Convección: Principios Básicos

TRANSFERENCIA DE CALOR
Mecanismo de convección
Ley de enfriamiento de Newton-CONVECCIÓN
M. Sc. Edisson Paguatian

2
Cuando un fluido caliente se mueve en contacto con una superficie fría, el
calor se transfiere hacia la pared a un ritmo que depende de las
propiedades del fluido y si se mueve por convección natural, por flujo
laminar o por flujo turbulento.
Convección
Convección natural Flujo laminar Flujo turbulento
Convección forzada

3
CONVECCIÓN
• La convección es un fenómeno
de transporte (materia y
energía) que tiene su origen en
diferencias de densidad.
• Cuando un fluido se calienta, se
expande; en consecuencia su
densidad disminuye.
• Si una capa de material más fría
y más densa se encuentra
encima del material caliente,
entonces el material caliente
asciende a través del material
frío hasta la superficie.
• El material ascendente disipará
su energía en el entorno, se
enfriará y su densidad
aumentará, con lo cual se
hundirá reiniciando el proceso.http://www.sunblock99.org.uk/sb99/people/KGalsgaa/convect.html
http://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node76.html

4
http://orpheus.nascom.nasa.gov/~kucera/explore/lessons/convection.html

5
Ley de enfriamiento de Newton
ThATThAQ  )(
Temperatura superficial Temperatura del fluido libre
Coeficiente de
convección
Superficie de
intercambio
T superficial
T fluido libre
Capa límite T

6
h (Wm-2
K-1
)
Convección libre en aire 5-25
Convección libre en agua 500-1000
Convección forzada en aire 10-500
Convección forzada en agua 100-15000
Agua hirviendo 2500-25000
Vapor condensando 5000-100000
Valores típicos del coeficiente de convección

7
Distancia
Velocidad Velocidad
Distancia
Laminar Turbulento
Perfiles de velocidad

8
Superficie
Distribución de
temperaturas
Distancia
Temperatura
Capa límite
 fs
x
TTh
A
q


T superficie sT
T fluido libre
(región de temperatura
uniforme)
fT
Ley de Newton del
enfriamiento
Perfiles de temperaturas
 
h
TT
A
q fsx
/1



R
T


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Viscosidad: propiedad molecular que representa la resistencia del fluido a la
deformación
Dentro de un flujo, la viscosidad es la responsable de las fuerzas de
fricción entre capas adyacentes de fluido. Estas fuerzas se denominan
de esfuerzo cortante (“shearing stress”) y dependen del gradiente de
velocidades del fluido.
z
c
A
F


 
Viscosidad dinámica
Gradiente de
velocidad
(Pa · s=N·s/m2)
(1 Pa · s = 10 Poise)
z
c
c+dc
F
A

10


 Viscosidad cinemática (m2s-1)
Fluidos viscosos  fricción entre capas, disipación energía cinética como
calor 
 aportación de energía para mantener el flujo
Fluidos viscosos en régimen laminar  fricción entre capas, disipación
como calor 
 existen intercambios de energía entre capas
adyacentes de fluido

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Flujo laminar y flujo turbulento

 lclc 


Re
Número de Reynolds
Si Re < Re CRÍTICO  Régimen laminar
Si Re > Re CRÍTICO  Régimen turbulento
Valores típicos
Superficie plana: Re CRÍTICO  510-5
Conducto cilíndrico: Re CRÍTICO  2200

CONVECCIÓN
 Transporte del calor en cañerías puede
ser:
 Axial:
 Velocidad axial (transporte)
 Mezcla axial (movimiento de vórtices)
 Radial:
 Conducción radial
 Mezcla radial

CONVECCIÓN
 Tipos de movimientos
de fluido:
 Convección forzada.
 Convección libre.
 Sin movimiento
(conducción).

CONVECCIÓN
 Conceptos de capa límite hidráulica y capa
límite térmica.

