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-
Transferencia de calor
por Conveccin
Eliana Jara Morante
Abril 16 de 2015
18 - 22 horas
-
Contenido
Transferencia de calor por conveccin
Ecuacin de Newton para el enfriamiento
Ecuacin general de transferencia de calor
por conveccin
Coeficiente global de transferencia
2
-
Conveccin
Transferencia de calor a travs de la interaccin trmica entre una superficie
y un fluido en movimiento.
Fluido adyacente a un cuerpo slido
Fluido dentro de dos placas paralelas
Conveccin incluye el estudio de la interaccin termal entre dos fluidos
El jet propulsando el fluido en otro fluido
3
-
Conveccin
En conveccin es importante determinar:
La velocidad de transferencia de calor de la superficie
La temperatura de la superficie
La distribucin de temperatura en el fluido en movimiento
en coordenadas cartesianas
El coeficiente de transferencia de conveccin
4
-
Conveccin
Ley de enfriamiento de Newton
El flujo de transferencia de calor por conveccin es
directamente proporcional a la diferencia de temperatura de la
superficie y la temperatura del fluido en movimiento.
5
donde
q: flujo de calor de la superficie
Ts: temperatura de la superficie
T: temperatura del fluido lejos de la
superficie
h: coeficiente de transferencia de
calor convectivo
A: rea de transferencia
TThAQ
TThq
TTq
s
s
s
-
Conveccin
Dos clasificaciones importantes.
Conveccin forzada
Movimiento del fluido generado mecnicamente mediante un ventilador, blower, boquilla, jet, etc.
El movimiento del fluido se puede producir por el desplazamiento de un misil a travs del mismo
Conveccin natural
Se requiere un cambio de densidad debido a la variacin de temperatura
El movimiento del fluido se genera por un campo gravitacional, aunque no es suficiente
6
-
Conveccin Natural
Despreciando radiacin, la energa se disipa por conveccin de la superficie
al medio ambiente
7
El flujo es
generado solo por
la diferencia de
temperatura entre
la superficie y el
fluido
Ts
T
qs
-
Conveccin Forzada
Si se quiere aumentar el gradiente de temperatura se puede:
8
Ts
T
qs
Fluido en movimiento con
propiedades caractersticas
Superficie
El flujo es
generado por la
distribucin de
temperatura y por
el movimiento del
fluido
-
Conveccin
Clasificacin del fluido
Turbulento
Caracterizado por fluctuaciones aleatorias de la velocidad, temperatura,
presin y densidad.
Laminar
Movimiento sin fluctuaciones
La transicin entre ambos regmenes ocurre a un determinado
nmero de Reynolds
9
-
Conveccin
Perfil de velocidades
Perfil de temperatura
10
Laminar Transicin Turbulento
-
Capa lmite de velocidad
Desarrollo de velocidad a una distancia lejana de la pared donde el
fluido fluye libremente (u)
La distancia comprendida entre la pared y la zona donde el fluido
alcanza la velocidad libre se denomina capa lmite de velocidad
11
u
Capa lmite de velocidad
< 0.99
La velocidad depende
de: u(x,y)
x
y
-
Conveccin
Reynolds
Capa lmite laminar:
12
Flujo a lo largo de la
superficie
Laminar Rex 5105
Transicin 5105 Rex 106
Turbulento Rex 106
xx Re
2.5
-
Capa lmite y hidrodinmica y Re
13
-
Problema 1
Aire a 27C fluye a travs de una dispositivo electrnico a una velocidad de
2.6 m/s. La longitud y el ancho de dispositivo es 2.134 cm y 0.787 cm,
respectivamente. La temperatura de la superficie del dispositivo es de 45C.
Halle el nmero de Re y el espesor de la capa lmite. Considerando que.
El aire fluye en forma paralela a la lnea
El aire fluye en forma perpendicular a la lnea
Asuma que el flujo cercano al dispositivo es laminar.
Qu direccin de flujo es adecuada para conseguir mayor enfriamiento?
14
-
Capa lmite trmica
Regin cercana a la superficie en la cual existe un gradiente de
temperatura (Ts y T)
En una distancia comprendida entre la pared y la zona donde se
alcanza la temperatura uniforme del fluido
15
T
Capa lmite trmica t
< 0.99
x
y
-
Problema 2
Agua a 40C fluye a travs de una superficie plana cuya superficie est a
una temperatura constante de 115C. Si el gradiente de temperatura en la
superficie para un valor dado de x es 30C/mm.
Cul es el coeficiente de transferencia convectivo local y el flujo de calor?.
DATO
kf= 0.668 W/m-K
16
-
Coeficiente de transferencia de
conveccin (h)
El coeficiente de transferencia de conveccin queda definido por la ley de enfriamiento de Newton
A diferencia del coeficiente de transferencia de calor por conduccin, el coeficiente convectivo no es una propiedad del material
Depende de:
La geometra del sistema
Propiedades del fluido
Movimiento
Gradiente de temperatura
h= f(L, A, , g, , , Cp, k, Ts, T)
17
T
spropiedade
fluidodelmovimiento
geometra
fh,
,
,
-
Coeficiente de conveccin
La determinacin experimental del coeficiente de conveccin
se hace midiendo el flujo de calor y las temperaturas del
fluido y de la superficie.
La determinacin analtica de h requiere el conocimiento de
la distribucin de temperatura en el fluido en
movimiento.
Esto se hace evidente cuando se combina ley de Fourier y la
ley de enfriamiento de Newton
18
-
Coeficiente de transferencia de calor por
conveccin
Dependencia de h con parmetros de transferencia
En forma adimensional se obtiene el nmero de Nusselt
19
-
Coeficiente de transferencia por
conveccin
Nmero de Nusselt
Nmero de Reynolds
Nmero de Prandl
Nmero de Grashof
20
-
Coeficiente de conveccin
21
Proceso h (W/m2-C)
Conveccin Libre
Gases
Lquidos
5 - 30
20 1000
Conveccin forzada
Gases
Lquidos
Metales lquidos
20 - 300
50 - 20 000
5 000 - 50 000
Cambio de fase
Evaporacin
Condensacin
2 000 - 100 000
5 000 - 100 000
-
Nmero de Nusselt
Conveccin natural
Conveccin forzada
Flujo turbulento en una tubera
22
escoeficient sonnm,C, :donde
CNuw
bnm
14.0
PrRe
-
Problema 3
El flujo de transferencia de calor por unidad de rea de
una placa metlica es 1000 W/m2. La temperatura de la
superficie es de 20C.
Estime el valor del coeficiente de transferencia por
conveccin.
23
-
Problema 4
Agua fluye a un flujo msico de 0.02 kg/s en una tubera horizontal. El agua se
calienta de 20C a 60C, la temperatura de la superficie interna es de 90C.
Estime el coeficiente de transferencia de calor por conveccin en la tubera se
tiene una longitud de 1 m.
DATOS
Dinterno= 2.5 cm
agua= 658.02610-6 Pas
agua= 992.2 kg/m3
Cpagua= 4.175 kJ/kg-C24
-
Problema 5
Si la velocidad de un fluido se aumenta en 100%
manteniendo las condiciones de temperatura y los
parmetros iniciales.
En cunto aumentar el coeficiente de
transferencia de calor por conveccin
25
-
Conveccin forzada
Flujo laminar en tuberas: Re 2 100
Para un fluido completamente desarrollado
Flujo en transicin en tuberas: Re: 2 100-10 000
26
-
Conveccin forzada
Flujo turbulento: Re >> 10 000
Para un temperatura constante en la superficie y condiciones de flujo de
calor uniforme
Fluido con objetos sumergidos
27
-
Coeficiente de conveccin
En conveccin natural
el coeficiente de transferencia convectivo se relaciona
mediante el nmero de Rayleigh (producto del nmero de
Grashof y Pr).
28
TLg
TLk
gCRa
p 33
2
-
Conveccin natural
29
Perfil de velocidad y temperatura en una pared vertical
-
Problema 6
Una pared de 3 m de alto se calienta por un flujo de calor de
100 W/m2 (originado por los rayos del sol). La temperatura
del ambiente es de 0C.
Determine la temperatura de la pared
Propiedades del aire
k= 0.0245 W/m-K
= 1410-6 m2/s
Pr= 0.711
30
-
Problema 7
Una pared de 2.8 m de altura se encuentra en un ambiente a
22C y 0C, lados interno y externo respectivamente. El
coeficiente de transferencia de calor de la pared es de 0.3
W/m2-K.
