8.Conveccion Natural

Convección natural

La convección es la transfer transferencia encia de calor mediante el movimiento de un uido. Esta se lleva a cabo porque un uido en movimiento reco recoge ge energía de un cuerpo caliente o lleva energía a un cuerpo frio. Newton denió el calor transferido desde la supercie de un solido a un uido en movimiento por:

En el caso de la convección natural el movimiento del uido se debe a la diferencia de densidades que se presentan en el uido como resultado de una diferencia de temperatura.

El coeciente de transferencia de calor por convección natural es relativamente bajo en comparación con el de convección forada. !radiadores para calefacción" los trasformadores el#ctricos" los equipos e$puestos al aire" tuberías" etc.%

&ediante el an'lisis dimensional se puede demostrar que los grupos adimensionales que controlan la transferencia de calor en convección natural son: El numero de (randtl caracteria la relación entre las propiedades de viscosidad ) conductividad t#rmica del uido. El numero de *ras+of  relaciona las fueras de roamiento" inercia ) otación debidas a la diferencia de densidades entre los distintos puntos del ujo no isot#rmico.

El numero de Nusselt relaciona la transferencia de calor por convección con relación a la transferencia de calor por conducción. en donde:

En general los grupos se combinan dando correlaciones del tipo

,orrelaciones m's usadas (aredes verticales En el caso de convección natural de calor desde una supercie vertical a un uido

 si el producto del *r(r va de - / a -0.las propiedades del uido se calculan a 1f 2 1uido 3 1pared 4 5i el producto del *r(r va de - 0 a --4.la ecuación anterior se modica resultando:

(lacas +oriontales (ara placas calientes con la cara +acia arriba o placas frías con la cara +acia abajo en el rango turbulento de *r(r de 4 $ - 6 a 7 $ --.

En el rango laminar de *r(r de - 8 a 4 $ - 6

(ara placas calientes con la cara +acia abajo o planos fríos con la cara +acia arriba en el rango laminar de *r(r de 7 $ - 8 a 7 $ - -.

,orrelaciones para convección natural en tubos La transferencia de calor desde tubos verticales se obtiene con:

(ara el rango de *r(r de - 7 a -0 5i se presenta turbulencia

(ara *r(r de - 0 a --4

,ilindros La convección natural desde cilindros +oriontales di'metro e$terior 9o se obtiene con : !se aplica para un solo tubo% (ara *r(r de - 7 a -0 5i *r(r es ma)or que - 0

5i *r(r es menor que - /

de

Ecuaciones simplicadas para la transferencia de calor por convección natural del aire

(lanos verticales ) cilindros verticales (ara *r(r de - 0 a --4 o L  ./m

(ara *r(r de - /a -0 o L ; ./m

,ilindros +oriontales

(lacas calientes con la cara +acia abajo

(lacas frías con la cara +acia abajo

en donde 9 ) L est'n dados en m ) + en ,

,onvección natural en un espacio limitado Las correlaciones anteriores

para convección natural fueron

desarrollados para espacio ilimitado. En un espacio limitado el fenómeno de convección natural se da junto con el de conducción.

La circulación natural de un uido en un espacio limitado se produce

si

supercies.

e$iste

diferencia

de

temperatura

entre

dos

El  coeciente de transferencia de calor entre las dos supercies seria: 5i la distancia entre las paredes entonces sólo +abr' conducción:

!$% es peque?a"

La relación entre el calor por conducción ) convección:

5i el *ras+of es menor de 4$- 7 se suprime la convección natural ) por lo tanto

Para espacios verticales cerrados Si

Para turbulento

Para espacios horizontales

Laminar Turbulento Para líquidos si la placa inferior esta a mayor temperatura que la superior

@na tubería de 4 in de di'metro e$terior tiene sus supercie a -- >, ) esta situada en un cuarto en el que la temperatura ambiente es de 4 >,. determine la cantidad de calor transferido por m4 de supercie e$terna

si

el coeciente de transferencia se obtiene mediante la ecuación : +2.46 !A1=9o%.48 En 9o se da en pies" A1 en >B ) el coeciente + en C1@=+ft4>B. D,u'l seria la forma de la correlación si + se diera en ," A1 en >, ) 9o en m

Ecuación de convección

Cp 37.8 1.0048 58.5 x 65.6 1.0090

6.6786x103 - 6.6190 x103 x = 7.1 x= 7.1 - 6.6786x103 m= 65.6 - 37.8 = 6.61x10 3 6.6190 x103 1.0090- 1.0048 x= 1.007932 Kj 1 Kcal 3 6.61x10 = 65.6 - 58.5 KgK 4.1840Kj 1.0090 - x x= 0.241 Kcal/KgK K 37.8 0.02700 58.5 x 65.6 0.02925

361.4 - 12.35 x103 x = 7.1 x= 7.1 – 361.4 12.35 x103 x =0.02869 W 14.340 cal/min m= 65.6 - 37.8 = 12.35x103 mK 1W 0.02925 - 0.01700 x= 0.4114146 cal ( 1Kcal )(60 min)

12.35x103 = 65.6 - 58.5 0.02925 - x

minmK( 1000cal)( 1  x=0.02469 !cal ( 1  )

)

#$ = 0.53 (%&'&)0.25  = 1.133 (+,/)0.25

%&'& =

"i (%&'&) a * 103 a 109 "i (%&'&) a * 103 a 109

1 ( 9.81 )(0.1524 )3 ( 1.06 ) 2 (67) (0.2415 )(1.995 x10-5) 77-.-8 !1.995 x10-5 %4 F.G8G $ -

*r(r 2 -.70// $ -

6

Nu2 + 9o 2 .87 ! -.70// $ - 6 %.48 <

Nu274.70 +2 !74.70%!.4/F0% 2 8.-/F-7