Sistemas De Conveccion

Los problemas de conveccion en la transferencia de calor son considerablemente mas difíciles que los que se encuentran en la conducción y con demasiada frecuencia es imposible encontrar soluciones analíticas. Dichas dificultades surgen del hecho de que el mecanismo básico para la conveccion es una combinación de conducci6n y movimiento de fluidos. La conveccion ocurre siempre que una superficie esta en contacto con un fluido que tiene temperatura diferente a la de la superficie en cuestión Por ejemplo, considere una pared caliente vertical y en contacto con un fluido muy frió. Con el transcurso del tiempo, el fluido en contacto inmediato con la pared se calienta por conducción, provocando que el fluido se haga menos denso. Debido a la diferencia de densidad, se obtiene una fuerza de dotación resultante, provocando que el fluido mas ligero se eleve y lo reemplace otra cantidad del fluido mas frió, repitiéndose continuamente este proceso. Puesto que el movimiento del fluido queda restablecido por fuerzas naturales, a este tipo de convecci6n se le llama conveccion natural o libre. Se tienen otros ejemplos de conveccion natural en los mecanismos asociados con el aire caliente que sale de los radiadores de calor caseros y el flujo del humo de cigarrillos en una habitación. Si la pared que antes mencionamos fuera la de una habitaci6n en una casa y se pusiera a funcionar un ventilador dirigido hacia la pared, entonces una fuente externa (el ventilador) provocaría el movimiento de fluido, dando por resultado un efecto de convecci6n forzada. Tenemos un ejemplo mas de conveccion forzada en los radiadores de auto. De nuevo, hay una pequeña transferencia de calor por radiacion de un "radiador" de auto, pero mas bien el mecanismo para el flujo de calor es el de conveccion forzada. Si la velocidad del aire debida a la acci6n de un ventilador dirigido hacia la pared fuera suficientemente baja, digamos 0.5 pies/seg, entonces el movimiento total del aire seria el resultado en parte debida al ventilador y parte a la fuerza de flotaci6n, resultando una convecci6n combinada. En la practica, los ingenieros usan la siguiente expresi6n para determinar razones, de transferencia de calor por conveccion.

Q = ha (

)

…………….Refiriéndonos a la figura, tenemos:

Transferencia de calor por conveccion desde una superficie.

q = calor transferido de la superficie al fluido circulante, Btu/h o W.

A = area de la superficie, pies2 o m2.

T

= temperatura en la superficie, °F o °C.

T

= temperatura del fluido circundante, °F o °C. Se usa el subíndice

para identificar aquella parte del fluido que esta suficientemente alejado de la superficie como para que no Ie afecte esta por medio del proceso de transferencia de calor.

h = coeficiente convectivo de transferencia de calor, Btu/h-pie2 °F o bien: W/m

K.

ALETAS

Se usan las aletas o superficies extendidas con el fin de incrementar la razón de transferencia de calor de una superficie, en efecto las aletas convexas a una superficie aumenta el área total disponible para la transferencia de calor. En el análisis y diseño de una superficie con aleta, la cantidad de energía calorífica disipada por una sola aleta de un tipo geométrico dado, se determina auxiliándonos del gradiente de temperatura y el área transversal disponible para el flujo de calor en la base de la aleta. Entonces, el numero total de aletas necesarias para disipar una cantidad de calor dada se determinara en base a la acumulación de transferencia de calor. La ecuación diferencial que describe la distribución de temperatura en una aleta resulta de un equilibrio de energía en una sección elemental de la aleta que es tanto conductora, como apta para la conveccion, a la vez. Puesto que un elemento de volumen elemental cualquiera experimenta tanto conducción como conveccion el problema es en realidad multidimensional. En consecuencia las aletas ofrecen una transmisión suave del problema unidimensional que hemos estado estudiando.

Usualmente se usa una superficie con aletas cuando el fluido convectivo participante es un gas, ya que los coeficientes convectivos de transferencia de calor para un gas son usualmente menores que los de un liquido. Como ejemplo de una superficie con aletas se tienen los cilindros de la máquina de una motocicleta, y los calentadores caseros. Cuando se debe disipar energía calorífica de un vehículo espacial, donde no existe convección, se usan superficies con aletas que radian energía calorífica. Las aletas pueden ser con secciones transversales rectangulares, como tiras que se anexan a lo largo de un tubo, se les llama aletas longitudinales; o bien discos anulares concéntricos alrededor de un tubo, se les llama aletas circunferenciales. El espesor de las aletas puede ser uniforme o variable.

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