intercambiador de calor

1. MECANISMO FÍSICO DE LA CONVECCIÓN:

La transferencia de calor a través de un sólido siempre es por conducción, dado que las moléculas de un sólido de este tipo permanecen en posiciones relativamente fijas. Sin embargo, la transferencia de calor a través de un líquido o gas puede ser por conducción o convección. La transferencia de calor a través de un fluido es por convección cuando setiene un movimiento masivo de este último y por conducción cuando no existe dicho movimiento. Por lo tanto, la conducción en un fluido se puede concebir como el caso límite de la convección, correspondiente al caso de fluido en reposo (figura 1).


Figura 1: Transferencia de calor
de una superficie caliente hacia el fluido
circundante, por convección y conducción.

La transferencia decalor por convección es complicada por el hecho de que comprende movimiento del fluido así como conducción del calor. El movimiento del fluido mejora la transferencia de calor, ya que pone en contacto porciones más calientes y más frías de ese fluido, iniciando índices más altos de conducción en un gran número de sitios. Por lo tanto, la velocidad de la transferencia de calor a través de un fluidoes mucho más alta por convección que por conducción. De hecho, entre más alta es la velocidad del fluido, mayor es la velocidad de la transferencia de calor.
Para aclarar este punto todavía más, considere la transferencia de calor en estado estable a través de un fluido contenido entre dos placas paralelas que se mantienen a temperaturas diferentes, como se muestra en la figura 2. Lastemperaturas del fluido y de la placa son las mismas en los puntos de contacto debido a la continuidad de la temperatura. Si se supone que no hay movimiento del fluido, la energía de las moléculas más calientes de éste, cercanas a la placa, se transferirá a las moléculas adyacentes más frías del mismo. Entonces, esta energía pasa a la siguiente capa de las moléculas más frías del fluido, y asísucesivamente hasta que, al final, se transfiere a la otra placa. Esto es lo que sucede durante la conducción a través de un fluido. Ahora, mediante una jeringa, se extrae algo del fluido cercano a la placa caliente para inyectarlo cerca de la placa fría repetidas veces. El lector puede imaginar que esto acelerará de manera considerable el proceso de transferencia de calor, ya que algo de la energía selleva hasta el otro lado como resultado del movimiento del fluido.

Figura 2: Transferencia de calor a través
de un fluido comprimido entre dos placas
paralelas

Considérese el enfriamiento de un bloque caliente con un ventilador que sopla aire sobre su superficie superior. Se sabe que el calor se transfiere del bloque hacia el aire circundante más frío y que llega el momento en que elbloque se enfría. También se sabe que el bloque se enfría más rápido si se pone a funcionar el ventilador a una velocidad más alta. Si se reemplaza el aire por agua, incluso se mejora más la transferencia de calor por convección.

La experiencia muestra que la transferencia de calor por convección depende con intensidad de las propiedades de viscosidad dinámica µ, conductividad térmica k, densidadρ y calor específico cp del fluido, así como de la velocidad del fluido V. También depende de la configuración geométrica y aspereza de la superficie sólida, además del tipo de flujo del fluido (el que sea laminar o turbulento). Por lo tanto, se espera que las relaciones de la transferencia de calor por convección sean un tanto complejas debido a su dependencia de tantas variables. Esto no essorprendente, ya que la convección es el mecanismo más complejo de transferencia de calor.
A pesar de la complejidad de la convección, se observa que la razón de la transferencia de calor por este mecanismo es proporcional a la diferencia de temperatura y se expresa de manera conveniente por la ley de Newton de enfriamiento como:

(1)

o bien,...