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CONVECCIÓN

CONVECCIÓN. Debido a la mayor distancia entre moléculas de un fluido, la resistencia térmica a la transmisión de calor por conducción es mucho mayor que en un sólido. Fuerzas de unión entre moléculas son débiles, y pueden desplazarse dentro del fluido, transportando su energía térmica.

byron-gay
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CONVECCIÓN

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  1. CONVECCIÓN Debido a la mayor distancia entre moléculas de un fluido, la resistencia térmica a la transmisión de calor por conducción es mucho mayor que en un sólido. Fuerzas de unión entre moléculas son débiles, y pueden desplazarse dentro del fluido, transportando su energía térmica. El mecanismo de transporte de calor relacionado con el transporte de materia en el seno del fluido se denomina CONVECCIÓN

  2. c y θf θ (y) capa límite térmica capa límite c(y) θs c(y=0)= 0→ conducción q = -λf /y |y=0 Depende de la velocidad con la que el fluido transporte el calor desde la pared hacia la corriente principal /y |y=0

  3. L xcr Flujo laminar Flujo turbulento Flujo laminar: predominan las fuerzas viscosas sobre las fuerzas inerciales del fluido, desplazándose las partículas de fluido según líneas de corriente. Flujo turbulento: al aumentar espesor capa límite, los efectos inerciales llegan a ser suficientemente grandes respecto a la amortiguación viscosa, y empiezan a aparecer pequeñas perturbaciones en el fluido. A medida que aumentan, la regularidad del flujo viscoso se perturba y se rompen las líneas de corriente, dando lugar a que se intensifique el transporte de energía.

  4. /t |y=0 En el valor de influyen muchos factores: • Velocidad fluido ( c ) • Características geométricas y físicas superficie contacto • Propiedades físicas fluido (  ,  , λ, cP) h coef. de convección,coef. superficial, coef. de película Q = h A  Ley de enfriamiento de Newton: h ( W/m2K) q = -λf /y |y=0 = h (θs-θf) h = -λf /y |y=0 /(θs-θf)

  5. ANÁLISIS DIMENSIONAL • h = f (c,  ,  , λ, cP,…)→ múltiples variables, dificil establecer la relación → análisis dimensional: agrupar variables en un número reducido de parametros adimensionales que permitan caracterizar el fenómeno mediante correlaciones experimentales aplicables a todos los procesos que cumplan semejanza • semejanza geométrica (proporcionalidad dimensiones) • semejanza cinemática (proporcionalidad velocidades) • semejanza dinámica (proporcionalidad fuerzas)

  6. CONVECCIÓN FORZADA  = long. característica Número de Reynolds : Relaciona las fuerzas de inercia y las viscosas. Determina la naturaleza del flujo, laminar o turbulento. Re = c  /  Número de Prandtl: Relaciona la difusividad de cantidad de movimiento y la difusividad térmica. Expresa la relación entre la velocidad y la distribución de temperatura en el seno del fluido. Pr = cP  / λ=  / a Número de Nusselt: Es el gradiente adimensional de temperatura en la superficie. Expresa la transmisión de calor entre fluido y pared. Nu =  h / λ La relación entre estos parámetros adimensionales se determina experimentalmente, ensayando con modelos. Nu = f ( Re, Pr )

  7. CONVECCIÓN FORZADA L Flujo laminar xcr Flujo turbulento m = ( p + f ) / 2 Flujo laminar NuL = 0,664 ReL1/2 Pr 1/3 Re < 5·105 L  xcr Flujo turbulento Re > 5·105 Nu = 0,036 ReL0,8 Pr 1/3 L  xcr Flujo mixto L  xcr Nu = 0,036 Pr 1/3 (ReL0,8 -23.200)

  8. CONVECCIÓN NATURAL x θ c pared fzas flotación fzas viscosas

  9. CONVECCIÓN NATURAL Número de Grashof: Relaciona las fuerzas ascendentes y las fuerzas viscosas del fluido En gases ideales :  = 1/T Gr = g32 / 2 Cuanto mayor sea el número de Grashof, mayor será el movimiento libre del fluido. Nu = f ( Gr, Pr ) Número de Rayleigh: Ra = Gr · Pr

  10. h = 1,42 [ (-f) / L ]1/4 104< Gr <109  = L h = 1,31 (-f)1/3 109< Gr <1012 CONVECCIÓN NATURAL Placa plana vertical Gr a θp

  11. Nu = 0,54Ra1/4 105< Ra <107 Nu = 0,15Ra1/3 107< Ra <1010 CONVECCIÓN NATURAL  = Area / Perimetro Placa plana horizontal Superior fría / inferior caliente: Nu = 0,27Ra1/4 105< Ra <1010 Gr a θm Placa plana horizontal Superior caliente / inferior fría:

  12. Analogía eléctrica: R Q I h R = 1 / h A

  13. i he R2 R3 R1 1 hi 2 k Q Q Q L e CONDUCCIÓN CONVECCIÓN U : coef. Global de trasmisión de calor CONVECCIÓN R = R1 + R2 + R3 = 1/A ( 1/hi + L/λ + 1/he ) Q = ( i - e ) / R = A ( i - e ) / [ 1 / hi )+ L / λ + 1 / he ] U =1 / [ 1 / hi )+ L / λ + 1 / he ] Q = U A 

  14. he R2 R3 R1 hi Q Q Q CONDUCCIÓN CONVECCIÓN R = R1 + R2 + R3 = 1/2L ( 1/r1hi + 1/λ ln(r2/r1) + 1/r2he ) Q = ( i - e ) / R = 2 r2 L ( i - e ) / [ (r2 / r1 hi )+ ( r2 / λ) ln(r2/r1) + 1 / he ] Q = U2 A2 U2 =1 / [ (r2 / r1 hi )+ ( r2 / λ ) ln (r2/r1) + 1 / he ]

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