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1. Çengel, Y. A., & Ghajar, A. J. (2020). Transferencia de calor y masa. Fundamentos y aplicaciones. McGraw Hill.

2. Kreith, F., Manglik, R. M., & Bohn, M. S. (2012). Principios de transferencia de calor. Cengage Learning Editores.

3. Manrique, J. A. (2007). Transferencia de calor. Alfa-omega.

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Principios de transferencia de calor

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¿Cuál es el mecanismo más eficiente para la transferencia de calor?

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¿Cuál es tu opinión acerca de la presentación del tema?

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La convección natural es tan eficaz en el calentamiento de las superficies frías en un medio ambiente más caliente como lo es en el enfriamiento de superficies calientes en un medio ambiente más frío, como se muestra en la figura 9-2. Note que, en este caso, la dirección del movimiento del fluido es inversa.

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La convección natural se caracteriza de manera incorrecta mediante la frase “el calor sube”, la cual debe entenderse como: el aire calentado sube.

El espacio que deja el aire más caliente en la vecindad del objeto es vuelto a llenar por el aire más frío cercano y la presencia de éste en el espacio inmediato al objeto acelera el proceso de enfriamiento. La subida del aire más caliente y el flujo del más frío para ocupar su lugar continúan hasta que el objeto se enfría hasta la temperatura del aire circundante. El movimiento que resulta del reemplazo continuo del aire calentado que está en la vecindad del objeto por el aire más frío cercano se llama corriente de convección natural y la transferencia de calor que se mejora como resultado de esta corriente se llama transferencia de calor por convección natural. Note que de no existir las corrientes de convección natural, la transferencia de calor del huevo al aire circundante sería sólo por conducción y la rapidez de esa transferencia desde el objeto sería mucho más baja.

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A través de una tubería de acero de 2” cédula 40 fluye vapor sobrecalentado y se recubre con una capa de ½” de kapok, seguida de una capa de ¾” de fibra de vidrio. La temperatura de la superficie externa de la tubería compuesta es de 140°F y la temperatura del aire circundante es 70°F. La presión de la habitación es 1 atm y la tubería tiene 55 pies de largo. ¿Cuánto calor se pierde por convección libre hacia la habitación?

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Una placa horizontal en forma de triángulo equilátero de 30 cm por lado se mantiene a una temperatura constante de 65°C y se expone a aire atmosférico a 20°C. Calcule el calor perdido por la superficie superior de la placa.

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Una placa cuadrada plana de cobre de 2.5x2.5 m

de 0.1 cm de espesor, se enfriará en posición vertical.

La temperatura inicial de la placa es 90 ºC con el fluido ambiente a 30 ºC. El medio fluido es aire atmosférico o agua. Para los dos fluidos:

a) calcule la tasa inicial de transferencia de calor por convección.

b) suponga que se inclina la placa 30º respecto a la vertical, determine la tasa de transferencia de calor en estas condiciones

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En esta tabla se pueden encontrar las relaciones para Nusselt, en función del número de Rayleigh y la longitud característica.

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La capa límite sobre un cilindro horizontal caliente se empieza a desarrollar en la parte de abajo, aumentando su espesor a lo largo de la circunferencia y formando una columna ascendente en la parte superior, como se muestra en la figura 9-15. Por lo tanto, el número local de Nusselt es más alto en la parte de abajo y más bajo en la de arriba del cilindro, cuando el flujo en la capa límite permanece laminar. Se cumple lo opuesto en el caso de un cilindro horizontal frío en un medio más caliente y la capa límite en este caso se empieza a desarrollar arriba del cilindro y termina con una columna descendente en la parte de abajo.

