Transferecia de Calor por Convección, Monografías, Ensayos de Calor y Transferencia de Masa

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Facultad de Ciencias Exactas Químicas y Naturales

Universidad Nacional de Misiones

Cátedra: Fundamentos de Transferencia de Calor

Área: Convección

Ing. Sandra Hase

TEMA 5 :

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN I

Ecuaciones básicas:

de continuidad

Grupos adimensionales

Ecuaciones para la capa límite

de cantidad de movimiento

de energía

Ley de Newton del enfriamiento

q h A T

c c

Donde:

qc : velocidad de transferencia de calor por convección

 T: T

S

–T

ref

: (T

ref :

es la temperatura en algun lugar específico, por

lo general lejos de la superficie. Por ejemplo: T ref

: Temperatura de

corriente libre en el caso de un fluido externo que fluye sobre una

superficie; o bien: temperatura media global en el caso de un fluido

que fluye en el interior de un ducto)

A : área de transferencia de calor

h

c

: Coeficiente de transferencia de calor promedio sobre el área A.

La evaluación de este coeficiente de transferencia de calor por convección (h)

es difícil porque la convección es un fenómeno complejo.

Es una función complicada de

• Flujo de fluidos
• Propiedades térmicas del medio fluido
• Geometría del sistema

Su valor no es uniforme sobre una superficie y depende del lugar donde

se mide la temperatura del fluido de referencia.

Ley de Fourier

Con k : la conductividad térmica y el gradiente de temperatura sobre la pared.

x

T





¿Por qué si en esta capa el calor fluye por conducción, hablamos de transferencia

de calor por convección y necesitamos considerar la velocidad del fluido?

Porque el gradiente de temperatura depende de la rapidez a la que el fluido

conduce el calor; una velocidad alta produce un gradiente de temperatura más

grande y así sucesivamente.

El gradiente de temperatura sobre la pared depende del campo de flujo y se deben

desarrollar las dos cantidades en forma simultánea.

Explicación del mecanismo por dos procesos superimpuestos

El modo de transferencia de calor por convección consiste realmente en dos

mecanismos que operan simultáneamente.

• El primero es la transferencia de energía debido al movimiento molecular, esto es, el

modo conductivo.

• El segundo actúa superimpuesto al primero y es la transferencia de energía por el

movimiento macroscópico de fracciones de fluido. Modo convectivo

Así, si la temperatura de la frontera sólida es mayor que la del fluido, el calor fluye

primero por conducción desde el sólido a las partículas del fluido en la vecindad de la

pared. La energía transmitida incrementa la energía interna del fluido y el movimiento

del fluido la lleva consigo. Cuando las partículas calientes de fluido alcanzan una región

de menor temperatura, el calor se transfiere otra vez por conducción desde el fluido más

caliente al más frío.

Turbulento

bidimensional

Laminar

bidimensional

Así, si conocemos el gradiente de temperatura en el líquido y la k del líquido en esta

interfase, podemos calcular la velocidad de y transferencia de calor por la ecuación de

Fourier:

 





 





















  A T T

y

T

q k A

S

y

c fluido



0

De donde :

 





T T

y

T

k

S

y

fluido

0

 0





















y

y

T

es el gradiente de temperatura evaluado en la superficie ( o en la pared)

k

fluido

: es la conductividad térmica del fluido

El gradiente de temperatura en la interfase depende de la velocidad a la cual el

movimiento del fluido macro y microscópico llevan o arrastran el calor, lejos de la

superficie

O sea depende de la velocidad a la cual el fluido puede transportar energía en el flujo

principal, lejos de la superficie.

El gradiente de temperatura en la interfase placa-fluido depende de la naturaleza del

campo de fluido, particularmente de la velocidad de corriente libre ( u  )ya que las

velocidades más altas son capaces de producir gradientes de temperatura más grandes

y velocidades más altas de transferencia de calor

Asimismo la conductividad del fluido juega un rol importante: por ejemplo el valor

de la conductividad térmica del agua es de un orden de magnitud más grande que

la del aire, lo cual hace que hagua > haire.

El campo de temperatura en la

convección forzada y natural tiene

formas similares y en ambos casos

el mecanismo de transferencia de

calor en la interfase fluido-sólido es

por conducción.

Coeficiente de transferencia de calor por convección local y promedio

Cuando un fluido a T y velocidad u fluyen sobre una superficie de área A S

y forma

arbitraria, suponiendo que la temperatura de la superficie es uniforme T

S

y si T

S

es

diferente a T ocurrirá una transferencia de calor por convección.

El flujo de calor local es

 



q  h T  T

s

"

Sin embargo q” y h variarán a lo largo de la superficie, ya que las condiciones de flujo

variarán de un punto a otro

Así, la velocidad de transferencia de calor total, se obtiene integrando q” sobre toda la

superficie

     

  

      

  

Q q dA h T T dA T T h dA A T T

S S

A

S S S

A

S S

A S S S



"

Donde

es el coeficiente de transferencia de calor por convección promedio

