Transferencia de calor por convección, presentación de Física

Introducción a la Convección

Convección no es un mecanismo puro Es consecuencia de dos efectos simultáneos Transferencia de calor a nivel molecular entre las moléculas a # Tª + Desplazamiento y mezcla de grupos de moléculas en el seno del fluido conducción radiaciónPlaca caliente Transferencia de da Phơi frí

FIGURA 6-2 Transferencia de calor a través de un fluido comprimido entre dos placas paralelas. Fluido estático-> transferencia de calor por conducción Fluido en movimiento-> transferencia de calor por convección

Clasificación de la Convección

Clasificación según la causa del movimiento del fluido

• FORZADA: El movimiento del fluido está producido por un elemento impulsor externo. Ejemplos:
  • Bomba
  • Ventilador
  • Movimiento de un objeto (ala de avión).
• LIBRE (NATURAL): El movimiento del fluido es provocado por la diferencia de densidades asociada a la variación espacial de la temperatura en presencia de un campo gravitacional. Ejemplos:
  • Aire alrededor de los radiadores.
  • Calentamiento de agua en un cazo.

Clasificación según la configuración del flujo

.FLUJO EXTERNO : EL FLUJO ES EXTERNO AL OBJETO: "NO ESTA CONFINADO" U 8 Uo : velocidad del flujo sin perturbar. T .: temperatura del flujo sin perturbar. - -D 6 1 Preferred flow lanes 6 C (a) U 8 D -D (b) Figure 7.12 Flow conditions for (a) aligned and (b) staggered ubes.

Flujo Interno y Desarrollo de la Capa Límite Térmica

· FLUJO INTERNO: LA SUPERFICIE RODEA Y GUÍA EL FLUJO "EL FLUJO ESTÁ CONFINADO" Surface condition Ts > T (r, 0) q's y = no-r & To r 5 1 T(r, 0) T(r, 0) T T(r, O) T T(r, 0) T(r) Thermal entrance region Fully developed region Xfd. t Desarrollo de la capa límite térmica en un tubo circular calentado

Ley de Enfriamiento de Newton

El flujo de calor transmitido por convección entre una superficie y un fluido que esté en contacto con ella, en dirección normal a la misma, para pequeñas diferencias de temperatura, es proporcional a dicha diferencia de temperatura. 2Cx oc A . dT · Coeficiente de Superficie de convección 7 intercambio Qcx =- h A(T -T ) = h . A .AT Temperatura superficial L Temperatura del fluido libre T fluido libre Capa límite AT T superficial

Condición de No Deslizamiento

Plica FIGURA 6-4 Un fluido fluy compl · Un fluido en contacto directo con un solido se adhiere debido a los esfuerzos viscosos y no se desliza Ven la superficie del solido =0 m/s ·La condición de no deslizamiento es la responsable de la aparición del perfil de velocidades · capa de fluido con v=0 m/s-> transferencia por conducción

Coeficiente de Convección

Es la cantidad de calor que se transmite por unidad de superficie y tiempo entre una pared sólida y un fluido en contacto con ella, cuando la diferencia de temperaturas entre ambos es de 1ºC · Q TS -Tf = A 1 c R = C 1 h c · QCx Cx = Ts -Tf A R C · Qcx CX h = A.(T-Tf)

Valores Típicos del Coeficiente de Convección

h (W·m-2.K-1) Convección libre en aire Convección libre en agua Convección forzada en aire Convección forzada en agua Agua hirviendo Vapor condensando

• 25
• 1000
• 500
• 15000
• 25000
• 100000

Cálculo del Coeficiente de Convección (hc)

O El valor de hc es difícil de determinar, depende de: las propiedades del fluido p-> densidad del fluido n> viscosidad dinámica del fluido k> conductividad térmica Cp-> calor específico a P cte A que experimenta la unidad de volumen > 1 1ºC su Ta ß > coeficiente de dilatación cúbica las condiciones de la circulación V=velocidad de circulación D=diametro interno de la conducción AT->diferencia de temperaturas g> aceleración de la gravedad

Análisis Dimensional

[ Cuando aplicarlo En fenómenos físicos cuya explicación requiere de un gran número de variables f(X1,X2,X3, .. Xn) =0 O Como Agrupando las variables en monomios Adimensionales Independientes TT1=f1(X1,X2, ... Xh); TT2=f2(Xi, ... Xk); TT3=f3(x), ... Xn) [ El fenómeno se simplificaría en la nueva función F(TT1, IT2,IT3) =0

Número de Nusselt

0 Fluido inmóvil · Q = k· (T2 -T1) L A Fluido en movimiento FIGURA 6-6 Tran r a través de una capa de fl de espesor L y diferencia de temperatura AT. · Qx = h (T2-T) A Nusselt es la relación entre la densidad de flujo en convección frente a la conducción de fluido AT- T2-T,