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La razón de la transferencia de calor hacia una superficie horizontal o desde ésta depende de si la superficie está hacia arriba o hacia abajo. Para una superficie caliente en un medio ambiente más frío, la fuerza neta actúa hacia arriba, forzando al fluido calentado a subir. Si la superficie caliente está hacia arriba, el fluido calentado sube con libertad, induciendo fuertes corrientes de convección natural y, como consecuencia, una transferencia de calor eficaz, como se muestra en la figura 9-14. Pero si la superficie caliente está hacia abajo, la placa bloquea al fluido calentado que tiende a subir (excepto el cercano a los bordes), impidiendo la transferencia de calor. Se cumple lo opuesto para una placa fría en un medio ambiente más caliente, ya que, en este caso, la fuerza neta (peso menos fuerza de flotabilidad) actúa hacia abajo y el fluido enfriado cercano a la placa tiende a descender. La longitud característica debido a la flotabilidad es:

Lc=As/P

Donde

As es el área de transferencia

P es el perímetro de la placa

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Una placa inclinada caliente se analiza a partir del ángulo θ con respecto a la vertical, como se muestra en la figura 9-13, en un medio ambiente más frío. La fuerza neta 𝐹=𝑔(𝜌∞−𝜌) (la diferencia entre la de flotabilidad y la de la gravedad) que actúa sobre un volumen unitario del fluido en la capa límite siempre lo hace en la dirección vertical. Cuando la capa límite permanece intacta (la superficie inferior de una placa caliente o la superior de una fría), el número de Nusselt se puede determinar basándose en las relaciones de la placa vertical siempre que se reemplace g en la relación del número de Rayleigh por g cos⁡𝜃, para θ<60°.

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El caso más típico es el análisis de una placa plana vertical, donde el calor fluye en sentido vertical debido a la flotación, debemos recordar que el medio de la transferencia de calor es el fluido, por lo que al disminuir densidad del fluido de alrededor de la fuente más caliente se eleva y el fluido más frío baja provocando la corriente convectiva

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Cuando se multiplican los número de Gr y Pr, obtenemos el número de Rayleigh (Ra) es decir:

Ra = Gr*Pr

Por lo que el número de Nu queda definido en función de Ra.

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En los estudios sobre convección, es práctica común quitar las dimensiones a las ecuaciones que rigen y combinar las variables, las cuales se agrupan en números adimensionales, con el fin de reducir el número de variables totales.

También es práctica común quitar las dimensiones del coeficiente de transferencia de calor h con el número de Nusselt, denominado así en honor de Wilhelm Nusselt, quien lo concibió como el coeficiente adimensional de transferencia de calor por convección.

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Llamado así en honor a Franz Grashof y se define como la relación entre la fuerza de flotación y la fuerza viscosa que actúa sobre un fluido en la capa límite de velocidad.

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La ecuación de enfriamiento y calentamiento de Newton permite una aproximación donde se identifica que la razón de transferencia por convección es proporcional a la difetencia de temperatura entre el elemento y la temperatura de sus alrededores. (Çengel & Ghajar, 2020)

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Número de Prandtl llamdo así en honor a Ludwig Prandtl, científico alemán que introdujo los conceptos de la teoría de capa límite.

Es una cantidad adimensional que relaciona la viscosidad de un fluido con su conductividad térmica. Se calcula como la relación entre el transporte de momento y la difusión térmica. (Çengel & Ghajar, 2020).

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La transferencia de calor por convección 

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La transferencia de calor por convección 

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Depende de las propiedades viscosidad dinámica 𝜇, conductividad térmica k, densidad 𝜌 y calor específico cp del fluido, así como de la velocidad del fluido V.

Además de la configuración geométrica y coeficiente de fricción de la superficie sólida, del tipo de flujo (laminar o turbulento).

La transferencia de calor por convección se vuelve más compleja debido a su dependencia de tantas variables. (Çengel & Ghajar, 2020)

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Animación del mecanismo de transferencia de calor por convección natural o libre

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Ansys Fluent: Natural Convection of Water 3D: Temperature Animation

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La convección natural se observa como 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 temperatura, 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.