convección natural y forzada, teoría.......pdf

INSTITU INSTITUTO TO TECNOLÒ GICO DE SONORA FENOMENOS DE TRANSPORTE

TRANSFERENCIA CONVECTIVA DE CALOR. La transferencia convectiva de calor se presenta generalmente en un líquido o un gas y se clasifica en: Convección natural o libre: En esta el movimiento se debe a variaciones de densidad en la transferencia de calor. Convección forzada: El flujo se logra o se produce por medio de diferencias de presión logradas por una bomba, un ventilador, un soplador, etc. La transferencia de calor convectiva está dada por la siguiente ecuación: q





hA(T w



T   f   )

“Ley de enfriamiento de Newton” q hA(T   f   T w ) 



q = Velocidad de transferencia de calor (W)  A = Área (m2) Tw= Temperatura de la superficie sólida en contacto con el fluido (K) Tf  = Temperatura T emperatura promedio promedio o general del fluido (K) h = Coeficiente convectivo de transferencia de calor, también llamado coeficiente de película (W/m2.K) ó (Btu/h.ft2.ºF)

h: No es simplemente una propiedad del fluido, depende también de la geometría del sistema en cuestión, de la dinámica de flujo y de las condiciones térmicas prevalecientes.

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN FORZADA Se utiliza la ley de enfriamiento de Newton q hA(T   f   T w ) En convección forzada el tipo de flujo (turbulento o laminar) ejerce un efecto 



considerable en el coeficiente de película. En flujo turbulento el valor de “h” es más

alto que en un flujo laminar. Para la obtención del coeficiente de película (h), se necesita conocer:  N Re

 D.V .   

 

 N  pr 



 N  Nu

 Número  Número de Pr andtl 



C p   

 Número de  Nusselt   Nusselt 

 K 

hD 

 K 

Flujo Laminar: NRe < 2100 en tubería horizontal Ecuación Sieder Tate: ( N  Nu ) a



ha D  K 



1.86( N Re N  pr 

 D  L

1

)3 (

  f  

) 0.14

 w

Esta ecuación es válida para: (N ReNpr D/L) > 100, (NReNpr D/L) > 10 D = Diámetro de la tubería (m) L = Longitud de la tubería (m)   f   = Viscosidad del fluido a la temperatura del volumen promedio (Pa.s)   w= Viscosidad del fluido a la temperatura de la pared (Pa.s) Cp = Capacidad calorífica (J/Kg.K) K = Conductividad térmica (W/m.K) ha = Coeficiente promedio de transferencia de calor ( W/m 2.K) NNu = Número de Nusselt (adimensional)

NOTA: Todas las propiedades se determinan a la temperatura general del fluido excepto   w

En flujo laminar q  ha AT a



ha A

(T w

 T  fi )  (T w  T  fo )

2

Tfi y Tfo son temperatura de entrada y salida del fluido respectivamente.

Flujo turbulento: NRe > 2100  N  Nu



h L D  K 



1

0.8

0.027 N Re N  pr  3 (

  f  

) 0.14

 w

Ecuación válida para: NRe > 6000, Npr   entre 0.7 y 16000, L/D >60 En flujo turbulento q



h L A(T w



T )

NOTA: todas las propiedades se evalúan a la temperatura media general del fluido, excepto  w . Si la temperatura media general del fluido varia en la entrada y la salida se usa la media de las temperaturas de entrada y salida. Aire a una presión total igual a 1 atm. h L

352V  0.8 

 D

D= m V = m/s hL = W/m2.K

0.2

0.8

( SI )

h L



352V s ( S  Ingles ) ( D ' )0.2

D’ = Pulgadas Vs= ft/s hL= Btu/h.ft2.ºF

Agua para intervalos de temperatura de 4 a 105 ºC (40 a 220 ºF). h L

h L





1429(1  0.0146 T º C )

150(1  0.011 T º F )

V s

V 

0.8

 D

0.2

( SI )

0.8

( D ' ) 0.2

( S  Inglés )

Líquidos orgánicos (aproximaciones). h L

h L





423

V 

0.8

 D

0.2

V  0.8

60

( D ' ) 0.2

( SI )

( S  Inglés )

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCION NATURAL Se presenta cuando el fluido no experimenta flujo y solo se mueve por efecto de la diferencia de densidades. La expresión general para definir el coeficiente convectivo en paredes cilíndricas y rectangulares es:  N  Nu



a N Gr  N Pr  

m



 L3  2 g   T  C  p   m  a( . )  K   K   2 hL

Donde a y m son constantes definidas por la geometría del sistema y N Nu = Número de Nusselt y NGr  = Número de Grashof, de acuerdo a las siguientes expresiones:  N  Nu

 N Gr 



hL 

k 

 L3  2 g   T 

 2

Para lo cual: L = longitud de la pared.     = Coeficiente volumétrico de expansión del fluido =

T  f  



T w



2

T b

1

T  f  

, en oK-1

Tf = Temperatura de la película o de la totalidad del fluido.

∆T = Tw – Tb (siempre positivo)

Tw = Temperatura de la pared Tb = Temperatura del fluido

Estas expresiones pueden simplificarse aun más y quedar solo en función de la longitud de la pared L y ∆T.

NOTA: Todas las propiedades físicas se evalúan a la temperatura de la película (T f ).

La siguiente tabla muestra estas expresiones simplificadas pero está limitada al aire, en algunos casos especiales para el agua y para casos particulares de líquidos orgánicos. GEOMETRIA FISICA Planos y cilindros verticales Planos y cilindros verticales Cilindros horizontales Cilindros horizontales Placas Horizontales Calentadas por Arriba o enfriadas Por abajo Placas Horizontales Calentadas por Abajo o enfriadas Por arriba Planos y cilindros verticales Planos y cilindros verticales

 NGr  * NPr  10 -- 10 > 10 10 --10 > 10 10  –  2x 10

2x 107 — 3x 1010 3x 10 — 3x 10

h w / m2 oK 1.37(∆T/L) 1.24(∆T)   1.32(∆T/D) 1.24(∆T)   1.32(∆T/D)

FLUIDO Aire Aire Aire Aire Aire

1.52(∆T)1/3 0.59(∆T/L)

Aire

10 -- 10

127(∆T/L)  

Agua

10 -- 10

59(∆T/L)

Líquidos orgánicos