La transferencia de calor por convección involucra dos mecanismos, la difusión en la interfase entre la superficie y el fluido y la mezcla del mismo. Cuando la mezcla se realiza por la diferencia de densidades como consecuencia de los gradientes internos de temperatura se denomina convección natural o libre y cuando se realiza con movimientos inducidos a través de un elemento mecánico exterior (ventilador, bomba, agitador, etc), se denomina convección forzada.
El modelo matemático que cuantifica la transferencia de calor por convección es la ley de enfriamiento de Newton que se presenta en la figura 21.
La expresión es bastante simple, pero presenta dificultades en el análisis de la transferencia de calor, relacionadas con la determinación del coeficiente medio de transferencia de calor por convección, dado que depende directamente de las geometrías particulares e involucra las variables que intervienen en el mecanismo y son afectadas por los gradientes de temperatura, tales como las propiedades de los fluidos y de su movimiento.
Existen diferentes metodologías para su determinación, desde la solución matemática para sistemas estables y geometrías simples hasta la experimentación con instrumentación detallada para realizar un balance de energía que permita encontrarlo; sin embargo se presentan limitaciones de aplicación y de costos, razón por la cual el método más utilizado consiste en el análisis dimensional que consiste en correlacionar algunas variables en una sola ecuación para expresar algún efecto o describir algún fenómeno físico a partir de un número limitado de experimentos. Así por ejemplo el número de Reynolds (Re) que se deriva de un análisis dimensional relaciona las variables involucradas en un flujo (geometría, viscosidad dinámica, densidad y velocidad del flujo) para establecer su régimen, laminar, en transición o turbulento.
En convección se desarrollan diferentes correlaciones que no sólo se utilizan para determinar el coeficiente, sino para describir condiciones térmicas e hidrodinámicas tales como la capa límite térmica, la capa límite hidrodinámica, el coeficiente de fricción, etc.
En la tabla 6 1se encuentran los números adimensionales más utilizados en la transferencia de calor por convección.
Se observa que el número de Nusselt es el que relaciona el coeficiente de transferencia de calor por convección de manera que el objetivo consistirá en determinarlo para que a partir de su valor se establezca el coeficiente de convección.
Para cada caso particular existirá una correlación específica de números adimensionales. En convección forzada, es común que el número de Nusselt sea una función del número de Prandtl y del número de Reynolds; por ejemplo:
La correlación:
Sirve para determinar el número de Nusselt en un flujo interno forzado a partir del número de Reynolds, del número de Prandtl, de la viscosidad a la temperatura de película y de la viscosidad a la temperatura de superficie, con las siguientes restricciones:
Al igual que en la transferencia de calor por conducción, el análisis de transferencia de calor se puede realizar a partir del circuito térmico así:
Ejemplo: Determine el calor transferido desde la superficie del tubo al flujo de aire inducido a una velocidad de 5 m/s (convección forzada) para la configuración geométrica y condiciones que aparecen en la figura 22.
La temperatura del tubo se mantiene constante a 80ºC y la temperatura media del aire es de 12ºC.
Solución: en la Tabla 7 2se encuentra descrito el procedimiento para dar solución al ejercicio.
- 12. INCROPERA y DeWITT. Fundamentos de Transferencia de Calor. México. Prentice Hall, 1999, cap 6,
pp. 320 – 321. ↩︎ - 13. INCROPERA y DeWITT. Fundamentos de Transferencia de Calor. México. Prentice Hall, 1999, cap 12,
pp. 370 – 371. ↩︎
*Fuente: Jorge René Silva Larrotta, Introducción A La Termografía Industrial. Universidad Libre – Bogotá. 2006. ISBN 978-958-97987-0-6
