Convección

 Mecanismo de la Convección

Proceso de convección natural

Es el resultado del movimiento del fluido debido a cambios de densidad que provienen del proceso de calentamiento.

El flujo se produce al existir una diferencia de temperatura en presencia de una fuerza gravitacional.

El aire en contacto con una superficie caliente aumenta su temoperatura, su densidad disminuye y en presencia de gravedad, sube debido a la flotación.

Después el aire frío se desplaza desde los alrededores para llenar este vacío y se establece una corriente de flujo de aire ascendente. 

El proceso inverso ocurre cuando el aire entra en contacto con una superficie más fría. Se hunde, o se mueve hacia abajo y se desarrolla una corriente inversa. 

Por tanto, para determinar la carga de calor en equipo de calefacción, acondicionamiento de aire y computo es necesario conocer los coeficientes de transferencia de calor por convección natural. 

La convección natural también es responsable de las pérdidas de calor de tubos que transportan vapor u otros fluidos calientes.

𝑞=ℎ𝐴𝑠 (𝑇𝑠−𝑇∞ )

Donde:

q = Calor transferido por convección

h = Coeficiente de transferencia de calor en W/m^2 ºC (Btu/h pie^2 ºF)

  As = Área superficial de transferencia de calor m^2 (pie^2)

Ts = Temperatura de la superficie, °C (ºF)

T∞ = Temperatura del fluido suficientemente lejos de la superficie, °C (ºF)

El coeficiente de transferencia de calor por convección h no es una propiedad del fluido. Es un parámetro que se determina en forma experimental y cuyo valor depende de todas las variables que influyen sobre la convección, como la configuración geométrica de la superficie, la naturaleza del movimiento del fluido, las propiedades de éste y la velocidad masiva del mismo.

Para determinar el valor del coeficiente es conveniente considerar diversas condiciones del medio para ello se requiere considerar los siguientes parámetros:

1. Número de Grashof (Gr). el número de Grashof, el cual es un número adimensional que representa la razón de la fuerza de flotabilidad a la fuerza viscosa.

2. Número de Nusselt (Nu), o coeficiente adimensional de transferencia de calor por convección.

3. Número de Prandtl (Pr). Es un parámetro que relaciona los espesores relativos de las capas límite hidrodinámicas y térmicas. 

4. Número de Raleigh (Ra).  el número de Rayleigh por sí mismo puede considerarse como la razón de las fuerzas de flotabilidad y (los productos de) las difusividades térmica y de cantidad

de movimiento.

Ra = Gr Pr

De manera generalizada, para calcular el coeficiente adimensional de transferencia de calor (Nu).

Debido a diversas geometrías se pueden determinar Nu de acuerdo a la siguiente tabla.

Fuente (Çengel & Ghajar, 2020)

Ejemplo: 

Una placa grande vertical de 3.0 m de altura se mantiene a 70°C y se expone a aire atmosférico a 20°C.  Calcule la transferencia de calor si la placa tiene 1.5 m de ancho.

Datos:

Placa Vertical

H = 3 m

W = 1.5 m

Tw = 70ºC

T∞ = 20ºC 

 Medio aire

Para las propiedades del aire se consulta la tabla A-15 del autor (Çengel & Ghajar, 2020)

Para obtener las propiedades se obtienen a partir de la temperatura de película: