fundamentos de la Convección

La conducción y la convección son semejantes pues requieren la presencia de un medio material, pero difieren en que la convección requiere la presencia del movimiento de fluidos.

La transferencia de calor  a través de un líquido o gas puede ser por conducción o convección, dependiendo de la presencia de algún movimiento masivo del fluido. La transferencia de calor a través de un fluido es por convección cuando se tiene un movimiento masivo de este último y por conducción cuando no existe dicho movimiento. Por lo tanto, la conducción en un fluido corresponde al caso de fluido en reposo.

La transferencia de calor por convección es complicada por el hecho de que comprende movimiento del fluido así como conducción del calor. El movimiento del fluido mejora la transferencia de calor, ya que pone en contacto porciones más calientes y más frías de ese fluido. Por lo tanto, la velocidad de la transferencia de calor a través de un fluido es mucho más alta por convección que por conducción.

La experiencia muestra que la transferencia de calor por convección depende con intensidad de las propiedades viscosidad dinámica m, conductividad térmica k, densidad r y calor específico cp del fluido, así como de la velocidad del fluido V. También depende de la configuración geométrica y aspereza de la superficie sólida, además del tipo de flujo del fluido (el que sea laminar o turbulento). Por lo tanto, se espera que las relaciones de la transferencia de calor por convección sean un tanto complejas debido a su dependencia de tantas variables.

La conducción se clasifica como convección natural y forzada, esto depende de la manera que se inicia el movimiento del fluido.

La convección forzada se obliga a que el fluido fluya sobre una superficie o en un tubo por medios externos, como una bomba o un ventilador. En los procesos industriales es muy común utilizar torres de enfriamiento, cuya finalidad es enfriar agua caliente por medio de intercambiador de calor y masa entre la corriente de agua y corriente de aire.

La convección natural, cualquier movimiento del fluido es causado por medios naturales, como el efecto flotación, el cual se mantiene como la subida del fluido caliente y caída del fluido frio.

Se observa que la razón de la transferencia de calor por este mecanismo es proporcional a la diferencia de temperatura y se expresa de manera conveniente por la ley de Newton de enfriamiento como:

También se puede expresar como

Donde

h = coeficiente de transferencia de calor por convección, W/m2 . °C

As = área superficial de transfere

ncia de calor, m2

Ts = temperatura de la superficie, °C

T∞= temperatura del fluido suficientemente lejos de la superficie, °C

El coeficiente de transferencia de calor por convección h  depende de varias de las variables mencionadas y, por consiguiente, es difícil de determinar.

Un fluido en contacto directo con un sólido “se adhiere” a la superficie debido a los efectos viscosos y no se desliza. Esto se conoce como la condición de no deslizamiento. La capa que se adhiere a la superficie desacelera la capa adyacente de fluido debido a las fuerzas viscosas, de manera que una capa desacelera a la que sigue, y así sucesivamente. Por lo tanto, la condición de no deslizamiento es responsable del desarrollo del perfil de velocidad. Capa limite es la región del flujo adyacente a la superficie en la cual los efectos viscosos son significativos. La propiedad del fluido responsable de la condición de no deslizamiento y del desarrollo de la capa límite es la viscosidad.

Una implicación de la condición de no deslizamiento es que la transferencia de calor de la superficie del sólido hacia la capa de fluido adyacente a esa superficie se da por conducción pura, ya que la capa de fluido está inmóvil.

El coeficiente de transferencia de calor por convección varía a lo largo de la dirección del flujo (o dirección x). En esos casos, el coeficiente promedio o medio de transferencia de calor por convección para una superficie se determina al promediar de manera adecuada los coeficientes locales sobre toda esa superficie.

Número de Nusselt

El numero de Nusselt representa el mejoramiento de la transferencia de la transferencia de calor a través de una capa de fluido como resultado de la convección en relación con la conducción a través de la misma capa

Donde

k es la conductividad térmica del fluido

 Lc es la longitud característica.

Entre mayor sea 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.

Clasificación de los flujos de fluidos

Hay varias maneras de clasificar los problemas de flujo de fluidos y, a continuación, se presentan algunas categorías generales.

-          Región viscosa de flujo en comparación con la no viscosa

La  resistencia interna del fluido al movimiento se cuantifica por la propiedad del fluido conocida como viscosidad, que es una medida de la pegajosidad interna de ese fluido.

Los flujos en los que los efectos de la fricción son significativos se conocen como flujos viscosos. Sin embargo, en muchos flujos de interés práctico, existen regiones (por lo común no cercanas a superficies sólidas) en donde las fuerzas viscosas son despreciablemente pequeñas en comparación con las fuerzas de inercia o de presión. El despreciar los términos viscosos en esas regiones de flujo no viscoso simplifica considerablemente el análisis, sin mucha pérdida de exactitud.

La condición de no deslizamiento, y la delgada capa límite en la cual los efectos viscosos son significativos, cercana a la superficie de la placa, es la región de flujo viscoso. La región del flujo en ambos lados, alejada de la placa y que no es afectada por la presencia de ésta, es la región de flujo no viscoso.

-          Flujo interno en comparación con el externo

El flujo de un fluido no confinado sobre una superficie del tipo de una placa, un alambre o un tubo es flujo externo. El flujo en un tubo o ducto es flujo interno si el fluido está por completo limitado por superficies sólidas.

