Conveccion Natural

5/13/2018 Conveccion Natural - slidepdf.com

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CONVECCIÓN NATURAL

Ing. RAFAEL RAMIREZ

UNIVERSIDAD DEL ATLANTICOFACULTAD DE INGENIERIA

INGENIERIA MECANICABARRANQUILLA



CONVECCIÓN NATURAL

y Se ha estudiado anteriormente el mecanismo detransferencia de calor por convección forzadacuya principal característica era la impulsión de

un fluido mediante medios externos. En estaocasión abordaremos lo concerniente a laconvección natural en donde la transferencia decalor se logra gracias a medios naturales como

la flotación la cual se produce debido en estecaso a la diferencia de densidades en un fluido.



El coeficiente de transferencia de calorpor convección depende bastante de la

velocidad: entre mas alta sea esta mas altoes el coeficiente.

Por lo tanto, los coeficientes detransferencia de calor que se encuentran

en la convección natural son mas bajosque los hallados en la convección forzada.

smnVconveccio /1e



APLICACIONES

y Enfriamiento de equipoelectrónico, transferencia decalor desde los calentadoreseléctricos, radiadores de vaporde agua, serpentines derefrigeración, etc..

y La convección natural en losgases suele estar acompañada

por radiación de magnitudsimilar, excepto en lassuperficies de baja emisividad.



¿COMO SE DA LA CONVECCIÓN

NATURAL?

y .

Las corrientes de convección natural surgen debido a quela capa de fluido que rodea al objeto experimenta uncambio de su densidad (la densidad de un gas es

inversamente proporcional a su temperatura) lo queconlleva a que este suba o baje dependiendo de si el objetomotivo de la transferencia esta mas frió o mas caliente queeste fluido circundante.



EFECTO DE FLOTACIONy Bajo el efecto de un campo gravitacional existe una

fuerza neta que empuja hacia arriba un fluido mas ligeroen uno mas pesado. La fuerza hacia arriba ejercida porun fluido sobre un cuerpo sumergido completa oparcialmente en el se llama fuerza de empuje. Lamagnitud de esta fuerza es igual al peso del fluidodesplazado.

P Para el caso del barco tenemos:



IMPLICACIONES DEL EFECTO DEFLOTACION

ySin el efecto de la flotación la transferencia de calor entre unasuperficie caliente o fría seria por conducción en lugar de porconvección natural retardando así la transferencia de calor.

y

Los pesados barcos de guerra, así como los ligeros botes semantienen en la superficie debido al efecto de la flotación.

yEl efecto chimenea que induce hacia arriba el producto de losgases de combustión también es producto del efecto de laflotación.

yLas corrientes de convección natural que se encuentran enocéanos, lagos y la atmósfera deben su existencia a la flotación.



En los estudios de la transferencia de calor la variable principales la temperatura y resulta conveniente expresar la fuerza netade empuje en termino de las diferencia de temperatura. por talmotivo se requiere de una propiedad que represente lavariación de la densidad de un fluido con la temperatura apresión constante.

Matemáticamente esta definido como:

Para el caso de estudios de Convección

natural lo expresamos como:

COEFICIENTE DE EXPANSIÓNVOLUMETRICA



MEDICIONES EN LA CONVECCION NATURAL

El instrumento que normalmente seusa en los experimentos relativos a laconvección es el interferómetro deMach Zehnder, el cual da una graficade las isotermas en la superficie. Elprincipio de medición de este se basaen el hecho de que a baja presión laslíneas de temperatura constante paraun gas corresponden con las líneas dedensidad constante, y que el índice derefracción de la luz en algún punto enun gas es funcion de su densidad.Este produce un mapa de márgenes deinterferencia que se puedeninterpretar como líneas detemperatura constante.



ECUACION DE MOVIMIENTO Y NUMERODE GRASHOF

y Igual que en laconvección forzada elespesor de la capa limiteaumenta en la dirección

del flujo, pero, lavelocidad del fluido sehace cero en la parteexterior de la capadebido a que el fluidoque se encuentra masaallá de la capa limite estainmóvil.