CONVECCIÓN
.: hidráulicalímitecapaEspesor
.: térmicalímitecapaEspesorT
.: narlamisubcapaEspesor
En general:
  T

LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON
)(  TThq sConv
)(  TThAQ sSConv

Coeficiente de transferencia de calor
por convección
Resistencia térmica por convección
LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON
h
1
térmicaaresistenci
impulsorafuerza
h
T
q 


1
h

Teniendo en cuenta que Lc es la
Longitud característica
Para un tubo no circular: donde Dhid es
el diámetro hidraúlico = ( 4 Ac ) / p ;
Ac: área de la sección transversal del
tubo;
p: perímetro de la sección tranversal
Para un tubo circular, donde; D:
diametro interior del tubo

Cuanto mayor es el número de Nusselt más eficaz es la convección
Un número de Nusselt de Nu = 1, para una capa de fluido, representa
transferencia de calor a través de ésta por conducción pura.
El número de Prandtl va desde menos de 0.01 para los metales líquidos hasta más
de 100.000 para los aceites pesados. El Pr es del orden de 10 para el agua. Los
valores del número de Prandtl para los gases son de alrededor de 1, lo que indica
que tanto la cantidad de movimiento como de calor se difunden por el fluido a una
velocidad similar. El calor se difunde con mucha rapidez en los metales líquidos (
Pr << 1 ) y con mucha lentitud en los aceites ( Pr >> 1 ) en relación con la cantidad
de movimiento. Esto indica que la capa límite térmica es mucho más gruesa para
los metales líquidos y mucho más delgada para los aceites, en relación con la capa
límite de velocidad. Cuanto más gruesa sea la capa límite térmica con mayor
rapidez se difundirá el calor en el fluido.

Donde Uf es la velocidad del flujo del fluido a una distancia lo suficientemente alejada
de la superficie.
Lc = la longitud característica: para una placa plana
Lc = Diámetro ( D ). Para un tubo de sección circular
Lc = Diámetro hidraúlico ( Dhid ). Para un tubo de sección no circular

Donde:
g es la aceleración de la gravedad.
β es el coeficiente de expansión volumétrica de una sustancia; representa la
variación de la densidad de esa sustancia con la temperatura a presión
constante. Para un gas ideal b = 1 / T; T es la temperatura absoluta en K.
Lc es la longitud característica.
Para una placa vertical del longitud L , Lc = L.
Para un cilindro de diámetro D , Lc = D.
ᵥ es la viscosidad cinemática.
Número de GRASHOF ( Gr ) .- Representa la relación que existe entre las fuerzas
de empuje y las fuerzas viscosas que actúan sobre el fluido. Es un indicativo del
régimen de flujo en convección natural, equivalente al número de Reynolds en
convección forzada.

Número de RAYLEIGH ( Ra ) .- Es función del número de Grashof y del
número de Prandtl. Su valor es el número de Grashof multiplicado por el
número de Prandtl.
El Número de Eckert (Ec) Que expresa la relación entre la energía cinética
de un fluido y su entalpía. Su nombre es en honor del profesor Ernst R. G.
Eckert

CORRELACIONES
 Correlaciones con siete números
adimensionales todavía son difíciles de
manipular y trabajar, por lo tanto hay
que reducir su número.
 El número de Eckert se puede
despreciar, ya que influye en altas
velocidades.
 Si se utiliza una temperatura media de
fluido, se puede despreciar la razón de
temperaturas.

CORRELACIONES
3 2
2
( , , , , , )
p s
p
c ThL uL g L u
F S
k k T c T
  
   


kE
hL
k
uL

3
2
g L 


pc
k

2
p
u
c T
sT
T
LNu
ReL
LGr
Pr
Número de Nusselt ,
Eckert number ,
Número de Reynods,
Razón de temperatura
Número de Grashof,
Forma de la Superficie
Número de Prandtl,

CORRELACIONES
 La correlación para obtener el
coeficiente convectivo se reduce a:
 Convección forzada: en este caso la
variación de la densidad es
despreciable, por lo que el número de
Grashof se deprecia:
(Re ,Pr, , )L L LNu F Gr S
(Re ,Pr, )L LNu F S

CORRELACIONES
 Convección natural: en este caso no
hay movimiento del seno del fluido
provocado por agente externos, u=0, el
Re es nulo:
( ,Pr, )L LNu F Gr S

CORRELACIONES
 Es destacable, que siempre está
presente el Prandtl y la forma de la
superficie. El Prandtl, razón de las
difusividades de momento y térmica.
 Correlaciones empíricas:

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