La convección involucra el intercambio de energía entre un
fluido y una superficie o interfase.
Como el líquido en un recipiente o el aire en una casa.
Hay dos clases de procesos convectivos, la forzada y la
natura.
La convección forzada es cuando se fuerza el movimiento de
un fluido por una superficie debido al efecto de un agente externo tal como un
ventilador o bomba.
Diferencia de presiones
La convección natural o libre es cuando hay cambios de
densidad en el fluido a consecuencia del intercambio de energía que provocan un
movimiento natural del fluido.
Diferencia de densidades
La fuerza motriz de temperaturas determina
si la transferencia del calor es hacia o desde una superficie dada. La orientación
de la superficie, hacia o desde la que se intercambia el calor con un fluido
adyacente, determina la dirección de la transferencia de calor.
Para el cálculo del coeficiente
de convección h se necesita caracterizar cinemática y térmicamente el fluido.
Seis incognitas:
·
Campo de velocidad del fluido: u, v, w
·
Presión, temperatura, densidad.
Sistemas de seis ecuaciones:
·
Cantidad de movimiento
·
Conservación de la masa
·
Energía
·
Estado del fluido
Condiciones de contorno:
·
Velocidad nula en la pared
·
Gradiente de velocidad nulo en el flujo sin
perturbar
·
Temperatura en la superficie
·
Gradiente de temperatura nulo en el flujo sin
perturbar
La capa limite.
·
Región cercana a un objeto donde están presentes
los gradientes de velocidad o temperatura.
·
Hidrodinámica: gradientes de velocidad
·
Térmica: gradientes de temperatura
h se puede obtener mediante la experimentación
en modelos a escala y el uso de números adimensionales que preserven la relación
de fuerzas, es decir modelos semejantes.
Semejanza Geométrica
Son adimensionales iguales,
cualquier fenómeno que depende de la relación entre los lados, ocurre igual en
todos los triángulos semejantes.
Semejanza Física.
No todas las magnitiudes físicas escalan
de la misma manera. El peso escala de manera proporcion al volumen. La resistencia
escala proporcionalmente a la superficie. Para que la resistencia sea
semejante, el cociente área volumen debe mantenerse constante.
Semejanza Hidrodinámica
Dos fluidos con el mismo número
de Reynolds son hidrodinámicamente semejantes, aunque sus valores de ρ, μ, V y
D sean distintos. Lo importante es que la relación entre fuerzas dinámicas ρvD
y las de fricción μ tenga una razón constante.
Re = ρvD / μ
Teorema de BUCKINGHAM π
Variables homogéneas (m) - dimensiones
de referencia (n) = números adimensionales π
Se enumeran las variables que
describen el problema
Seleccionar las dimensiones de
referencia que corresponde a las variables.
Descomponer las variables en sus
dimensiones, de manera tabulada.
Elegir las variables de
referencia
Establecer las m-n ecuaciones adimensionales
y obtener los números π
Construcción de los números adimensionales
Existen siete variables y cuatro números
Fundamentales y se determinan los valores de lso exponentes, para cada uno de
los tres parámetros adimensionales:
Se hace un sistema de ecuaciones
y se resuelve para esto su determinante debe ser diferente de cero y con esto
se obtienen los números adimensionales.
APLICACIONES
·
Templado
·
Transmisión de calor por convección forzada en
un tanque agitado
·
Coeficientes de transmisión de calor para convección
forzada en tubos
·
Coeficiente de transmisión de calor para convección
forzada alrededor de objetos sumergidos
·
Lechos fluidizados
·
Convección libre
·
Simetrías simples
·
Conjuntos de tubos, gotas o burbujas sumergidas
en fluidos de convección natural o forzada
·
Conjunto de objetos sin simetría simple
sumergidas en fluidos de convección natural o forzada.
·
Placas bañadas por un fluido
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