Determine la temperatura de ambos lados de la pared
Propiedades del aire
k= 0.0257 W/m-K (interno) 0.0243 (externo)
= 15.1110-6 m2/s 13.3010-6 m2/s
Pr= 0.713 0.71131
-
Coeficiente de transferencia global
Conveccin-conduccin:
32
T2
T1
T(x)
Q(x)
Q(x)
x
y
Fuente
Sumidero
Th,
Tc,
-
Coeficiente de transferencia global
Conveccin en el lado caliente:
Conduccin a travs de la slido
Conveccin en el lado frio:
33
-
Coeficiente de transferencia global
Definidos en funcin a las reas en contacto
rea exterior
rea interior
34
-
hc,
Pared plana: Perfil de temperaturas
35
K1
qx
T1
T2
K2
T2T3
hh,
111
222
1
,
1
,
Th,
Tc,
-
Conduccin en cilindros
Superficies concntricas
36
R3
R1
R2
T3
T2
T1
Th,
Tc,
1 2 3 4
-
Problema 8
La figura muestra la vista de la seccin de una chimenea. A la
izquierda los gases de exhausin producto de la combustin salen a
lo largo de la chimenea a una temperatura de 1000 K. La chimenea
est construda de ladrillo y la temperatura ambiente es de 10C.
a) Realice el circuito de resistencia
b) Hallar las resistencias
c) Halle el flujo de calor por unidad de rea a travs de la pared desde los gases
de combustin al medio ambiente
d) Determine la temperatura interna y externa de la pared
37
-
Problema 8
Vista de la chimenea
38
qx qx
Th,= 1000 K Tc,= 10C
Datos:
kladrillo=0.38-0.52
haire= 5-25 W/m2-
K
L= 10 cm
-
Problema 9
Una contenedor contiene una mezcla de hielo y agua a 32F, la temperatura se mantiene
constante durante la fusin del hielo. Las paredes de la caja estn hechas de tres materiales
dispuestos en serie. La pared externa est hecha de una hoja de metal 0.040 pulg. de
espesor, y acero al carbono (IC). El material que aisla la pared es styrofoam de pulg. (k =
0.02 BTU/hr.ft."R).
En la parte interna se tiene fibra de vidrio (k = 0.09 BTU/hr.ft."R) de pulg de espesor.
En el exterior de la caja el aire est a 90F, el coeficiente de conveccin entre el aire y la
pared vertical de acero es 0.79 BTU/(hr.ft2-R). Dentro, el coeficiente de conveccin entre el
hielo y la fibra de vidrio es 150 BTU/(hr-ft2-R).
Determine el flujo de calor transferido a travs de la pared de la caja por unidad de pie
cuadrado.
Determine el coeficiente global de transferencia U.
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-
Radio crtico de aislamiento
En la industria, aislar la tubera es una prctica comn para
retardar la prdida de calor.
En algunos casos el agregar un aislante aumenta la prdida
de calor
Es importante calcular el radio o espesor adecuado de modo
que la prdida de calor sea mnima.
40
-
Problema 10
Considere una tubera de dimetro nominal (OD= 3.340 cm)
cubierto con un aislante kapok (k= 0.035 W/m-K). Asuma que la
temperatura del lado exterior de la tubera es de 200C y que el
aislante cubriendo la tubera transfiere calor al ambiente a 20C,
con un hc= 1.7 W/m2-K.
No se ha determinado el espesor del aislante pero haremos que
vare de 0 a 2.5 cm.
41
-
Problema 10
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
Calo
r [W
/m]
Espesor [cm]
Calor
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Resumen
Se explic la transferencia de calor y el mecanismo de conveccin, como principal modo de
transferencia de calor entre slidos y fluidos en movimiento
Se defini la ley de enfriamiento de Newton para hallar el flujo de calor por conveccin o
como medio para hallar el coeficiente convectivo.
Se reconoce dos modos de transferencia por conveccin:
Conveccin forzada
Conveccin natural
Se determin el coeficiente global de transferencia de calor para analizar los mecanismos
de transferencia de calor combinados: conveccin y conduccin.
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