Relación del Número de Nusselt con la Transferencia de Calor

AT- T2-T, FIGURA 6-6 Transferenc de calor a través de una capa de fluido de espesor L y diferencia de temperatura AT. h .L N NU = k Como mejora la transferencia de calor cuando el fluido está en movimiento Nu=1>conducción pura Nuî-> como mejora la transferencia de calor por convección en relación a sólo conducción en un fluido

https://youtu.be/19SfvKqLPWA

Capa Límite Fluido-Dinámica

×4 OO convección Z. Turbulenta fluido Z. Transición Z. Laminar 9 Conducción Vz Placa plana > TA Capa límite fluido- dinámica-> zona del fluido en la que su velocidad varía con la distancia al sólido-> efectos viscosos El espesor de la capa límite se puede definir como aquella distancia a la que v = 0.99.v. 00

Viscosidad

Fuerza de fricción por unidad de superficie-> esfuerzo cortante (t)-> es proporcional al gradiente de velocidad a lo largo del espesor del fluido > la cte de proporcionalidad es la viscosidad dinámica n (Pa·s). Viscosidad cinemática v=n/p (m2/s)

Capa Límite Térmica

x Capa límite fluido-dinámica X Capa límite térmica V 00 TB Z. Turbulenta 4 Z. Transición Z. Laminar 9 TA Gradiente de velocidades VZ Z T Gradiente de Tª zona del fluido en la que su Ta varía con la distancia al sólido TA-TR = 0.99.(TA-TR) En general el fenómeno predominante es la convección

Influencia de la Capa Límite en la Transferencia de Calor

Qcx = h. A(Ts -T) O La forma del perfil de temperatura en la capa límite térmica define la transferencia de calor por convección La capa límite térmica y fluido dinámica se desarrollan a la vez La velocidad del fluido tienen una gran influencia en el perfil de temperaturas El desarrollo de la capa límite fluido dinámica en relación con la térmica tienen un efecto determinante sobre la transferencia de calor por convección

Número de Prandtl

0 Mejor método de describir el espesor de la capa límite fluidodinámica frente a la térmica Difusividad molecular de la cantidad de movimiento/difusividad molecular de la cantidad de calor V= - n ρ Cpn p k = P.C p PR α k .Pr=1 cantidad de movimiento y calor se difunden en el fluido a la misma velocidad > gases ·Pr=0,01 >metales líquidos-> el calor se difunde muy rápidamente ·Pr=100000 > aceites pesados-> el calor se difunde muy lentamente en relación con la cantidad de movimiento · Capa límite térmica metales>>capa límite térmica en aceites en relación con la capa límite fluidodinámica

Flujo Laminar y Turbulento

Flujo laminar > líneas suaves de corriente y un movimiento altamente ordenado 0 Flujo turbulento fluctuaciones en la velocidad y un movimiento altamente desordenado LaMinaR TURBULEntOEn ingeniería la mayor parte de los flujos son turbulentos E Importante > entender como la turbulencia afecta al esfuerzo cortante (cantidad de movimiento) y a la transferencia de calor Una de las herramientas es el número de Reynolds Zona de Flujo Turbulento Zona de Flujo Laminar

Número de Reynolds

N inercia RE F = F vis cosas v.Le _p.Lev = ν η Placa plana -> Lc=es la distancia desde el borde de ataque Tubería -> Lc es el diámetro Ref -> Finercia > > Fviscosas" turbulento Rev -> Finercia < < Fviscosas -> fluido se frena y mantiene alineado -> laminar

Cálculo de hc en Convección Forzada y Flujo Interno

Ecuaciones Generales para el Cálculo de hc

La forma general de todas las ecuaciones incluye los números adimensionales de: nº de Reynolds N RE = p.D.v η Fuerza de inercia/fuerzas viscosas Caracterizar el tipo de flujo nº de Prandtl Cpn N Pp = PR p k Difusividad molecular de la cantidad de movimiento/difusividad molecular de la cantidad de calor nº de Nusselt NNUL = NU h .D c k Representa como mejora la transf. de calor a través de una capa de fluido como resultado de la convección en relación con la conducción

Condiciones de Partida para el Cálculo

Velocidad promedio Vpromd U. Longitud de entrada Perfil de velocidad completamente desarrollado Temperatura promedio [ Temperatura superficial cte Capa límite térmica Tpromd T; Perfil de temperaturas Ts Ts + X Región de entrada térmica Región completamente desarrollada térmicamente

Método de Cálculo del Coeficiente de Convección

Primero > N RE = p.D.v η [ Segundo > N PR = PR Cpn p k [ Tercero -> N wU = f(NRE, N PR ) O Cuarto > h = NNIT.k NU D