EL NUMERO DE GRASHOF



Convección Natural SobreConvección Natural SobreSuperficiesSuperficies

La transferencia de calor por convección naturalsobre una superficie depende tanto de laconfiguración geométrica de dicha superficie comode la variación de temperatura que halla sobre esta y

de las propiedades termo físicas del fluido queinterviene en este proceso.



Por la complejidad del movimiento del fluido sehace difícil la obtención de expresiones

analíticas sencillas para la transferencia de caloren convección natural, pero por medio deestudios experimentales se llegan a unasexpresiones sencillas para las mas usadas.

las correlaciones empíricas para el numeropromedio de Nusselt es:



donde RaL es el número de Rayleigh

Los valores de las constantes C y n

dependen de la configuración geométricade la superficie y del régimen de flujo.

El valor de n suele ser de 1/4 para flujo

laminar 1/3 para el turbulento, y Cnormalmente es menor de 1.



Placas Verticales (Placas Verticales (TsTs = constante)= constante)

Aquí se presentan el número de Nusseltpromedio con su correspondienteintervalo de numero Rayleigh.

Nu Ra

para todo el intervalo

Todo esto con L igual a Lc.



Placas Verticales con flujo de calorPlacas Verticales con flujo de calorconstanteconstante

Para este caso se pueden utilizar las mismasrelaciones que para placas isotérmicassiempre y cuando se use la temperatura

TL/2..

Y TL/2.el cual es en el punto medio de laplaca y se determina por iteración.



Placas InclinadasPlacas Inclinadas

Se utilizan las mismas ecuaciones quepara placas verticales para la superficiesuperior de una placa fría y la superficie

inferior de una placa caliente.



Placa HorizontalPlaca Horizontal


Nu Ra

la Lc es As/p.



Cilindros VerticalesCilindros Verticales

En este caso se pueden tratar comoplacas verticales cuando el diámetro delcilindro es suficientemente grande. El cual

debe satisfacer esta condición:



Cilindros HorizontalesCilindros Horizontales


Nu Ra

y se toma D como la Lc.



EsferasEsferas


Nu Ra



CONVECCIÓN NATURAL DESDECONVECCIÓN NATURAL DESDESUPERFICIES CON ALETAS Y PCBSUPERFICIES CON ALETAS Y PCB

Enfriamiento por convección natural desuperficies con aletas (ts = kte)Enfriamiento por convección natural de PCBverticales (q = kte)Gasto de masa por el espacio entre placas



CONVECCIÓN NATURAL DESDECONVECCIÓN NATURAL DESDESUPERFICIES CON ALETAS Y PCBSUPERFICIES CON ALETAS Y PCB



Enfriamiento Por Convección NaturalEnfriamiento Por Convección Natural

De Superficies Con Aletas (Ts = Kte)De Superficies Con Aletas (Ts = Kte)

Numero de rayleigh

Dimensiones de unasuperficie

Con aletas orientadaverticalmete

Numero de Nusselt

Espaciamiento óptimo



Enfriamiento por convección natural deEnfriamiento por convección natural dePCB verticales (q = kte)PCB verticales (q = kte)

Numero de Nusselt

Diversas dimensiones de una

superficie con aletas, orientada

verticalmente

Espaciamiento óptimo

La velocidad de la trasferencia de calor



CONVECCIÓN NATURAL DESDE

SUPERFICIES CON ALETAS Y PCB

Enfriamiento por convección natural de

superficies con aletas (ts = kte)Enfriamiento por convección natural de PCBverticales (q = kte)Gasto de masa por el espacio entre placas



CONVECCIÓN NATURAL DESDE

SUPERFICIES CON ALETAS Y PCB



Enfriamiento Por Convección Natural De

Superficies Con Aletas (Ts = Kte)Numero de Rayleigh

Numero de Nusselt

Espaciamiento Optimo



Enfriamiento por convección natural de

PCB verticales (q = kte)Numero de Nusselt

Espaciamiento Optimo

La velocidad de la transferencia de calor







Convección Natural Dentro DeConvección Natural Dentro DeRecintos CerradosRecintos Cerrados

y Se habla de recintos cerrados siempreque se tenga un volumen que encierrealgún gas.

y Es importante conocer los fenómenosque en ellos ocurren durante latransferencia de calor pues existen

muchos casos prácticos en los cualesellos son aplicables.



