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TRANSFERENCIA DE CALOR
Mecanismo de convecciónLey de enfriamiento de Newton-CONVECCIÓN
M. Sc. Edisson Paguatian
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Cuando un fluido caliente se mueve en contacto con una superficie fría, el calor se transfiere hacia la pared a un ritmo que depende de las propiedades del fluido y si se mueve por convección natural, por flujo laminar o por flujo turbulento.
Convección
Convección natural Flujo laminar Flujo turbulento
Convección forzada
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CONVECCIÓN
• La convección es un fenómeno de transporte (materia y energía) que tiene su origen en diferencias de densidad.
• Cuando un fluido se calienta, se expande; en consecuencia su densidad disminuye.
• Si una capa de material más fría y más densa se encuentra encima del material caliente, entonces el material caliente asciende a través del material frío hasta la superficie.
• El material ascendente disipará su energía en el entorno, se enfriará y su densidad aumentará, con lo cual se hundirá reiniciando el proceso.http://www.sunblock99.org.uk/sb99/people/KGalsgaa/convect.html
http://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node76.html
4
http://orpheus.nascom.nasa.gov/~kucera/explore/lessons/convection.html
5
Ley de enfriamiento de Newton
ThATThAQ )(
Temperatura superficial Temperatura del fluido libre
Coeficiente deconvección
Superficie deintercambio
T superficial
T fluido libre
Capa límite T
6
h (Wm-2K-1)Convección libre en aire 5-25Convección libre en agua 500-1000Convección forzada en aire 10-500Convección forzada en agua 100-15000Agua hirviendo 2500-25000Vapor condensando 5000-100000
Valores típicos del coeficiente de convección
7
Distancia
Velocidad Velocidad
Distancia
Laminar Turbulento
Perfiles de velocidad
8
SuperficieDistribución de temperaturas
Distancia
Temperatura
Capa límite
fsx TThAq
T superficie sT
T fluido libre (región de temperatura uniforme)
fT
Ley de Newton del enfriamiento
Perfiles de temperaturas
hTT
Aq fsx
/1
RT
9
Viscosidad: propiedad molecular que representa la resistencia del fluido a la deformación
Dentro de un flujo, la viscosidad es la responsable de las fuerzas de fricción entre capas adyacentes de fluido. Estas fuerzas se denominan de esfuerzo cortante (“shearing stress”) y dependen del gradiente de velocidades del fluido.
zc
AF
Viscosidad dinámica
Gradiente develocidad
(Pa · s=N·s/m2)
(1 Pa · s = 10 Poise)
z
c c+dc
FA
10
Viscosidad cinemática (m2s-1)
Fluidos viscosos fricción entre capas, disipación energía cinética como calor
aportación de energía para mantener el flujo
Fluidos viscosos en régimen laminar fricción entre capas, disipación como calor
existen intercambios de energía entre capas adyacentes de fluido
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Flujo laminar y flujo turbulento
lclc Re
Número de Reynolds
Si Re < Re CRÍTICO Régimen laminar
Si Re > Re CRÍTICO Régimen turbulento
Valores típicosSuperficie plana: Re CRÍTICO 510-5
Conducto cilíndrico: Re CRÍTICO 2200
CONVECCIÓN Transporte del calor en cañerías
puede ser:
Axial: Velocidad axial (transporte) Mezcla axial (movimiento de vórtices)
Radial: Conducción radial Mezcla radial
CONVECCIÓN Tipos de
movimientos de fluido: Convección forzada. Convección libre. Sin movimiento
(conducción).
CONVECCIÓN
CONVECCIÓN
CONVECCIÓN Conceptos de capa límite hidráulica y capa
límite térmica.
