ConvecciónPrimera Parte

Es el modo de transferencia de calor

predominante entre una superficie solida

y el fluido adyacente que está en

movimiento

Conducción

Movimiento delFluido

EfectoCombinado

En un primer momento hay una

transferencia de calor por conducción

entre la pared del solido y la capa de

fluido adyacente.

Al calentarse el fluido hay una

disminución de su densidad y se

genera un movimiento al flotar las

partículas mas calientes sobre las

mas frías.

Tipos de Convección

Convección LibreSi el movimiento del fluido es causado por las fuerzas de empuje que son inducidas por la diferencia de densidad

Convección ForzadaSi el fluido es forzado a forzado a desplazarse por medios externos(bombas o ventiladores según sea el caso)

El proceso de convección es sumamente complejo, pero se ha observado que la rapidez de la transferencia de calor es proporcional a la diferencia de temperatura, y a la velocidaddel fluido.

Q = h

h =Coeficiente de transf. de calor por convección

= Área a través de la cual se produce la transf. de calor por convección

Ley de Newton

Ecuación de la transferencia de calor por convección

= Temperatura de la superficie del solido

= Temperatura del fluido, lejos de la superficie

Notas.- 1.- En la zona de contacto, la temperatura del solido y la del fluido son iguales2.- h no es una propiedad del fluido. Es un parámetro que se determina experimentalmente y depende de: • Configuración geométrica de la superficie• Naturaleza del movimiento del fluido• Propiedades físicas del fluido (calor especifico, densidad, conductividad térmica, etc.• Velocidad masiva del fluido.

Valores típicos del coeficiente de transferencia de calor por convección

Tipo de Convección

h

Convección libre de gases 2 - 25

Convección libre de líquidos 10 - 1000

Convección forzada de gases 25 - 250

Convección forzada de líquidos 50 - 20000

Ebullición y condensación 2500 - 100000

La ecuación de Newton, aparentemente es

muy simple pero en realidad en sumamente

compleja ya que es una función de varias

variables

=f(V,,,)

Métodos para la determinación de h

1.- Análisis dimensional, combinado con

ensayos experimentales

2.- Soluciones matemáticas exactas de las

ecuaciones de capa limite

3.- Análisis aproximado de la capa limite

por métodos numéricos

4.- Por analogía entre la transferencia de

calor, transferencia de masa y transferencia

de la cantidad de movimiento.

Métodos para la determinación de h

Ninguno de los cuatro métodos sirve en forma

Aislada para todos los problemas.

Los tres últimos requieren de un conocimiento

muy preciso de los factores intervinientes y

además el manipuleo matemático

requerido puede ser bastante engorroso.

Por ese motivo se ha preferido siempre el

análisis dimensional pero su principal limitación

radica en que los resultados obtenidos son

incompletos y deben ser corroborados

experimentalmente

Métodos para la determinación de h

Existen varias formas de plantear el análisis

dimensional, sin embargo el método que

mas se ha empleado es el de Buckingham el

cual ha sido ampliamente aplicado en

Termodinámica, Mecánica de Fluidos y

Transferencia de Calor, habiendo permitido

la determinación de diversos grupos

adimensionales ampliamente utilizados.

Grupos adimensionales mas utilizados en el estudio de la convección

Re = Numero de Reynolds

Nu = Numero de Nusselt

Pr =

𝑩𝒊=𝒉𝒄

𝒌

Numero de Prandtl

Numero de Biot

Se observa que la velocidad u = u(y) decrece en la dirección hacia la superficie como resultado de la fuerza de rozamiento (viscosidad). Como la velocidad de la capa de fluido adyacente a la pared es u = 0, la transmisión de calor por unidad de área entre la superficie y esta capa de fluido se puede considerar debida exclusivamente a la conducción

En la convección natural, si el fluido es un líquido,

la velocidad crece al principio con la distancia a la

placa, debido a que la viscosidad disminuye más

rápidamente que la densidad, que lo hace más

lentamente, fenómeno que se invierte desde la

zona de velocidad máxima hasta el resto del fluido;

la fuerza ascensional decrece a medida que la

densidad del fluido se aproxima a la del fluido de

los alrededores,

por lo que la velocidad alcanza, en primer lugar, un

máximo y, posteriormente, se aproxima

a cero lejos de la superficie caliente.

La transmisión de calor por convección se puede tratar también dentro de la estructura de una red de resistencias térmicas.Expresando la ecuación de Newton en la forma

Q = h Q =

Donde:

=

Entonces el calor transmitido por ejemplo entre dos fluidos separados por una pared plana, se podría determinar de la siguiente forma