CaracterísticasCaracterísticas

y Básicamente se pueden clasificar en:

Recintos cerrados verticales



Recintos cerrados horizontales

La forma de celdas que se aprecia

desaparece cuando Ra es mayor que 1708,para valores mayores a 3x105 el movimientodel fluido se vuelve turbulento.



El numero de Rayleigh para un recintocerrado se puede calcular como:

En donde las propiedades del fluido sedeben leer a la temperatura promedio del

mismo.



Conductividad Térmica EfectivaConductividad Térmica Efectiva

En un recinto cerrado el flujo de calor sepuede expresar como:

La razón de conducción estacionaria decalor de una a otro lado de una capa de

espesor Lc es:



Comparando las dos ecuaciones

anteriores podemos notar que:el fluido en un recinto cerrado secomporta como un fluido cuya

conductividad térmica es K Nu comoresultado de las corrientes de convección.

Kef =K Nu

a la cantidad K Nu se le llamaconductividad térmica efectiva.



Recintos Cerrados RectangularesRecintos Cerrados RectangularesHorizontalesHorizontales

y De acuerdo a resultados experimentalesse cuentan con las siguientes relacionesdentro de sus respectivos intervalos:



Recintos Cerrados RectangularesRecintos Cerrados RectangularesInclinadosInclinados

y Para placas inclinadas contamos con lassiguientes relaciones experimentales:

y Para relaciones de H/L<12 se aplican lassiguientes relaciones teniendo en cuentael critico.



Recintos Cerrados RectangularesRecintos Cerrados RectangularesVerticalesVerticales



CILINDROS CONCENTRICOS

y La razón entre la transferencia de calor en elespacio anular entre ellos y la unidad deconvección natural se expresa como:

)(

)ln(

20

0

.

i

i

ef T T

D D

k Q !

T



y

La relación recomendada para laconductividad térmica efectiva es:

y En donde el factor geométrico para loscilindros concéntricos, Fcil., es:

553

05

33

4

0

)(

)ln(

¼½»

¬-«

! D D L

D D

F

ic

i

cil

41

41

*Pr 861.0

Pr 386.0

a Lcil

ef R F

k

k ¹ º

¸©ª

¨

!



ESFERAS CONCENTRICAS

y Para esferas concéntricas isotérmicas la velocidad de latransferencia de calor a través de la brecha entre ellas porconvección natural se expresa como:

00

.

T T L

D Dk Q i

c

i

ef ¹¹ º

¸©©ª

¨! T



en donde es la longitud

característica. La relación recomendadapara la conductividad térmica efectiva es:

En donde el factor geométrico para lasesferas concéntricas, Fesf, es:

¹ º

¸©ª

¨

!

2

0 i

c

D D L

4/1

4/1

861.074.0

t esf

r

r ef Ra F

P

P

K

K

¹¹

º

¸©©

ª

¨

!

557

05

74

0 )()(

!

D D D D

Lc F

ii

esf



CONVECCION NATURAL YRADIACION COMBINADA

Los gases son casi transparentes para laradiación y, como consecuencia, latransferencia de calor a través de una

capa de gas, es por convección (oconducción, si el gas esta inmóvil) yradiación simultanea, así:

r ad convt otal QQQ...

!



La transferencia de calor por radiacióndesde una superficie Ts rodeada por una

superficie a una Talred se determina apartir de:

Cuando los efectos en los extremos son

despreciables, la transferencia de calorpor radiación entre dos placas grandesparalelas que se encuentra en lastemperaturas absolutas T1 y T2 se expresacomo:

)( 44.

alred s s T T AQ ! IW

)(111

)(4

2

4

1

21

4

2

4

1

.

T T AT T A

Q sefect iva

s!

! WI

II

W



En donde y son las emisividades de lasplacas y es la emisividad efectiva definida

como:

1I

2I

efect ivaI

111

1

21

!

II

I efect iva



CONVECCION NATURAL Y FORZADACONVECCION NATURAL Y FORZADACOMBINADASCOMBINADAS

Variación del numero local de nusselt, Un, para convección natural y forzada



Las convección natural puede mejorar o inhibir la transferencia de calor,dependiendo de las direcciones relativas del movimiento inducido por laflotación y el movimiento de convección forzada.



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