CONVECCIÓN
.: hidráulicalímitecapaEspesor
.: térmicalímitecapaEspesorT
.: narlamisubcapaEspesorEn general:
T
LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON
)( TThq sConv
)( TThAQ sSConv
Coeficiente de transferencia de calor por convección
Resistencia térmica por convección
LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON
h1
térmicaaresistenciimpulsorafuerza
h
Tq
1
h
Teniendo en cuenta que Lc es la Longitud característica
Para un tubo no circular: donde Dhid es el diámetro hidraúlico = ( 4 Ac ) / p ;Ac: área de la sección transversal del tubo;p: perímetro de la sección
tranversal
Para un tubo circular, donde; D: diametro interior del tubo
Cuanto mayor es el número de Nusselt más eficaz es la convecciónUn número de Nusselt de Nu = 1, para una capa de fluido, representa transferencia de calor a través de ésta por conducción pura.
El número de Prandtl va desde menos de 0.01 para los metales líquidos hasta más de 100.000 para los aceites pesados. El Pr es del orden de 10 para el agua. Los valores del número de Prandtl para los gases son de alrededor de 1, lo que indica que tanto la cantidad de movimiento como de calor se difunden por el fluido a una velocidad similar. El calor se difunde con mucha rapidez en los metales líquidos ( Pr << 1 ) y con mucha lentitud en los aceites ( Pr >> 1 ) en relación con la cantidad de movimiento. Esto indica que la capa límite térmica es mucho más gruesa para los metales líquidos y mucho más delgada para los aceites, en relación con la capa límite de velocidad. Cuanto más gruesa sea la capa límite térmica con mayor rapidez se difundirá el calor en el fluido.
Donde Uf es la velocidad del flujo del fluido a una distancia lo suficientemente alejada de la superficie.Lc = la longitud característica: para una placa plana Lc = Diámetro ( D ). Para un tubo de sección circular Lc = Diámetro hidraúlico ( Dhid ). Para un tubo de sección no circular
Donde:g es la aceleración de la gravedad.β es el coeficiente de expansión volumétrica de una sustancia; representa la variación de la densidad de esa sustancia con la temperatura a presión constante. Para un gas ideal b = 1 / T; T es la temperatura absoluta en K. Lc es la longitud característica. Para una placa vertical del longitud L , Lc = L. Para un cilindro de diámetro D , Lc = D.
ᵥ es la viscosidad cinemática.
Número de GRASHOF ( Gr ) .- Representa la relación que existe entre las fuerzas de empuje y las fuerzas viscosas que actúan sobre el fluido. Es un indicativo del régimen de flujo en convección natural, equivalente al número de Reynolds en convección forzada.
Número de RAYLEIGH ( Ra ) .- Es función del número de Grashof y del número de Prandtl. Su valor es el número de Grashof multiplicado por el número de Prandtl.
El Número de Eckert (Ec) Que expresa la relación entre la energía cinética de un fluido y su entalpía. Su nombre es en honor del profesor Ernst R. G. Eckert
CORRELACIONES Correlaciones con siete números
adimensionales todavía son difíciles de manipular y trabajar, por lo tanto hay que reducir su número.
El número de Eckert se puede despreciar, ya que influye en altas velocidades.
Si se utiliza una temperatura media de fluido, se puede despreciar la razón de temperaturas.
CORRELACIONES
3 2
2( , , , , , )p s
p
c ThL uL g L uF Sk k T c T
kE
hLkuL
3
2
g L
pck
2
p
uc T
sTT
LNu
ReL
LGr
Pr
Número de Nusselt , Eckert number ,
Número de Reynods, Razón de temperatura Número de Grashof, Forma de la Superficie Número de Prandtl,
CORRELACIONES La correlación para obtener el
coeficiente convectivo se reduce a:
Convección forzada: en este caso la variación de la densidad es despreciable, por lo que el número de Grashof se deprecia:
(Re , Pr, , )L L LNu F Gr S
(Re ,Pr, )L LNu F S
CORRELACIONES Convección natural: en este caso
no hay movimiento del seno del fluido provocado por agente externos, u=0, el Re es nulo:
( ,Pr, )L LNu F Gr S
CORRELACIONES Es destacable, que siempre está
presente el Prandtl y la forma de la superficie. El Prandtl, razón de las difusividades de momento y térmica.
Correlaciones empíricas:
GRACIAS POR SU ATENCIÓN