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Transferencia de Calor por Conveccin
Se produce por medio de un fluido (liquido o gas) que transporta
el calor por zonas con diferentes temperaturas, cambio de
densidades internas de dicho fluido en donde tambin ocurrir la
transferencia de energa va molecular.
Transferencia de calor Ciclo Verano 2015 Ing. Beatriz
Salvador
Corriente convectiva
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Transferencia de calor de una superficie caliente hacia el
fluido circundante
Este fenmeno De quien depende?
Depende de las siguientes propiedades:
Viscosidad dinmica Conductividad trmica Densidad Calor
especifico Velocidad del fluido.
Tambin depende de::
o Configuracin geomtrica o Aspereza de la superficie solida o
Tipo de flujo del fluido
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Conveccin Natural El movimiento del fluido adyacente a una cara
slida se origina debido a las fuerzas de flotacin, inducidas por
los cambios en la densidad del fluido y debido a las diferencias de
temperatura entre el slido y el fluido
Conveccin Forzada El movimiento rpido de las partculas de fluido
sobre la cara del slido maximiza el gradiente de temperatura y
aumenta la tasa de intercambio de calor. En la imagen a continuacin
se fuerza aire sobre una placa caliente.
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La razn de la transferencia de calor es proporcional a la
diferencia de temperaturas y se expresa de manera conveniente por
:
LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON
= ( )
h = coeficiente de transferencia de calor por conveccin, As =
rea superficial de transferencia de calor. Ts = temperatura de la
superficie Too = temperatura del fluido suficientemente lejos de la
superficie.
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Todas las observaciones experimentales indican que un fluido en
movimiento llega a detenerse por completo en la superficie y toma
una velocidad cero con respecto a esta ultima.
Un fluido en contacto directo con un solido SE ADHIERE a la
superficie debido a los efectos viscosos y no se desliza.
Se le conoce como la:
Condicin de No Deslizamiento
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La condicin de No Deslizamiento es responsable del desarrollo de
perfil de velocidades
La regin del flujo adyacente a la superficie en el cual los
efectos viscosos y los gradientes de velocidad son significativo y
se llama:
Capa Limite
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Cmo se forma la Capa Limite? Veamos el grafico
La capa lmite es esa regin del campo fluido prxima a la pared en
la que se nota el efecto de la viscosidad. La capa lmite es delgada
cuando la viscosidad es pequea y la velocidad de la corriente es
grande.
Las capas lmite pueden ser, entre otras cosas, laminares y
turbulentas.
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Ta
Ts
La condicin de no deslizamiento hace que la transferencia de
calor de la superficie del solido hacia el fluido adyacente se de
por conduccin pura, ya que esta capa del fluido esta inmvil y se
puede expresar como:
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Se analizo que la superficie solida y un fluido adyacente es
simplemente la transferencia de calor por conduccin. Por lo tanto
se iguala las ecuaciones de conduccin y conveccin para obtener:
En las proximidades de la superficie de un slido
=
= ( ) =
=
(
2 )
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NUMERO DE NUSSELT
Es un numero adimensional que mide el aumento de la transmisin
de calor desde una superficie por la que un fluido discurre
(transferencia de calor por conveccin) comparada con la
transferencia de calor si esta ocurriera solamente por
conduccin.
Ambas transferencias se consideran en la direccin perpendicular
al flujo.
=
Capa de fluido
L
T1
T2
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El numero de Nusselt representa el mejoramiento de la
transferencia de calor a travs de una capa de fluido como resultado
de la conveccin en relacin con la conduccin a travs de la misma
capa.
Soplar para que enfri mas rpido
Entre mayor sea el numero de Nusselt, mas eficaz es la
conveccin
El Nu = 1 para una capa de fluido representa transferencia de
calor a travs de esta por conduccin pura.
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Se sabe que en el movimiento de un fluido, la velocidad y la
presin varan de manera rpida e impredecible en cada punto. No
obstante se dan muchos casos en los que el fluido se mueve de
manera mas regular a dicho movimiento se le denomina , estacionario
o permanente. SON INDEPENDIENTES DEL TIEMPO.
