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Convección y radiación combinada


















OBJETIVOS
INTRODUCCIÓN
Se mencionó que existen tres mecanismos básicos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. La conducción y la convección son semejantes pues requieren la presencia de un medio material, pero difieren en que la convección requiere la presencia del movimiento de fluidos.
La convección es el modo detransferencia de energía entre una superficie sólida y el líquido o gas adyacentes que están en movimiento y comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento de fluidos. Entre más rápido es el movimiento de un fluido, mayor es la transferencia de calor por convección.
La convección recibe el nombre Figura 1.2
de convección forzada si el fluido es forzado a fluir sobre la superficiemediante medios externos como un ventilador, una bomba o el viento. Como contraste, se dice que es convección natural (o libre) si el movimiento del fluido es causado por las fuerzas de empuje que son inducidas por las diferencias de densidad debidas a la variación de la temperatura en ese fluido.

A pesar de la complejidad de la convección, se observa que la rapidez de la transferencia de calor porconvección es proporcional a la diferencia de temperatura y se expresa en forma conveniente por la ley de Newton del enfriamiento como:
Ec.1

Donde:


Ts = Es la temperatura de la superficie.
T a= Es la temperatura del ambiente.
Convección natural
La convección natural en los gases suelen estar acompañada por la radiación demagnitud similar. El movimiento que resulta del remplazo continuo del aire calentado que está en la vecindad de la superficie por el aire más frio cercano se llama corriente de convección natural y la transferencia de calor que se mejora como resultado de esta corriente se llama transferencia de calor por convección natural.
La convección natural es tan eficaz en el calentamiento de superficiesfrías en un medio ambiente más caliente, como lo es el enfriamiento de superficies calientes en un medio ambiente más frío. En un campo gravitacional existe una fuerza neta que empuja hacia arriba un fluido ligero en uno más pesado, la fuerza hacia arriba ejercida por un fluido sobre un cuerpo sumergido completa o parcialmente en él se llama fuerza de flotabilidad, o de empuje hidrostático, o deflotación.
En los estudios de transferencia de calor la variable principal es la temperatura y resulta conveniente expresar la fuerza neta de flotabilidad en términos de las diferencias de temperatura. Pero esto requiere que se exprese la diferencia de densidades en términos de diferencias de temperatura, para lo cual se necesita el conocimiento de una propiedad que represente la variación de ladensidad de un fluido con la temperatura a presión constante. La propiedad que proporciona esa información es el coeficiente de expansión volumétrica β, definido como:
Ec.2
El coeficiente de expansión volumétrica β de un gas ideal a una temperatura T es equivalente a la inversa de la temperatura.Ec. 3
Numero de Nussetl.
El número de Nusselt, que se define como.
Ec. 4
Donde:
k= es la conductividad térmica del fluido.
Lc= es la longitud característica.
El número de Nusselt representa el mejoramiento de la transferencia de calor a través de una capa de fluido comoresultado de la convección en relación con la conducción a través de la misma capa. Entre mayor sea el número de Nusselt, más eficaz es la convección.

Número de Prandtl
La mejor manera de describir el espesor relativo de las capas límite de velocidad y térmica es por medio del parámetro número de Prandtl adimensional, definido como:


Donde:
μ = viscosidad dinámica.
Cp = es el calor específico...