Conceptes Clau de Transferència de Calor i Mecànica de Fluids

Conceptes fonamentals de transferència de calor

1. Anàlisi de sistemes de conducció

Es pot considerar un sòlid amb resistència de conducció nul·la (Bi < 0,1) en peces cilíndriques de petit diàmetre refredades amb aire per convecció natural. La fórmula és: Bi = (h · Lc) / k.

2. Disseny d'aletes de refrigeració

Les aletes del radiador d'un cotxe estan situades al costat de l'aire i són d'alumini perquè:

• L'aire té un coeficient de convecció (h) baix, per la qual cosa el rendiment de l'aleta és més alt.
• L'alumini té una conductivitat tèrmica elevada, és barat, lleuger i resistent.

3. Mecanismes de transferència

En un medi es pot donar convecció i radiació, però no conducció i convecció simultànies en el mateix punt. Exemple: una planxa en una salsitxa frankfurt.

4. Transferència en estat estacionari

En una paret d'un edifici, si la h és més elevada a l'exterior pel vent, la diferència de temperatura entre l'aire i la superfície serà més petita a l'exterior. Això és degut a que la calor depèn de ΔT/R, on Rconv = 1/(h · A); a menor resistència, major transferència.

5. Efectivitat de les aletes

Les tres característiques necessàries per a una efectivitat elevada són:

• Material amb alta conductivitat tèrmica.
• Entorn amb un coeficient de convecció (h) baix.
• Espessor de l'aleta mínim.

6. Règim turbulent i viscositat

Perquè un fluid assoleixi un règim turbulent, com més viscós sigui, més velocitat necessitarà.

7. Convecció forçada vs. natural

Per decidir entre convecció forçada o natural, ens fixarem si disposem d'informació sobre el cabal o la velocitat del fluid.

8. Desenvolupament de la capa límit

Si per l'interior d'una canonada tenim règim laminar, el coeficient de convecció en els primers centímetres serà més alt perquè s'està desenvolupant la capa límit.

9. Equació general de conducció

L'equació general de conducció en coordenades cartesianes és: d²T/dx² = 0.

10. Factors que afecten la convecció

• Com més alta és la velocitat del fluid, més alt és el coeficient de convecció.
• El règim turbulent al final de la placa depèn de la longitud i la velocitat d'entrada.
• El règim laminar es dona a velocitats baixes i viscositats elevades.
• El coeficient de convecció en règim laminar és inferior al turbulent.

11. Equacions bàsiques

Cabal màssic: m = ρ · Vm · Ap

Banc de tubs: El coeficient de transferència de calor és més elevat si els tubs no estan alineats, ja que el nombre de Nusselt és més gran.

Geometria: Per a una mateixa àrea superficial, els tubs circulars ofereixen la màxima transferència de calor amb la mínima pèrdua de càrrega.

12. Grups adimensionals i pèrdues

• Re = (ρ · V · D) / μ = (V · D) / ν
• Nu = (h · D) / k
• ΔP = f · (L / Dh) · (ρ · V² / 2)
• Pr = (cp · μ) / k