TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN
La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos.
Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido.
La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico (convección mecánica o asistida).
La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:
Tipos de Convección
En el estudio de la convección se suele diferenciar entre convección forzada y convección libre. La convección libre consiste en la transferencia de calor cuando el fluido suficientemente lejos del sólido está parado y la convección forzada se produce cuando el fluido se mueve lejos del sólido. Por ejemplo, el radiador de un coche tiene un ventilador que mueve el aire y favorece el enfriamiento del agua que contiene (convección forzada); en cambio, una estufa, un brasero o un radiador de calefacción calienta el aire que le rodea pero el aire "no se mueve" (convección libre).
Ley de enfriamiento de Newton.
La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:
Donde h es el coeficiente de convección (ó coeficiente de película), As es el área del cuerpo en contacto con el fluido, Ts es la temperatura en la superficie del cuerpo y Tinf es la temperatura del fluido lejos del cuerpo.
La transferencia de calor por convección depende de las propiedades del fluido, de la superficie en contacto con el fluido y del tipo de flujo. Entre las propiedades del fluido se encuentran: la viscosidad dinámica, la conductividad térmica, la densidad. También se podría considerar que depende de la viscosidad cinemática. Entre las propiedades de la superficie que intervienen en la convección están la geometría y la aspereza. El tipo de flujo, laminar o turbulento, también influye en la velocidad de transferencia de calor por convección.
NÚMEROS ADIMENSIONALES
En el análisis de la convección es práctica común quitar las dimensiones a las expresiones físico-matemáticas que modelan el mecanismo y agrupar las variables, dando lugar a los números adimensionales. En convección se emplean los siguientes números adimensionales:
A) Número de NUSSELT (Nu).- Representa la relación que existe entre el calor transferido por convección a través del fluido y el que se transferiría si sólo existiese conducción.
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 Nusselt se emplea tanto en convección forzada como natural
B) Número de PRANDTL (Pr) .- Representa la relación que existe entre la difusividad molecular de la cantidad de movimiento y la difusividad molecular del calor o entre el espesor de la capa límite de velocidad y la capa límite térmica:
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 número de Prandtl se emplea tanto en convección forzada como natural.
C) Número de REYNOLDS (Re).- Representa la relación que existe entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas que actúan sobre un elemento de volumen de un fluido. Es un indicativo del tipo de flujo del fluido, laminar o turbulento.
Un valor grande del número de Reynolds indica régimen turbulento.
Un valor pequeño del número de Reynolds indica régimen laminar.
El número de Reynolds sólo se utiliza en convección forzada.
D) 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.
El número de Grashof sólo se utiliza en convección natural.
E ) 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 Rayleigh sólo se utiliza en convención natural .
La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos.
Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido.
La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico (convección mecánica o asistida).
La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:
Tipos de Convección
En el estudio de la convección se suele diferenciar entre convección forzada y convección libre. La convección libre consiste en la transferencia de calor cuando el fluido suficientemente lejos del sólido está parado y la convección forzada se produce cuando el fluido se mueve lejos del sólido. Por ejemplo, el radiador de un coche tiene un ventilador que mueve el aire y favorece el enfriamiento del agua que contiene (convección forzada); en cambio, una estufa, un brasero o un radiador de calefacción calienta el aire que le rodea pero el aire "no se mueve" (convección libre).
Ley de enfriamiento de Newton.
La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:
Donde h es el coeficiente de convección (ó coeficiente de película), As es el área del cuerpo en contacto con el fluido, Ts es la temperatura en la superficie del cuerpo y Tinf es la temperatura del fluido lejos del cuerpo.
La transferencia de calor por convección depende de las propiedades del fluido, de la superficie en contacto con el fluido y del tipo de flujo. Entre las propiedades del fluido se encuentran: la viscosidad dinámica, la conductividad térmica, la densidad. También se podría considerar que depende de la viscosidad cinemática. Entre las propiedades de la superficie que intervienen en la convección están la geometría y la aspereza. El tipo de flujo, laminar o turbulento, también influye en la velocidad de transferencia de calor por convección.
NÚMEROS ADIMENSIONALES
En el análisis de la convección es práctica común quitar las dimensiones a las expresiones físico-matemáticas que modelan el mecanismo y agrupar las variables, dando lugar a los números adimensionales. En convección se emplean los siguientes números adimensionales:
A) Número de NUSSELT (Nu).- Representa la relación que existe entre el calor transferido por convección a través del fluido y el que se transferiría si sólo existiese conducción.
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 Nusselt se emplea tanto en convección forzada como natural
B) Número de PRANDTL (Pr) .- Representa la relación que existe entre la difusividad molecular de la cantidad de movimiento y la difusividad molecular del calor o entre el espesor de la capa límite de velocidad y la capa límite térmica:
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 número de Prandtl se emplea tanto en convección forzada como natural.
C) Número de REYNOLDS (Re).- Representa la relación que existe entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas que actúan sobre un elemento de volumen de un fluido. Es un indicativo del tipo de flujo del fluido, laminar o turbulento.
Un valor grande del número de Reynolds indica régimen turbulento.
Un valor pequeño del número de Reynolds indica régimen laminar.
El número de Reynolds sólo se utiliza en convección forzada.
D) 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.
El número de Grashof sólo se utiliza en convección natural.
E ) 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 Rayleigh sólo se utiliza en convención natural .
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