Tiene lugar dentro de un fluido cuando una parte del fluido se mezcla con otra. transferencia de calor por la convección se puede clasificar según la naturaleza del flujo. Los flujos causados por medios externos, como un ventilador, una bomba o viento atmosférico se clasifican como convección forzada. Sin embargo, cuando el flujo es inducido debido a las fuerzas de flotabilidad en el fluido derivados de variaciones de densidad, que son causadas por diferencias de temperatura dentro del fluido, se clasifica como natural o libre convección.
Cuando la transferencia de calor tiene lugar a través de objetos sólidos, el modo de transferencia de calor es únicamente por conducción; sin embargo, la transferencia de calor de una superficie sólida a un líquido o gas ocurre en parte por conducción y en parte por convección.
Cuando existe un movimiento apreciable del gas o líquido, la transferencia de calor por conducción se vuelve insignificantemente pequeña en comparación con la transferencia de calor por convección en el gas o líquido. Sin embargo, siempre existe una delgada capa límite de fluido en la superficie, y la transferencia de calor por conducción se produce a través de esta película delgada. Cuando la transferencia de calor por convección ocurre dentro de un fluido, es por combinación efectos de conducción y movimiento de fluidos. Generalmente, el calor transferido es el calor sensible del fluido. En los casos en que una fase se está produciendo un cambio entre los estados líquido y vapor, los procesos de convección también incluyen el intercambio de calor latente.
Ley de enfriamiento de Newton
La transferencia de calor que ocurre entre una superficie sólida y un fluido es proporcional al área superficial y a la diferencia de temperatura entre el fluido y la superficie sólida; esto se conoce como la ley de enfriamiento de Newton. Esto representa una naturaleza específica de la transferencia de calor por convección y se expresa como:
donde h representa el coeficiente de transferencia de calor por convección. El coeficiente de transferencia de calor incluye todos los efectos que influyen en la transferencia de calor por convección y depende de las condiciones de la capa límite, que dependen de factores tales como la naturaleza del flujo de fluido, propiedades térmicas, geometría superficial y propiedades físicas.
En muchos casos, la transferencia de calor debido a la radiación es insignificantemente pequeña como en comparación con la transferencia de calor por conducción o convección entre una superficie y un fluido. Sin embargo, en problemas de transferencia de calor, que implican altas temperaturas superficiales y convección natural, la transferencia de calor por radiación es similar en magnitud a la natural.
Considere la pared la transferencia de calor ocurre desde el fluido A de temperatura más alta al fluido B de temperatura más baja a través de una pared que tiene un espesor L. La temperatura en el fluido A cae a una temperatura Ts1 dentro de la región de la pared.
Una sección transversal de pared sujeta a la transferencia de calor por convección desde ambos lados.
En el caso de transferencia de calor en estado estacionario
Por lo tanto, planteado en términos de resistencias se conduce a la siguiente expresión:
Una analogía integrando en un solo término, se tiene la siguiente expresión:
donde H representa el coeficiente global de transferencia de calor y se puede expresar como
El número de Nusselt
En el análisis del mecanismo de transferencia de calor por convección, las ecuaciones gobernantes comúnmente no están dimensionalizadas combinando las variables y agrupándolas en números adimensionales; esto reduce el número total de variables. la transferencia de calor el coeficiente h no está dimensionalizado con el número de Nusselt. El número de Nusselt se define como:
donde Y denota la longitud característica y k denota la conductividad térmica del fluido. El número de Nusselt también se conoce como coeficiente de transferencia de calor por convección adimensional y lleva el nombre de Wilhelm Nusselt. En la primera mitad del siglo XX, Wilhelm Nusselt contribuyó significativamente a la transferencia de calor por convección.
El número de Nusselt es esencialmente la relación de la transferencia de calor por convección a través de una capa de fluido de espesor Y, que tiene una temperatura T1 en un lado del fluido y la temperatura T2 en el otro lado durante la presencia de algún movimiento fluido hacia la transferencia de calor por conducción a través del fluido cuando la capa de fluido está estancada.
