Conveccin

A modo de introduccin:Uno de los principales objetivos que

persigue este captulo, es dar a conocer losmtodos de clculo de transferencia de calorpor conveccin y las alternativas de estimar elpor conveccin y las alternativas de estimar elvalor del coeficiente h.

Conveccin

FLUJOS DE LA CAPA LMITE:Segn la teora molecular, cuando un

fluido empieza a fluir bajo la influencia de lagravedad, las molculas de las capasestacionarias del fluido deben cruzar unafrontera o lmite para entrar en la regin defrontera o lmite para entrar en la regin deflujo. Una vez cruzado el lmite, estas molculasreciben energa de las que estn en movimientoy comienzan a fluir. Debido a la energatransferida, las molculas que ya estaban enmovimiento reducen su velocidad. Al mismotiempo, las molculas de la capa de fluido en

Conveccin

.movimiento cruzan el lmite en sentidoopuesto y entran en las capas estacionarias,con lo que transmiten un impulso a lasmolculas estacionarias. El resultado global deeste movimiento bidireccional de un lado al otrodel lmite es que el fluido en movimiento reducedel lmite es que el fluido en movimiento reducesu velocidad, el fluido estacionario se pone enmovimiento, y las capas en movimientoadquieren una velocidad media.

Conveccin

EFECTOS DEL CALOR

La viscosidad de un fluido disminuye con

la reduccin de densidad que tiene lugar al

aumentar la temperatura. En un fluido menos

denso hay menos molculas por unidad dedenso hay menos molculas por unidad de

volumen que puedan transferir impulso desde

la capa en movimiento hasta la capa

estacionaria. Esto, a su vez, afecta a la

velocidad de las distintas capas. El momento

se transfiere con ms dificultad entre las

capas, y la viscosidad disminuye.

Conveccin

En algunos lquidos, el aumento de la

velocidad molecular compensa la reduccin de

la densidad. Los aceites de silicona, por

ejemplo, cambian muy poco su tendencia a

fluir cuando cambia la temperatura, por lo quefluir cuando cambia la temperatura, por lo que

son muy tiles como lubricantes cuando una

mquina est sometida a grandes cambios de

temperatura.

Conveccin

Flujo Viscoso:Los fluidos reales siempre experimentan al

moverse ciertos efectos debidos a fuerzas derozamiento o fuerzas viscosas. As, laviscosidad es responsable de las fuerzas defriccin que actan entre las capas del fluido.friccin que actan entre las capas del fluido.En los lquidos, esta surge de las fuerzas decohesin entre las molculas de la sustancia.La viscosidad en los lquidos disminuye con latemperatura, mientras que lo contrario sucedecon los gases. Si un fluido no tiene viscosidadfluira por un tubo horizontal sin necesidad.

Conveccin

de aplicar ninguna fuerza, su cantidad demovimiento sera constante. En un fluido real,sin embargo, para mantener un caudal de fluidoestable debe mantenerse una diferencia depresiones entre los extremos de la tubera.

Flujo Laminar Flujo Turbulento

Conveccin

Al contacto con la lamina se empiezan a notar losefectos de las fuerzas viscosas descrita en trminos deesfuerzo cortante y es proporcional a la viscosidad y algradiente de velocidad de deformacin.

Ley de viscosidades de

Newton

Conveccin

La longitud a la cual se puede estimarcomienza la zona de transicin viene dada porla siguiente relacin:

Depende de las condicionesde rugosidad de la placa

Esta agrupacin de variables recibe el nombrede Re, que para este caso corresponde a unfluido libre sobre un placa estacionaria.

Conveccin

Ecuacin diferenciales de conveccin:a. Conservacin de la masa (flujo msico que

entra igual al que sale)

Conveccin

Ecuacin diferenciales de conveccin:b. Conservacin de la cantidad de movimiento

Flujo incompresible, estable,viscosidad constante y sedesprecian la fuerzas viscosas en ladireccin de y

Conveccin

Ecuacin diferenciales de conveccin:c. Conservacin de la energa

Flujo incompresible, estable,propiedades constante y conduccinpropiedades constante y conduccinde calor en las direcciones de x y y

Conveccin

Ecuacin diferenciales de conveccin:c. Conservacin de la energa

Para flujo laminar se escribe

Conveccin

Para una placa plana isotrmica

Conveccin

Para una placa plana isotrmicaResolviendo para las condiciones de frontera

Metales lquidos Pr>>> 50

Conveccin

Para una placa plana con flujo de calor constante:

Otras correlaciones:

TipoConstante

Placa Isotrmica Flujo de calor constante

a 0,3387 0,4637b 0,0468 0,0207

Conveccin

Ejercicio (Placa isotrmica): Se tiene un placaplana que se calienta en toda su longitud a 60C. Determine el flujo de calor a 200 mm delborde de ataque de la plancha si T= 27 C.