Cuando sus propiedades varan con el tiempo
Ing Beatriz Salvador
Clasificacin de los Flujos de los Fluidos
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Un flujo es unidimensional si la velocidad en una direccin
predomina sobre las otras dos
Es bidimensional si una de las tres velocidades es despreciables
frente a las otras dos
Flujo tridimensional cuando son expresables en las tres
coordenadas
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Cuando en cualquier punto de una seccin de flujo y en un
instante dado el vector velocidad es idntico en modulo, direccin y
sentido. Independientemente de la posicin de las partculas
Cuando el vector velocidad varia en un instante dado y de un
punto a otro
Los efectos de la viscosidad causan perdidas de energa debido a
la friccin (velocidad cero en las paredes)
La viscosidad no afecta significativamente, se le considera
cero
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Flujo Uniforme
Flujo No Uniforme
Flujo Viscoso
Flujo No Viscoso
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Flujo Interno y flujo externo
Reconocer que el fluido se encuentra en un canal confinado o
sobre una superficie.
Flujo Compresible
Cuando los cambios de volmenes son muy grandes. Muestran una
variacin significativa de la densidad al momento de fluir.
Flujo Incompresible
Cuando la densidad permanece constante con el tiempo y la
capacidad de oposicin a la compresin.
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Flujo Turbulento
las partculas del fluido se mueven en trayectorias muy
irregulares sin seguir un orden establecido, ocasionando la
transferencia de cantidad de movimiento de una porcin de fluido a
otra,
Se caracteriza porque el movimiento de las partculas del fluido
se produce siguiendo trayectorias bastante regulares, separadas y
perfectamente definidas dando la impresin de que se tratara de
laminas o capas mas o menos paralelas entre s
Flujo Laminar
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El numero de Reynold nos permite el carcter del fluido si es
laminar o es turbulento y depende de:
Numero de Reynolds
o Configuracin geomtrica de la superficie o Aspereza superficial
o Velocidad del flujo o Temperatura de la superficie o Tipo de
fluido
Re es la razn de la fuerzas de inercia a las fuerzas viscosas
del fluido.
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Capa Limite Trmica
Se desarrolla capa limite trmica cuando un fluido a una
temperatura especifica fluye sobre una superficie que esta a una
temperatura diferente .
Considerando el flujo sobre una placa plana isotrmica. Al inicio
de la placa el perfil de temperaturas es uniforme, con T (y)= T .
Sin embargo las partculas del fluido que hacen contacto con la
placa alcanzan el equilibrio a la temperatura de la superficie de
la placa. A su vez, estas partculas intercambian energa con las de
la capa adyacente de fluido y se producen en el fluido gradientes
de temperatura.
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Como resultado se desarrolla un perfil de temperaturas en el
campo del flujo que va desde la Temperatura de la superficie hasta
la temperatura del flujo libre.
Tenemos que:
= 0.99( )
= 0
Caso especial:
Se tiene:
= 0.99 = 0.99 La razn de la transferencia de calor por conveccin
en cualquier parte a lo largo de la
superficie esta relacionada directamente con el gradiente de
temperatura en ese lugar.
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Numero de Prandtl Manera de describir el espesor relativo de las
capas limites de velocidad y trmica es por medio de:
=
=
=
Viscosidad cinemtica
Difusividad trmica
Capacidad calorfica
Viscosidad dinmica Conductividad trmica
El numero de Prandlt va desde menos de 0,01 para los metales
lquidos hasta mas de 100,000 para los aceites pesados
Rangos tpicos de los nmeros de Prandlt para fluidos comunes
Fluido Pr Metales lquidos 0,004 0,030 Gases 0,7 1,0 Agua 1,7
13,7
Fluido Pr Fluidos orgnicos ligeros 5 50 Aceite 50 100,000
Glicerina 2000 -- 100,000
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Salvador
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MUCHAS GRACIAS BUEN FIN DE SEMANA
Ing. Beatriz Salvador