Convección forzada
El análisis de la transferencia de calor por convección forzada tiene lugar entre una superficie sólida y un fluido en movimiento.
Para aplicar la ecuación de la ley de enfriamiento de Newton, se requiere determinar el coeficiente transferencia de calor “h”. Las correlaciones de Nusselt-Reynolds se pueden utilizar para este propósito. La definición del número de Reynolds, así como del número de Nusselt se da en la Tabla siguiente. Algunos ejemplos de equipos involucrados en la transferencia de calor por convección forzada incluyen intercambiadores de calor, enfriadores de agua y aire forzados, condensadores de agua y aire forzados y evaporadores.
| Nombre | Símbolo | Definición | Aplicación |
| Número de biot | Bi | hY/k | Conducción en estado estacionario y no estacionario |
| Número de Fourier | Fo | at/Y2 | Conducción en estado no estacionario |
| Número de Graetz | Gz | GY2cp/k | Convección laminar |
| Número de Grashof | Gr | gbDTY3 | Convección natural |
| Número de Rayleigh | Ra | Gr xPr | Convección natural |
| Número de Nusselt | Un | hY/kf | Convección natural o forzada, ebullición o condensación |
| Número de peclet | Pe | UY/a¼Re Pr | Convección forzada (para Pr pequeño) |
| Número de Prandtl | Pr | cpm/k¼n/a | Convección natural o forzada, ebullición o condensación |
| Número de Reynolds | Re | UY/n | Convección forzada |
| Número de Stanton | St | h/rUcp¼Nu/Re Pr | Convección forzada |
La convección forzada puede ocurrir en varios tipos de casos, como flujo dentro o a través de un tubo y flujo a través de una placa plana. estos tipos de Los casos se pueden resolver matemáticamente con ciertas suposiciones con respecto a las condiciones de contorno. Obtener soluciones exactas a tales casos pueden ser extremadamente difíciles, particularmente para los casos que involucran flujos turbulentos; sin embargo, las soluciones aproximadas pueden ser obtenido haciendo suposiciones apropiadas.
El primer paso para obtener una solución de un problema de transferencia de calor por convección es determinar si la capa límite es turbulenta o laminar. El valor del coeficiente de transferencia de calor por convección h y, por lo tanto, la tasa de transferencia de calor por convección se ven afectados por estas condiciones.
El movimiento de fluidos dentro de la capa límite laminar está altamente ordenado y las líneas de corriente a lo largo de las cuales se mueven las partículas pueden ser identificado. Por el contrario, en la capa límite turbulenta, el movimiento de fluidos es muy irregular y se caracteriza por las fluctuaciones en velocidad que comienza a desarrollarse en la región de transición; después de la capa límite de transición, existe una capa límite turbulenta completa. Estas fluctuaciones de velocidad aumentan la transferencia de calor, cantidad de movimiento y especies y, por lo tanto, aumentan la fricción superficial y las tasas de transferencia de calor por convección. Además, la subcapa laminar es aproximadamente lineal y el transporte está dominado principalmente por la difusión, así como por el perfil de velocidad. Además, existe una capa de amortiguamiento contigua en la que la mezcla turbulenta y difusión son comparables. Sin embargo, el transporte en la región turbulenta está dominado principalmente por la mezcla turbulenta.
El valor del número de Reynolds en el que se produce la transición de laminar a turbulento se conoce como número de Reynolds crítico. El número de Reynolds crítico depende de la geometría y de las condiciones de flujo.
Convección forzada de flujo externo
Cuando el flujo de un fluido no está confinado a un canal o pasaje específico, y fluye sin límites sobre cualquier superficie, como una tubería, placa, cilindro o esfera, se clasifica como flujo externo. Para determinar las tasas de transferencia de calor para casos de flujo externo, varios Se utilizan correlaciones entre los parámetros adimensionales número de Nusselt, número de Reynolds y número de Prandtl. Estas se desarrollaron correlaciones basadas en datos experimentales. Las propiedades del fluido requeridas para obtener estos parámetros adimensionales normalmente se toman a la temperatura de la película Tfm. La temperatura de la película es un promedio de la corriente libre de fluido y las temperaturas de la superficie.
