Conveccion forzada LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA III

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- Coeficiente Convectivo

El coeficiente convectivo de transferencia de calor, h, que aparece en la ecuación anterior representa las condiciones del área en la cual se está. A diferencia de la conductividad térmica de un material, el coeficiente convectivo de transferencia de calor no es una propiedad. Su magnitud cambiará de un problema a otro, aun cuando pueden estar involucrados el mismo sólido y el mismo fluido en ambos problemas. El valor de coeficiente de transferencia de calor depende de factores como lo son la velocidad, densidad, viscosidad, conductividad térmica, calor específico del fluido, geometría de la superficie, presencia de fuerzas de flotamientos, entre otros. [1]

- Número de Nusselt

El Número de Nusselt (Nu) es un número adimensional que mide el aumento de la transmisión de calor desde una superficie por la que un fluido va (transferencia de calor por convección) comparada con la transferencia de calor si ésta ocurriera solamente por conducción[2].

Ec.3[pic 5]

Donde:

Lc: longitud característica. Para formas complejas se define como el volumen del cuerpo dividido entre su área superficial.

K: conductividad térmica del fluido.

h: coeficiente de transferencia de calor.

Para flujos turbulentos en tubos el número de nusselt está relacionado con el factor de fricción, con el Reynolds y el número de prandtl

Ec.4[pic 6]

- Numero de Reynolds

La naturaleza del flujo, es decir, si es laminar o turbulento, y su posición relativa a una escala que muestra la importancia relativa de las tendencias turbulenta a laminares está indicada por el número de Reynolds.[4]

Ec.5[pic 7]

Donde:

R: Numero de Reynolds

U: Velocidad característica (pies/s ó m/s)

Lc: Longitud característica (pies ó m)

µ: viscosidad (N.s/m2 ó lb.s/pie2)

ρ: densidad (kg/m3 o lb/pie3)

Un valor grande del número de Reynolds indica régimen turbulento. Un valor pequeño del número de Reynolds indica régimen laminar. El valor del número de Reynolds para el cual el flujo se vuelve turbulento es el número crítico de Reynolds. Este valor crítico es diferente para las diferentes configuraciones geométricas. Para una placa plana Re crítico = 500000. Para tubos: si Re 10000 el flujo es turbulento.

- Factor de Fricción

El factor de fricción (f) es adimensional, depende principalmente de la velocidad y el caudal; el factor de fricción es llamado también coeficiente de pérdidas primarias ambas hace referencia al efecto de la rugosidad de la tuberías ante el desarrollo de un fluido. El factor de fricción es inversamente proporcional al cálculo de las pérdidas primarias.

Entre las numerosas ecuaciones que nos permiten calcular coeficiente de fricción tenemos, la ecuación de Halland. [6]

[pic 8][pic 9] Ec 6

Dónde:

Re = Reynolds.

E = rugosidad relativa.

- Número de Prandtl

Los numero de prandtl de los fluidos van desde menos 0.01 para los metales líquidos hasta más de 100000 para os aceites pesados. Para los gases son de alrededor de 1 los cual indica que tanto la cantidad de movimiento como el calor se disipan a través del fluido a mas menos la misma velocidad.

Ec.7[pic 10]

- Analogía Eléctrica De La Conducción

Utiliza los conceptos desarrollados en la teoría de los circuitos eléctricos y con frecuencia se llama analogía entre el flujo de calor y la electricidad. La combinación L/kA equivale a una resistencia y la diferencia de temperatura es análoga a una diferencia de potencial. La ecuación puede escribirse en una forma semejante a la ley de Ohm de la teoría de los circuitos eléctricos [2]

[pic 11]

En donde

es un potencial térmico.[pic 12]

es una resistencia térmica.[pic 13]

Para un cilindro la resistencia será:

Ec.8[pic 14]

- Resistencia de Contacto

Cuando superficies conductoras distintas se sitúan en contacto, aparece generalmente una resistencia térmica en la interfase de los sólidos. Esta resistencia, llamada resistencia de contacto, se desarrolla cuando los dos materiales no se ajustan exactamente y por ello entre ambos queda atrapada una delgada capa de fluido. A través de los puntos de contacto del sólido, el calor se transmite por conducción mientras que a través del fluido de la interfase el calor se transmite por convección y radiación. [6]

- Generación de Calor

Se llama generación de calor a la transformación de alguna forma de energía en energía térmica, ya sea eléctrica por resistencia de alambre, las reacciones químicas exotérmicas en un sólido y las reacciones nucleares en barras de combustible nuclear. La absorción de radiación de un medio semitransparente como el agua, también es considerada como generación de calor dentro del medio.

La generación de calor suele expresarse por unidad de volumen del medio cuya unidad es W/m3

Ec.9[pic 15]

Donde I es la intensidad de la corriente y Re es la resistencia eléctrica que presenta el alambre. La temperatura de un medio se eleva durante la generación de calor, como resultado de la absorción del calor generado por el medio durante el periodo transitorio del arranque. A medida que se incrementa la temperatura del medio, también aumenta la transferencia de calor de ese medio hacia sus alrededores, esto continúa hasta que alcance las condiciones