Convección natural (libre)

El movimiento del fluido adyacente a una cara sólida se origina debido a las fuerzas de flotación, inducidas por los cambios en la densidad del fluido y debido a las diferencias de temperatura entre el sólido y el fluido. Cuando se deja enfriar una placa caliente al aire libre, las partículas del aire adyacente a la cara de la placa se calientan, su densidad disminuye y, por lo tanto, empiezan a elevarse.

Convección forzada

Se utiliza un medio externo, tal como un ventilador o una bomba, para acelerar el paso del flujo del fluido sobre la cara del sólido. El movimiento rápido de las partículas de fluido sobre la cara del sólido maximiza el gradiente de temperatura y aumenta la tasa de intercambio de calor. En la imagen a continuación se fuerza aire sobre una placa caliente.

El coeficiente h no es una propiedad termodinámica. Es una correlación simplificada entre el estado del fluido y las condiciones de flujo, por lo cual generalmente se la conoce como una propiedad de flujo.

Donde u(x,y) es la velocidad de dirección x. A la región que va hasta la arista externa de la capa de fluido, definida como el 99% de la velocidad de la corriente libre, se denomina espesor de la capa de contorno del fluidod(x).

Se podría hacer un croquis similar de la transición de temperatura desde la temperatura de la superficie a la temperatura de los alrededores. En la siguiente figura se muestra un esquema de la variación de la temperatura. Observe que el espesor de la capa del contorno térmico no necesariamente es el mismo que el del fluido. Las propiedades del fluido que componen el Número de Prandtl origen la magnitud relativa de los dos tipos de capas del contorno. Un Número de Prandtl (Pr) de 1 implicaría el mismo comportamiento para ambas capas del contorno.

Valores típicos de la transferencia de calor por convección Proceso H ( !

!!℃)

Convección Natural Gases 2-25

Líquidos 50-1000 Convección Forzada

Gases 25-250 Líquidos 50-20000

Convección con cambio de fase 2500-100000

Medio Coeficiente de transferencia de calor h (W/m2.K)

Aire (convección natural) 5-25

Aire/vapor súper calentado (convección forzada)

20-300

Petróleo (convección forzada) 60-1800

Agua (convección forzada) 300-6000

Agua (en ebullición) 3000-60.000

Vapor (en condensación) 6000-120.000

Fórmulas:

No. De Nusselt

Mide el aumento de la transmisión de calor desde una superficie por la que un fluido discurre.

𝑁𝑢 =ℎ𝐿𝑐𝐾

𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎  𝑑𝑒  𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟  𝑝𝑜𝑟  𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑  𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎  

No. De Prandlt

Medida relativa de la efectividad relativa de momento y transporte de energía por difusión en las capas límites de velocidad y temperatura.

Pr =  𝜇𝐶𝑝𝐾

𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑  𝑐𝑖𝑛𝑒𝑚𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎𝑑𝑖𝑓𝑢𝑠𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑  𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎

No. De Reynolds

El paso del régimen laminar o turbulento. Relación entre fuerza inercia y fuerzas viscosas

𝑅𝑒 =𝜌𝑉𝐿𝜇

Convección Forzada

𝑁𝑢 = 𝐶𝑡𝑒  𝑅𝑒!𝑃𝑟!

Donde la constante y m son parámetro función de la geometría y rango de Re.

Fuentes:

http://help.solidworks.com/2011/spanish/SolidWorks/cworks/LegacyHelp/Simulation/AnalysisBackground/ThermalAnalysis/Convection_Topics/Convection_Heat_Coefficient.htm

http://www.unav.es/adi/UserFiles/File/80980099/Formulas1011.pdf