Transferencia de Calor por Convección: Conceptos Clave y Aplicaciones

Conceptos Fundamentales de la Transferencia de Calor por Convección

Capa Límite

La capa límite de velocidad se define como la región del fluido adyacente a una superficie sólida (como una placa) donde la velocidad del fluido se ve afectada por la presencia de la superficie. Debido a la condición de no deslizamiento, la velocidad de las partículas de fluido en la primera capa adyacente a la placa es cero. La influencia de la placa se extiende hasta una distancia normal δ (delta), más allá de la cual la corriente permanece inalterada. La velocidad varía desde 0 en y=0 hasta la velocidad de la corriente libre (V) en y=δ.

La capa límite térmica se forma cuando un fluido a una temperatura específica fluye sobre una superficie sólida que se encuentra a una temperatura diferente. Se define como la región del fluido donde la variación de temperatura es significativa. Se puede expresar como T_s-(T_inf-T_s)*0.99, donde T_s es la temperatura de la superficie y T_inf es la temperatura del fluido lejos de la superficie.

Longitud de Entrada

Longitud de entrada hidrodinámica: Es la longitud de la región, medida desde la entrada del tubo, hasta el punto en que la capa límite se une con la línea central.

Región de entrada térmica: Es la región que se extiende más allá de la longitud de entrada hidrodinámica, donde el perfil de temperatura se desarrolla completamente.

Coeficiente de Transferencia de Calor (h)

El coeficiente de transferencia de calor (h) se define mediante la ley de enfriamiento de Newton: q = h * A * (T_s - T_inf), donde q es la tasa de transferencia de calor, A es el área de la superficie, T_s es la temperatura de la superficie y T_inf es la temperatura del fluido. Este coeficiente depende de la geometría de la superficie, la naturaleza del movimiento del fluido, las propiedades del fluido, la velocidad y la temperatura. Se expresa en W/m²·K. Un ejemplo común es el intercambio de calor entre un fluido caliente y un fluido frío, ya sea en corrientes diferentes o en la misma corriente.

Número de Nusselt (Nu)

El número de Nusselt (Nu) es un número adimensional que representa la mejora de la transferencia de calor a través de una capa de fluido como resultado de la convección en relación con la conducción a través de la misma capa. Se define como Nu = hL/k, donde L es una longitud característica y k es la conductividad térmica del fluido. Si Nu = 1, la transferencia de calor es por conducción pura. Si Nu > 1, la convección mejora la transferencia de calor. Si Nu < 1, la conducción domina. También se puede expresar como Nu = hL/k_p y ΔT.

Número de Prandtl (Pr)

El número de Prandtl (Pr) es un número adimensional que describe la relación entre el espesor de la capa límite de velocidad y la capa límite térmica. Depende de la difusividad de la cantidad de movimiento (viscosidad cinemática) y la difusividad térmica. Matemáticamente: Pr = Difusividad de cantidad de movimiento / Difusividad térmica.

Tipos de Convección

Convección Forzada

En la convección forzada, el movimiento del fluido es inducido por una causa externa, independiente de las diferencias de temperatura (por ejemplo, un ventilador o una bomba). Dentro de un tubo, el flujo puede ser:

• Laminar: El flujo se produce en capas casi independientes. Los intercambios de calor se producen principalmente por conducción y convección entre las capas.
• Turbulento: El flujo no es unidireccional. El intercambio de calor se produce por convección y conducción en todas las direcciones, aunque la conducción suele ser insignificante. Está sujeto al principio de flotabilidad.

La convección forzada puede ser:

• Externa: El flujo se produce en medios extendidos. La superficie puede ser lisa o rugosa (una superficie lisa tiende a ser más turbulenta). Un ejemplo es un radiador de calefacción en una habitación.
• Interna: Se produce en recintos cerrados. Por ejemplo, el flujo de convección en un refrigerador sin ventilación, que enfría los productos almacenados y, a veces, puede secarlos. Se forman perfiles de velocidad.

Ecuaciones y Relaciones para la Convección Forzada Interna

• f/A = μ * (Vel/Visc)
• τ_yx = -μ * (dV_x/dy)
• τ = μ * (dV/dy)
• μ = N·s/m² = kg/(m·s)
• τ_s = C_f * ρ * V²/2 (N/m²)
• C_f: Coeficiente de fricción.

Eficiencia de Aleta

La eficiencia de aleta mide el desempeño térmico de una aleta. Para mejorar el rendimiento térmico del sistema, la eficiencia de la aleta debe ser superior al 80%.

Convección (General)

La convección es un modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y un fluido adyacente. Se rige por la ecuación: Q = h * A * (T_s - T_inf). Puede ser forzada o natural. El flujo puede ser laminar (Re < 2000), turbulento (Re > 10⁴) o de transición (2000 < Re < 10⁴), donde Re es el número de Reynolds.

Estado Estacionario

Un sistema se encuentra en estado estacionario cuando sus características no varían con el tiempo.

Banco de Tubos

En un banco de tubos, el análisis del flujo se realiza considerando el flujo a través de un solo tubo y multiplicándolo por la cantidad de tubos. Un ejemplo común son las aletas que calientan el ambiente.