Fundamentos Fisicos. Transferencia de Calor

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CONVECCIÓN NATURAL

Transferencia de Calor

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Introducción

Muchas aplicaciones conocidas de la transferencia de calor comprenden la convección natural como el mecanismo principal. Se tienen algunos ejemplos en el enfriamiento de equipo electrónico como los transistores de potencia, las televisiones y las reproductoras de DVD; la transferencia de calor desde los calentadores eléctricos con tablero base o los radiadores de vapor de agua; la transferencia de calor desde los serpentines de refrigeración y de las líneas de transmisión de energía eléctrica, y la transferencia de calor desde los cuerpos de los animales y los seres humanos

Fundamentos físicos

En la convección libre, el movimiento del fluido se debe a las fuerzas de empuje dentro de éste. El empuje se debe a la presencia combinada de un gradiente de densidad del fluido y de una fuerza de cuerpo que es proporcional a la densidad. Tan pronto como el huevo caliente se expone al aire más frío, la temperatura de la superficie exterior del cascarón cae un tanto y la del aire adyacente al cascarón se eleva como resultado de la conducción de calor desde el cascarón hacia el aire. Como consecuencia, el huevo pronto está rodeado por una capa delgada de aire más caliente y el calor es transferido de esta capa hacia las capas exteriores del aire. El espacio que deja el aire más caliente en la vecindad del huevo es vuelto a llenar por el aire más frío cercano y la presencia de éste en el espacio inmediato al huevo acelera el proceso de enfriamiento. La subida del aire más caliente y el flujo del más frío para ocupar su lugar continúan hasta que el huevo se enfría hasta la temperatura del aire circundante. El movimiento que resulta del reemplazo continuo del aire calentado que está en la vecindad del huevo por el aire más frío cercano se llama corriente de convección natural, este proceso se lleva a cabo continuamente hasta que todo el objeto haya transferido toda su energía y quedar a la temperatura del aire circundante.

Convección natural sobre placa vertical

Considere una placa plana caliente vertical sumergida en una masa inmóvil de fluido. Tomemos la dirección hacia arriba a lo largo de la placa como la 𝑥 y la normal a la superficie como la 𝑦. Al igual que en la convección forzada, el espesor de la capa límite aumenta en la dirección del flujo.
Sin embargo, a diferencia de la convección forzada, la velocidad del fluido es cero en el borde exterior de la capa límite de la velocidad, así como en la superficie de la placa. Esto es de esperarse, ya que el fluido que se encuentra más allá de la capa límite está inmóvil. En la superficie la temperatura del fluido es igual a la de la placa y, de manera gradual, decrece hasta la del fluido circundante a una distancia suficientemente lejos de esa superficie, como se muestra en la figura.

Correlaciones para otras geometrías

La transferencia de calor por convección natural sobre una superficie depende de la configuración geométrica de ésta así como de su orientación. Existen algunas soluciones analíticas para la convección natural, pero carecen de generalidad, ya que se obtienen para configuraciones geométricas simples con algunas hipótesis simplificadoras. Por lo tanto, con la excepción de algunos casos simples, las relaciones de transferencia de calor en la convección natural se basan en estudios experimentales.

Aplicaciones en placas, cilindros, esferas

En el caso de flujo constante de calor en la superficie, se sabe que la razón de la transferencia de calor es sencillamente = 𝑠 𝐴𝑠 As, pero no se conoce la temperatura superficial 𝑇𝑠 . Resulta que las relaciones del número de Nusselt para los casos de temperatura superficial constante y flujo constante de calor en la superficie son casi idénticas . Por lo tanto, las relaciones para las placas isotérmicas también se pueden usar para las placas sujetas a flujo uniforme de calor siempre que se use la temperatura 𝑇𝐿 2 en el punto medio de la placa, en lugar de 𝑇𝑠 , en la evaluación de la temperatura de película, del número de Rayleigh y del número de Nusselt. Dado que la fuerza que impulsa el movimiento se reduce, esperamos que las fuerzas de convección sean más débiles y que la velocidad de la transferencia de calor sea más baja en relación con el caso de la placa vertical.

Los experimentos confirman lo sucede en la superficie inferior de una placa caliente, pero se observa lo opuesto sobre la superficie superior. La razón para este curioso comportamiento en la superficie superior es que la componente 𝐹𝑦 de la fuerza inicia el movimiento hacia arriba en adición al movimiento paralelo a lo largo de la placa y, como consecuencia, la capa límite se rompe y forma columnas, como se muestra en la figura 9. Como resultado, el espesor de la capa límite y, por ende, la resistencia a la transferencia de calor decrecen y aumenta la razón de la transferencia de calor en relación con la orientación vertical. La capa límite sobre la superficie superior permanece intacta con un flujo más débil en ella y, por consiguiente, una razón menor de transferencia de calor, y la capa límite sobre la superficie inferior se divide y, de este modo, se mejora la transferencia de calor.
Para una superficie caliente en un medio ambiente más frío, la fuerza neta actúa hacia arriba, forzando al fluido calentado a subir. Si la superficie caliente está hacia arriba, el fluido calentado sube con libertad, induciendo fuertes corrientes de convección natural y, como consecuencia, una transferencia de calor eficaz, como se muestra en la figura 3.10. Pero si la superficie caliente está hacia abajo, la placa bloquea al fluido calentado que tiende a subir , impidiendo la transferencia de calor. Se puede determinar el número promedio de Nusselt sobre la superficie completa con base en la ecuación 9-26 para un cilindro horizontal isotérmico, y a partir de la 9-27, para una esfera isotérmica
El modo de transferencia de calor por convección se compone de dos mecanismos, comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento de fluidos . Tal movimiento, en presencia de un gradiente de temperatura, contribuye a la transferencia de calor. Entre más rápido es el movimiento de un fluido, mayor es la transferencia de calor por convección. En ausencia de cualquier movimiento masivo de fluido, la transferencia de calor entre una superficie sólida y el fluido adyacente es por conducción pura.
Considere el enfriamiento de un bloque caliente al soplar aire frío sobre su superficie superior .

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