Conveccin

Ejercicio (placa flujo de calor constante): seconstruye un calentador que consiste en unaplancha por la cual se hace pasar unacorriente y se genera 1W de calor constante.La placa es de 60 x 60 cm y se le hace circularLa placa es de 60 x 60 cm y se le hace circularuna corriente de aire a 27 C, 1 atm y a 5 m/s.Determine el promedio de la diferencia detemperatura entre la plancha y el medio.

Conveccin

Ejercicio (placa flujo de calor constante):Aceite de motor a 25 C, circula 1,3 m/s sobreuna superficie rectangular de 0,3 m de largo yprofundidad 0,2 m. La superficie se calientahasta una temperatura uniforme de 70 C.hasta una temperatura uniforme de 70 C.Determine la magnitud del flujo de calor quepierde la superficie.

Conveccin

Relacin entre la friccin en un fluido enrgimen laminar y transferencia de calorsobre una superficie plana

Conveccin

Ejercicio: Sobre una superficie plana circulaaire a 27 C, 2 m/s y 1 atm. Las dimensionesde la placa son 40 cm largo y profundidad 100cm y esta se encuentra a 60 C. El coeficientede transferencia de calor por conveccin (h) es8,7 W/m2K. Determine el esfuerzo cortante y la8,7 W/m2K. Determine el esfuerzo cortante y lafuerza sobre la placa

Conveccin

A modo de conclusin se presentan un cuadrocon varias correlaciones matemticas paradeterminar, nmero de Nusselt, Stanton,coeficiente de friccin h, transferencia de calorQ, coeficiente de friccin Cf e incluso espesorQ, coeficiente de friccin Cf e incluso espesorde capa lmite .

Conveccin

Conveccin

Conveccin

Perfil de velocidades, flujo laminar en un tubo

Transferencia de Calor Flujo InternoTuberas y Conductos

Perfil de velocidades, flujo turbulento en un tubo

Conveccin

Nmero de Reynolds para flujo viscoso dentro deun tubo

Marca la zona de transicin

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Correlacin de Dittus y Boelter flujo turbulento tubos lisos

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Grfica de correlacin de Dittus y Boelterflujo turbulento tubos lisos

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Correlacin de Gnielinsk flujo turbulento tubos lisos

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Correlacin de Sieder-Tate flujo turbulento tubos lisos

Correlacin de Sieder-Tate flujo Laminar tubos lisos

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Correlacin Analoga de Reynolds

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Correlacin Petukhov para flujo turbulentoTubera no lisas

Conveccin

Ejercicio: se calienta aire a 1atm y 20 Cmientras circula por un tubo de 2,54 cm dedimetro interior y 1 m de longitud a 10 m/s.Determine el calor transferido del tubo si semantiene en la pared una condicin de flujo decalor constante, siendo la temperatura del lapared 200 C. Cunto aumenta lapared 200 C. Cunto aumenta latemperatura promedio 1/3 m de longitud deltubo?

Conveccin

Ejercicio: en un tubo de 2,54cm de dimetrointerior entra agua a 60C a 2 cm/s. Determinela temperatura de salida del agua si el tubotiene 3 m de longitud y la temperatura de lapared permanece constante a 80C.pared permanece constante a 80C.

Conveccin

Ejercicio: en un tubo de 2,cm de dimetrointerior cuya rugosidad relativa es 0,001, semantiene a Tp = 90 C constante. En el tuboentra agua a 40 C y sale 60 C. Si lavelocidad a la entrada es de 3 m/s, determinela longitud del tubo necesaria para conseguirla longitud del tubo necesaria para conseguirel calentamiento.