Lab esfera de cobre

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PARTE 6
TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN
EN ESTADO ESTABLE
Previo a entrar a los cálculos de la Convección, revisemos los conceptos del principio del curso.

El estudio de la Convección tiene sus orígenes en Isaac Newton, quien en el año de 1701 la
presentó como la “Ley de Enfriamiento de Newton”.
Esta Ley es usada para determinar las velocidades de transferencia de calorconvectivo, y está
dada por:

q

=

h

A ∆T

Donde:
A:

Área de la interfase entre un sólido y el fluido, o entre 2 fluidos (p.ej. aire y agua);

∆T :

Diferencia de Temperaturas entre:
Tw : Temperatura de la Interfase o Superficie ( Ts , T1 , T2 , ... ) , y
T∞ : Temperatura Ambiente ( Ti , To )

h:

Coeficiente Convectivo (también llamado Coeficiente Superficial de Transferenciade
Calor, o Conductancia Superficial, o Coeficiente de Película).
Las unidades de h son:
 Btu 


2
 h ft ° F 
 W 
 2

 m °C 

S .Inglés , o

S .I .

La Ley de Enfriamiento de Newton es usada para calcular las velocidades de Transferencia de
Calor tanto en Convección Forzada como en Convección Natural, aunque la expresión para
determinar el Coeficiente Convectivo serádiferente.
© Alex Köng – 2013
Universidad del Valle de Guatemala

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Obsérvese que si las Temperaturas de la superficie y del fluido son diferentes, existirá una región
en el fluido a través de la cual la temperatura variará desde una Ts , hasta una T∞ . Esta región
de transición es llamada “Capa Límite Térmica”. Obviamente, si Ts >T∞ , entonces la
convección ocurrirá entre la superficiey el fluido.

Típicamente, la energía que se transfiere durante el proceso de convección es energía sensible
del fluido.
Sin embargo, hay también muchos otros procesos en donde existe un intercambio de calor
latente. Esta transferencia de calor está generalmente asociada con un cambio de fase entre el
estado líquido y gaseoso del fluido. Dos casos típicos de interés son la ebullición y lacondensación. Estas dos operaciones las veremos más adelante.
Algunos valores típicos del Coeficiente de Transferencia de Calor por Convección son:

PROCESO
CONVECCIÓN LIBRE (NATURAL)
- De Gases
- De Líquidos
CONVECCIÓN FORZADA
- De Gases
- De Líquidos
CONVECCIÓN CON CAMBIO DE FASE
- Ebullición o Condensación

h [W / m2 °C ]
2 – 25
50 – 1000
25 – 250
50 – 20,000
2,500 – 100,000Con frecuencia, en la práctica se calculan los coeficientes de T.d.C. por convección a partir de
correlaciones de datos experimentales, ya que las ecuaciones diferenciales que rigen la
convección sólo tienen solución analítica para los flujos más sencillos.
En general, h dependerá de las condiciones de la capa límite, de la geometría de la superficie,
de la naturaleza del fluido enmovimiento, y de las propiedades termodinámicas y de transporte
del fluido.

© Alex Köng – 2013
Universidad del Valle de Guatemala

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CONVECCIÓN Y CONDUCCIÓN
La mayoría de las veces, el fenómeno de la convección ocurre acompañado de la conducción.
En estos casos, cuando se desea determinar la velocidad global de transferencia de calor, el
Coeficiente de Convección ( h ) se reemplaza por unCoeficiente Global de Transferencia de
Calor ( U ) , de la siguiente manera:
q

=

U

A ( ∆TGLOBAL )

En donde:
(∆TGLOBAL) :

Diferencia Global de Temperaturas ;

A:

Área a través de la que fluye el calor ;

U:

Coeficiente Global de T.d.C.
Las unidades son las mismas que para h :
 Btu 


2
 h ft ° F 
 W 
 2

 m °C 

S .Inglés

S .I .

© Alex Köng – 2013Universidad del Valle de Guatemala

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El primer ejemplo que consideraremos es el de una pared plana que separa a dos fluidos que
están a diferente temperatura: Un lado está expuesto a un fluido i a una temperatura Ti ,
mientras que el otro lado está expuesto a otro fluido o a una temperatura menor To . La pared
tiene, como siempre, un grosor ∆x .

En la mayoría de los casos prácticos,...