Los flujos internos son dominados por la influencia de la viscosidad en toda la extensión del campo de flujo. En los externos, los efectos viscosos se limitan a las capas límite cercanas a las superficies sólidas y a las regiones de la estela que se ubica atrás de los cuerpos.

-          Flujo compresible en comparación con el incompresible

La incompresibilidad es una aproximación y se dice que un flujo es incompresible si la densidad permanece casi constante en toda la extensión del flujo. Los flujos de los líquidos, con una buena precisión, son incompresibles, pero la variación en la densidad en los flujos de gases y, como consecuencia, la exactitud de aproximación que se hace al modelar esos flujos como incompresibles depende del número de Mach,

-          Flujo laminar en comparación con el turbulento

El movimiento de fluidos intensamente ordenado, caracterizado por capas suaves, se conoce como laminar.

El movimiento altamente desordenado de los fluidos que, en general, se tiene a altas velocidades y que se caracteriza por fluctuaciones en la velocidad se conoce como turbulento. Un flujo que se alterna entre laminar y turbulento se conoce como de transición.

         

-          Flujo natural (o no forzado) en comparación con el forzado.

En el flujo forzado se obliga a un fluido a desplazarse sobre una superficie o dentro de un tubo por medios externos, como una bomba o un ventilador. En los flujos naturales, cualquier movimiento del fluido se debe a medios naturales, como el efecto de flotación, que se manifiesta como la subida del fluido cálido (y, por consiguiente, más ligero) y la caída del más frío (y, por lo tanto, más denso)

-          Flujo estacionario en comparación con el no estacionario (transitorio)

El término estacionario implica que no hay cambio en un punto con el tiempo. Lo opuesto a estacionario es no estacionario. El término uniforme implica que no hay cambio con respecto a la posición en una región especificada.

El término periódico se refiere a la clase de flujo no estacionario en la cual el flujo oscila en torno de una media estacionaria.

-          Flujo unidimensional, bidimensional y tridimensional

Un campo de flujo se caracteriza de la mejor manera por la distribución de velocidades y, de este modo, se dice que un flujo es unidimensional, bidimensional o tridimensional si la velocidad del mismo varía en una, dos o tres direcciones de coordenadas espaciales, respectivamente.

Capa límite de velocidad

Considere el flujo paralelo de un fluido sobre una placa plana. Las superficies que están torneadas de manera ligera, como los álabes de las turbinas, también se pueden considerar como placas planas con precisión razonable. La coordenada x se mide a lo largo de la superficie de la placa, desde el borde de ataque de esta última, en la dirección del flujo y la y se mide desde esa superficie, en la dirección perpendicular. El fluido se aproxima a la placa en la dirección x con una velocidad uniforme superior V, la cual es prácticamente idéntica a la velocidad de la corriente libre sobre la placa, lejos de la superficie (éste no sería el caso para el flujo cruzado sobre objetos romos, como un cilindro).

En beneficio de la discusión, se puede considerar que el fluido consta de capas adyacentes apiladas una sobre la otra. La velocidad de las partículas en la primera capa de fluido adyacente a la placa se vuelve cero debido a la condición de no resbalamiento. Esta capa inmóvil retarda las partículas de la capa vecina como resultado de la fricción de las partículas de ambas capas adjuntas que tienen velocidades diferentes. Esta última capa retarda las moléculas de la capa siguiente, y así sucesivamente. Por lo tanto, la presencia de la placa se siente hasta cierta distancia normal d a partir de ella, más allá de la cual la velocidad de la corriente libre permanece esencialmente inalterada. Como resultado, la componente x de la velocidad del fluido, u, varía desde 0, en y = 0, hasta casi V, en y = δ.

Capa limite térmica

Cuando un fluido a una temperatura específica fluye sobre una superficie que está a una temperatura diferente,

El espesor de la capa límite térmica aumenta en la dirección del flujo, ya que, corriente más abajo, se sienten los efectos de la transferencia de calor a distancias más grandes de la superficie.

Número de Reynolds

La transición de un fluido laminar o turbulento depende de la configuración geométrica de la superficie, de la aspereza superficial, de la velocidad del flujo, de la temperatura de la superficie y del tipo del fluido.

Donde

V= es la velocidad corriente superior

Lc=  es la longitud característica de la configuración geométrica

v=  m/r es la viscosidad cinemática del fluido.

Número de Prandtl

La mejor manera de describir el espesor relativo de las capas límite de velocidad y térmica es por medio del parámetro número de Prandtl adimensional, definido como

Los números de Prandtl de los fluidos van desde menos de 0.01 para los metales líquidos, hasta más de 100 000 para los aceites pesados. Nótese que el número de Prandtl es del orden de 10 para el agua.

Los números de Prandtl para los gases son de alrededor de 1, lo cual indica que tanto la cantidad de movimiento como el calor se disipan a través del fluido a más o menos la misma velocidad. El calor se difunde con mucha rapidez en los metales líquidos  y con mucha lentitud en los aceites en relación con la cantidad de movimiento. Como consecuencia, la capa límite térmica es mucho más gruesa para los metales líquidos y mucho más delgada para los aceites, en relación con la capa límite de la velocidad.