Las diversas correlaciones de transferencia de calor por convección forzada para flujo externo para diferentes geometrías, con los pertinentes parámetros enumerados en la Tabla 4.
Correlaciones y ecuaciones de transferencia de calor por convección forzada
Correlaciones para el flujo externo sobre una placa plana
Nu=0.332Re1/2Pr1/3 para Pr≥0.6 para laminar; local; Tfm
Nu=0.664Re1/2Pr1/3 para Pr≥0.6 para laminar; promedio; Tfm
Nu=0.565Re1/2Pr1/2 para Pr≤0.05 para laminar; local; Tfm
Nu=0.0296Re4/5Pr1/3 para 0.6≤Pr≤60 para turbulento; local; Tfm, Rer108
Nu= (0.037Re4/5 – 871) Pr1/3 para 0.6< Pr<60 para flujo mixto; promedio; Tfm, Re≤108
Correlaciones para flujo cruzado externo sobre cilindros circulares
Nu=cRenPr1/3 para Pr>0.7 para promedio; Tfm; 0.4<Re<4 x106
Dónde:
c=0.989 y n=0.330 para 0.4<Re<4
c=0.911 y n=0.385 para 4<Re<40
c=0.683 y n=0.466 para 40<Re<4000
c=0.193 y n=0.618 para 4000<Re<40,000
c=0.027 y n=0.805 para 40,000<Re<400,000
Nu=cRen Prs (Pra/Prs)1/4 por 0.7<Pr<500 por promedio Ta; 1<Re<106
Dónde
c=0.750 y n=0.4 para 1<Re<40
c=0.510 y n=0.5 para 40<Re<1000
c=0.260 y n=0.6 para 103 <Re<2 x 105
c=0.076 y n=0.7 para 2 x 105 <Re<106
s=0.37 por Pr≤10
S=0.36 para Pr>10
Nu=0.3 + [(0.62Re1/2Pr1/3) / (1 + (0.4/Pr)2/3)1/4][1 +(Re/28,200)5/8]4/5 para RePr>0.2 de media; Tfm
Correlaciones para flujo interno en tubos
Nu=4.36 para flujo de calor superficial constante; completamente desarrollado; laminado
Nu=3.66 para temperatura superficial constante; completamente desarrollado; laminado
Nu=3.66 + (0.065(D/L) Re Pr) / (1 + 0.04[(D/L) Re Pr)]2/3 para temperatura superficial constante; desarrollo de flujo; laminado
Nu=0.023Re4/5Prn para 0.7≤Pr≤160; turbulento; completamente desarrollado; Re≥10,000; n=0,4 para calentamiento de fluidos; n=0.3 para fluido frio
Nu=4.8 + 0.0156 Re0.85Prs0,93 para flujo de metal líquido; temperatura superficial constante; 104
<Re<106
Nu=6.3 + 0.0167Re0.85Prs 0,93 para flujo de metal líquido; flujo de calor superficial constante; 104
<Re<106
Correlaciones para flujo cruzado externo sobre esferas
Nu/Pr1/3=0.37Re0.6/Pr1/3 para promedio; Tfm; 17<Re<70,000
Nu=2 + (0.4Re1/2 + 0.06Re2/3) Pr0.4(ma/ms)1/4 para 0.71<Pr<380
para promedio; Ta; 3.5<Re<7.6 x 104; 1< (ma/ms) <3.2.
Correlación para caída de gota
Nu=2 + 0.6Re1/2Pr1/3[25(x/D)-0.7] para promedio; Ta
Fuente: Reproducido de Dincer I. Transferencia de calor en aplicaciones de enfriamiento de alimentos. Washington, DC: Taylor y Francisco; 1997
Ecuaciones que rigen la capa limite
Consideraciones:
- Flujo estacionario
- Bidimensional
- Fluido Newtoniano
- Propiedades constantes (k, µ, δ, …, etc.)
Aplicación de leyes fundamentales al elemento fluido:
- Conservación de masa
- Conservación de cantidad de movimiento
- Conservación de energía
1) Conservación de masa.
Para el lado derecho (dz=1)
