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Convección

La transferencia de calor por convección se asocia con el intercambio de energía entre una superficie y un fluido adyacente en movimiento. Existen muy pocas situaciones de importancia práctica en transferencia de energía en donde no interviene al mismo tiempo el movimiento de un fluido. La ecuación de rapidez de transferencia para la convección que usualmente utilizamos en forma convencional es la ley de enfriamiento de Newton, cuya ecuación es:

El modo de transferencia de calor por convección se compone de dos mecanismos de transporte, que son, la transferencia de energía debido al movimiento aleatorio de las moléculas (difusión térmica) y el movimiento global o macroscópico del fluido. El movimiento del fluido de los fluidos se asocia con el hecho de que, en cualquier instante, grandes números de moléculas se mueven de forma colectiva o como agregados.

Convección Forzada

La transferencia de calor por convección puede ser clasificada de acuerdo a la naturaleza del flujo. Cuando hablamos de convección forzada es cuando el movimiento del fluido es causado por medios externas, como un ventilador, bomba o viento.

La ecuación q”= h (Ts - T∞) se conoce como ley de enfriamiento de newton a la constante de proporcionalidad h (W/m²°K) se le llama coeficiente convectivo de transferencia de calor. Este depende de las condiciones de la capa limite, la cual es afectada por la geometría de la superficie, la naturaleza del movimiento del fluido, y por las propiedades termodinámicas (densidad, calor especifico) y de transporte del fluido (conductividad térmica, viscosidad).

Convección Externa Forzada

La convección externa forzada es aquel mecanismo de transferencia de calor entre una superficie y un fluido con movimiento que fluye alrededor de la misma, el cual es forzado a circular a través de esta por algún equipo donde se hace variar la presión del fluido de trabajo.

Convección Externa Forzada placas planas

El flujo en la capa limite se inicia como laminar pero si la placa es suficientemente larga, el flujo se volverá turbulento a una distancia X, donde el número de Reynolds alcanza un valor crítico. El número de Reynolds a una distancia x para una placa plana se expresa como:

Convección Externa Forzada en cilindros y esferas

El número de Re, para superficies de este tipo esta denominado por: Re = VD/v donde V es la velocidad uniforme del fluido al aproximarse al cilindro o esfera. El número de Reynolds crítico para el flujo que pasa a través de un cilindro circular o una esfera es alrededor.

Convección interna forzada

Para este caso particular, el fluido esta confinado, por las superficies que lo rodean por lo cual la capa limite no puede desarrollarse de forma indefinida, por lo cual existe una restricción del desarrollo de la capa limite, Por lo que las relaciones del Nu con respecto al Re varia, por consiguiente el coeficiente de transferencia de calor por convección h.

Flujo laminar en tubos

El perfil laminar de velocidades en una tubería tiene forma de una parábola, donde la velocidad máxima se encuentra en el eje del tubo y la velocidad es igual a cero en la pared del tubo. En este caso, la pérdida de energía es proporcional a la velocidad media.

Para el flujo en tubo circular el número de Reynolds se define como:

Dónde:

Vm: velocidad media del fluido

D: diámetro de tubo

Ѵ: μ/ρ es la viscosidad cinemática del fluido.

Flujo laminar en tubos

Para el flujo por tubos no circulares, el número de Reynolds así como el número de Nusselt y el factor de fricción se basan en el diámetro hidráulico Dh definido como:

Dónde:

Ac: área de sección transversal del tubo.

P: perímetro

Flujo turbulento en tubos

Resulta conveniente tener valores precisos de los números de Reynolds para los flujo laminar de transición y turbulento, pero, este no es el caso esto se debe a que la transición de flujo laminar o turbulento también depende del grado de perturbación que ese flujo recibe por parte de la aspereza de la superficie, las vibraciones del tubo y las fluctuaciones en el flujo el cual es turbulento para Re>10000.

La transferencia de energía por convección es un fenómeno complicado en donde participan un gran número de efectos, no hay suficiente información para permitir la formulación, ya sea de las ecuaciones diferenciales que lo gobiernan, o de una noción clara y completa del fenómeno al cual se le puedan aplicar leyes fundamentales. El análisis debe ser experimental y la correlación de las observaciones será un acercamiento empírico a la ecuación que describa correctamente el proceso. Una herramienta que es utilizada en fenómeno tan complicados es el análisis dimensional, esta metodología permite obtener una relación entre un conjunto de ciertos números adimensionales, que de alguna forma, incluyen toda la información necesaria para describir el fenómeno con un cierto rigor (cuanto mayor sea este más información se requiere). Cada número adimensional es una medida del comportamiento del sistema en cierto aspecto, por ejemplo el número adimensional conocido como

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