Flujo en Tuberías en Régimen Laminar y Convección Forzada

Condiciones: Todas las propiedades del fluido se elaboran a la Tª media del fluido, excepto NRE<2100 (NRE . NPR . D/L) < 100 0.065(NRE NI .D ) n Tf NNTI =3.66+ 1+0.04(NRF NP PR .D/1)º L 0.66 · 0Ts Ec. Edwards NRE<2100 (NRE . NPR . D/L) > 100 0.14 NNTI =1.86.(NR RE ·N. PR D · L 0.33 ) · nTf nTs Ec. Sieder y Tate 0.14 PR

Problema de Cálculo de Coeficiente de Convección

Un caudal másico de 0.02 kg/s de agua impulsado por una bomba, se calienta por el interior de una tubería desde 20 a 60 ºC ( D=2.5cm). La superficie interior de la tubería se mantiene a 90ºC. Calcular el coeficiente de convección si la tubería tiene 1 m de longitud. Solución 284W/m2.0℃

Tabla de Propiedades Físicas del Agua

TABLA A.4.1 Propiedades físicas del agua a la presión de saturación. Coeficiente de Temperatura Densidad expansión térmica volumétrica Calor específico Cp Conductividad térmica k Difusividad térmica Viscosidad absoluta Viscosidad cinemática v Número de Prandtl Pr (℃) (kg/m3) (×10-4K-1) (kJ/kg . K) (W/m . K) (×10-6 m2/s) (×10-6 Pa . s) (×10-6 m2/s) 0) 273.15 999.9 -0.7 4.226 0.558 0.131 1793.636 1.789 13.7 5 278.15 1000.0 4.206 0.568 0.135 1534.741 1.535 11.4 10 283.15 999.7 0.95 4.195 0.577 0.137 1296.439 1.300 9.5 15 288.15 999.1 4.187 0.587 0.141 1135.610 1.146 8.1 20 293.15 998.2 2.1 4.182 0.597 0.143 993.414 1.006 7.0 25 298.15 997.1 4.178 0.606 0.146 880.637 0.884 6.1 30 303.15 995.7 3.0 4.176 0.615 0.149 792.377 0.805 5.4 35 308.15 994.1 4.175 0.624 0.150 719.808 0.725 4.8 40 313.15_ 992.2 4.175 0-633. -1.151 -658-026- -0-658- 45 318.15 990.2 4.176 0.640 0.155 605.070 0.611 3.9 50 323.15 988.1 4.6 4.178 0.647 0.157 555.056 0.556 3.55 55 328.15 985.7 4.179 0.652 0.158 509.946 0.517 3.27 60 333.15 983.2 5.3 4.181 0.658 0.159 471.650 0.478 3.00 65 338.15 980.6 4.184 0.663 0.161 435.415 0.444 2.76 70 343.15 977.8 5.8 4.187 0.668 0.163 404.034 0.415 2.55 75 348.15 974.9 4.190 0.671 0.164 376.575 0.366 2.23 80 353.15 971.8 6.3 4.194 0.673 0.165 352.059 0.364 2.25 85 358.15 968.7 4.198 0.676 0.166 328.523 0.339 2.04 90 363.15 965.3 7.0 4.202 0.678 0.167 308.909 0.326 1.95 95 368.15 961.9 4.206 0.680 0.168 292.238 0.310 1.84 100 373.15 958.4 7.5 4.211 0.682 0.169 277.528 0.294 1.75 110 383.15 951.0 8.0 4.224 0.684 0.170 254.973 0.268 1.57 120 393.15 943.5 8.5 4.232 0.685 0.171 235.360 0.244 1.43 130 403.15 934.8 9.1 4.250 0.686 0.172 211.824 0.226 1.32 140 413.15 926.3 9.7 4.257 0.684 0.172 201.036 0.212 1.23 150 423.15 916.9 10.3 4.270 0.684 0.173 185.346 0.201 1.17 160 433.15 907.6 10.8 4.285 0.680 0.173 171.616 0.191 1.10 170 443.15 897.3 11.5 4.396 0.679 0.172 162.290 0.181 1.05 180 453.15 886.6 12.1 4.396 0.673 0.172 152.003 0.173 1.01 190 463.15 876.0 12.8 4.480 0.670 0.171 145.138 0.166 0.97 200 473.15 862.8 13.5 4.501 0.665 0.170 139.254 0.160 0.95 210 483.15 852.8 14.3 4.560 0.655 0.168 131.409 0.154 0.92 220 493.15 837.0 15.2 4.605 0.652 0.167 124.544 0.149 0.90 230 503.15 827.3 16.2 4.690 0.637 0.164 119.641 0.145 0.88 240 513.15' 809.0 17.2 4.731 0.634 0.162 113.757 0.141 0.86 250 523.15 799.2 18.6 4.857 0.618 0.160 109.834 0.137 0.86 t T (K) p