disminuye del valor de la pared calentada a la temperatura del aire circundante. Estas distribuciones de temperatura y velocidad están claramente interrelacionadas, y las distancias desde la pared a través de las cuales existen son coincidentes porque, cuando la temperatura se aproxima a la del aire circundante, la diferencia de densidad que causa el flujo ascendente se acerca a cero.

[pic 2]

La región en la que ocurren estos cambios de velocidad y temperatura se denomina capa límite. Debido a que los gradientes de velocidad y temperatura se aproximan a cero en el borde exterior, no habrá flujo de calor fuera de la capa límite por conducción o convección.

Una contabilidad de todas las corrientes de energía que entran y salen de un pequeño volumen en la capa límite (Fig. 2c) durante condiciones de estado estable produce la ecuación. (1)

                                                                                                          (1)[pic 3]

donde κ, ρ y cp son la conductividad térmica, la densidad de masa y el calor específico a presión constante del aire, y u y v son los componentes de la velocidad en las direcciones x e y, respectivamente. La ecuación (1) establece que la energía neta conducida en el elemento es igual al aumento en la energía del fluido que sale (convecido) sobre lo que ingresó.

Muy cerca de la superficie, los componentes de velocidad u y v se aproximan a 0, y las derivadas parciales ∂2 t / ∂x2 y ∂t / ∂x también se aproximan a 0. Por lo tanto, la transferencia de calor desde la pared debe ser por conducción a través de una delgada capa de aire que es efectivamente estacionaria en relación con la superficie. Por lo tanto, la ecuación. (2) [pic 4]                                                                           (2)

se obtiene, donde q es la tasa de tiempo del flujo de calor por unidad de superficie a través de una capa de aire infinitamente delgada. A una distancia muy pequeña de la superficie, la velocidad se vuelve finita y parte de la energía conducida normalmente a la superficie se convence paralelamente a ella. Este proceso hace que el gradiente de temperatura disminuya, eventualmente a cero. La solución de un problema requiere la determinación simultánea de las distribuciones de velocidad y temperatura en toda la capa límite. A partir de esto, se puede calcular el gradiente de temperatura en la pared y la tasa de flujo de calor.

El efecto de la energía que sale de una superficie y permanece en la capa límite es (1) un aumento gradual de la temperatura del aire en esta capa a medida que se mueve hacia arriba, y (2) la difusión de energía más lejos de la superficie, arrastrando más aire en ( engrosamiento) la capa límite. Este efecto se puede visualizar con fotografías de interferencia (Figs. 3 y Fig. 4a), donde las franjas de interferencia indican líneas de temperatura constante (isotermas).

[pic 5]

[pic 6]

Convección forzada

Si se sopla aire a través de un cilindro (Fig. 4), la capa límite en la mitad delantera del cilindro se volverá tan delgada que no será posible resolver las isotermas dentro de él. Aunque las fuerzas de convección naturales todavía están presentes en este último caso, son claramente insignificantes en comparación con las fuerzas impuestas. Sin embargo, el proceso de transferencia de energía desde la superficie calentada al aire no es diferente del descrito para la convección natural. La principal característica distintiva es que la velocidad máxima del fluido se encuentra en el borde exterior de la capa límite. Esta diferencia en el perfil de velocidad y las velocidades más altas proporcionan más fluido cerca de la superficie para transportar el calor conducido normalmente a la superficie. En consecuencia, las capas límite son muy delgadas.

Las propiedades de un fluido que influyen en su capacidad de convección térmica son la viscosidad dinámica μ, la capacidad térmica a presión constante cp y la conductividad térmica κ. Estos se combinan en una sola propiedad significativa en la forma μcp / κ = μ / (κ / cp), que es la relación entre la viscosidad del fluido y el cociente de sus capacidades de conducción y almacenamiento de calor. Con las unidades adecuadas, esta relación no tiene dimensión y se llama número de Prandtl, NPr. Para el aire, el NPr es aproximadamente 1. Los fluidos como los aceites tienen valores superiores a 100. Los metales líquidos, para los cuales NPr ∼ 0.01, son particularmente efectivos para aplicaciones de transferencia de calor por convección.

Coeficiente de transferencia de calor

El coeficiente de transferencia de calor por convección h es una unidad de conductancia utilizada para calcular la transferencia de calor por convección. Fue introducido por el físico y matemático inglés Isaac Newton y, hasta que el mecanismo de convección se interpretó correctamente, se pensó que era una característica del fluido que fluía. Para describir cuantitativamente el enfriamiento de los objetos en el aire, Newton sugirió la ecuación. (3)

                                                               (3)[pic 7]

Esta ecuación, conocida como la ley de enfriamiento de Newton, es realmente una definición de h. En comparación con la ecuación. (2), se puede ver que este coeficiente es proporcional a la pendiente de la distribución de temperatura del fluido directamente en la superficie, y la conductividad térmica κ del fluido. Las unidades métricas son W / (m2) (° C); Las unidades de ingeniería comunes son Btu / (h) (ft2) (° F).

A medida que el fluido en la capa límite calentada o enfriada se mueve a lo largo de una superficie isotérmica, gradualmente se acerca a la temperatura de la superficie. Esto hace que el gradiente de temperatura en el fluido en la superficie (y la velocidad de transferencia de calor) disminuya en la dirección del flujo. Tomando, por ejemplo, una corriente de aire a 104 ° F (40 ° C) que se mueve a 50 pies / s (15 m / s) sobre una placa plana a 68 ° F (20 ° C), el coeficiente local de transferencia de calor hx disminuye en 1 pie (0.3 m) a aproximadamente un quinto de su valor de borde de ataque. Para cálculos prácticos, un coeficiente de transferencia de calor promedio h es más útil. Se obtiene integrando hx sobre la superficie de transferencia de calor y dividiendo por el área de la superficie. Para este sistema, h es una función de la longitud de la placa l, κ, μ, ρ y u∞ del fluido. Para comparar sistemas geométricamente similares que involucran diferentes fluidos, el análisis dimensional muestra que las propiedades específicas se pueden combinar en parámetros adimensionales, reduciendo convenientemente el número de variables independientes. Para la placa plana, estos son el número de Nusselt, NNu = h l / κ, el número de Reynolds, NRe = lu∞ρ / μ, y el número de Prandtl, NPr. Por ejemplo, se puede demostrar que en este caso la ecuación. (4)

...