Coeficiente de transferencia de calor por convección
Conceptos
-hh, coeficiente individual de transmisión de calor en el fluido caliente.
-hc, coeficiente individual de transmisión de calor en el fluido frío (Doran, 1995).
Dependen del espesor de las capas límite de los fluidos (Doran, 1995).
En función
Del número de Reynolds (Re) en la convección forzada y del de Grashof (Gr) en la convección natural (Cengel, 2007).
Requiere
Soluciones numéricas o investigaciones experimentales.
Conjuntos de velocidades, longitudes de superficies, temperaturas de pared y temperaturas de la corriente libre.
Transferencia de calor por convección
Cálculo
Donde
Se obtiene la misma información al agrupar los datos en los números adimensionales Re y Pr (Cengel, 2007).
A su vez, dependen de la velocidad del fluido: entre más alta sea ésta más alto es el coeficiente (Cengel, 2007) y de propiedades como: viscosidad y la conductividad térmica (Doran, 1995).
En la convección natural los coeficientes suelen ser más bajos que los hallados en la convección forzada.
-h, coeficiente de transferencia de calor por convección.
-As, área superficial de transferencia de calor.
-Ts, temperatura superficial.
-T, temperatura de la corriente libre.
Parámetro Gr/Re^2
Cálculo
Depende de la configuración del equipo de transmisión de calor, de las condiciones de flujo e incluso, de la geometría del flujo de fluido (Doran, 1995).
Distintas ecuaciones en relación a la geometría del flujo de los fluidos caliente y frío.
En flujos en tuberías o recipientes agitados se calculan mediante correlaciones empíricas.
Números adimensionales
Forma general de las correlaciones es el número de Nusselt (Nu)
En función del número de Reynolds (Re) o Reynolds de rodete (Rei), del número de Prandtl (Pr) y el número de Grashof (Gr) para transmisión de calor.
Nusselt
-Contiene el coeficiente de transmisión de calor h.
-Relación existente entre las velocidades de transmisión de calor por convección y por conducción.
Parámetros
-h, coeficiente individual de transmisión de calor.
-D, diámetro de la tubería o del tanque.
-kfb, conductividad térmica del fluido.
-u, velocidad lineal del fluido en la tubería.
-ρ, densidad media del fluido.
-μb, viscosidad del fluido.
-Ni, velocidad de giro del rodete.
Grashof
-Relación entre las fuerzas viscosas y las de gravitación.
-Aparece en las correlaciones cuando el fluido no se encuentra bien mezclado (densidad no uniforme y la convección natural mecanismo importante de transmisión de calor) (Doran, 1995).
Flujos en tuberías o recipientes agitados
Flujo por el interior de tuberías sin cambio de fase
Flujo por el exterior de tuberías sin cambio de fase
Prandtl
-Relación entre la transferencia de cantidad de movimiento y la transmisión de calor.
-En fluidos newtonianos, constantes físicas son independientes de las condiciones de flujo.
Importancia de la convección natural en relación con la forzada (Cengel, 2007).
Líquidos agitados
Convección forzada en tuberías.
Válida para calentamiento y el enfriamiento de líquidos con viscosidad similar a la del agua (Doran, 1995).
Condiciones
Para líquidos muy viscosos.
Grado de turbulencia depende de la disposición geométrica de los tubos y de las placas deflectoras (Cengel, 2007).
Fluidos perpendiculares a una bancada de tubos de más de diez filas (Doran, 1995).
Condiciones
Donde C=0.33 para tubos al tresbolillo y C=0.26 para tubos alineados.
Remax es el número de Reynolds
D en el Nu se toma generalmente como el diámetro exterior de la tubería.
-Grado de turbulencia es considerablemente inferior para tubos alineados que en tubos al tresbolillo.
-Área de flujo a través de una bancada de tubos al tresbolillo varía continuamente por lo resulta difícil de analizar.
Donde
Parámetros
-Di, diámetro del rodete.
-Cp, calor específico medio del fluido.
-g, aceleración de la gravedad.
-β, coeficiente de expansión térmica del fluido.
-∆T, variación de temperatura del fluido en el sistema.
-L, longitud de la tubería.
-μw, viscosidad del fluido en la pared.
Depende del grado de agitación y de las propiedades del fluido (Doran, 1995).
Transmisión de calor hacia o desde un serpentín helicoidal inmerso en el tanque.
Donde
Si se utiliza una camisa.
-Rei, Reynolds de rodetes.
-D, diámetro interior del tanque.
-Viscosidad de la pared μw, igual a la viscosidad del resto del fluido μb (fluidos de baja viscosidad).
-D, diámetro exterior de la tubería.
-u, velocidad máxima del fluido basada en el área mínima libre para la circulación del fluido.
Elaborado por: Erazo, J. (2021).