Principios de conveccion transferencia de calor

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Capítulo 3 Los principios de la convección
3.1 Introducción
El desarrollo en esta unidad estará dirigido esencialmente hacia las configuraciones para una convección forzada. Se presentaran relaciones empíricas para el cálculo de la transferencia de calor por convección forzada, natural y en procesos de ebullición y condensación.
3.2 Flujo viscoso
En la región donde se hacen notar lasfuerzas de viscosidad estas se pueden describir en términos de un esfuerzo cortante entre las capas del fluido. Si se supone que este esfuerzo es proporcional al gradiente normal de la velocidad, se tiene que la ecuación que define la viscosidad será:
τ=μ ∂u∂x Ecuacion 3.1
Donde:
μ=viscosidad dinamica. N∙sm2 puede tener otras unidades
A la zona que se desarrolla desde el bordede ataque de la placa (0,0), en la que se observan los efectos de la viscosidad, se le llama Capa Limite.
Se puede apreciar que al inicio el desarrollo de la capa limite es laminar, pero al avanzar y acercarse a una región critica del borde de ataque, comienzan a percibirse cambios dentro de la corriente, el cual dará lugar a un proceso de transición hasta que la corriente se convierta aturbulenta. La región de flujo turbulento puede imaginarse como una zona donde el fluido se mueve en todas direcciones. La transición de flujo laminar a turbulento tiene lugar cuando:
u∞xγ=ρu∞xμ>5x105

donde:
u∞=velocidad de la corriente libre.
x=distancia desde el borde de ataque.
γ= μρ=viscocidad cinemática.
Este agrupamiento de términos recibe el nombre de número de Reynolds y esadimensional.
Rex=u∞xγ Ecuacion 3.2
El número critico de Reynolds para la transición en una placa plana se toma generalmente como 5x105, el valor critico en una situación práctica depende fuertemente e las condiciones de rugosidad de la superficie y del nivel de turbulencia de la corriente libre.
Los perfiles de velocidades en flujo laminar es aproximadamente parabólico, mientras que elperfil turbulento tiene una parte cercana a la pared que esta muy próxima a la linealidad.
El mecanismo físico de la viscosidad es un mecanismo de intercambio de cantidad de movimiento. Considerando un flujo laminar, las moléculas pueden moverse de una lamina a otra, llevando consigo una cantidad de movimiento correspondiente a la velocidad de la corriente, hay un movimiento general desde lasregiones de alta velocidad a regiones de baja velocidad, creándose así una fuerza en la dirección de la corriente, fuerza debida al esfuerzo viscoso calculado con la ecuación (3.1).
La rapidez a la que tiene lugar la transferencia de la cantidad de movimiento, depende de la rapidez a la que se mueve las moléculas a través de las capas del fluido.
En la región de flujo turbulento ya no seobservan capas distintas y se pueden obtener una imagen cualitativa del proceso de flujo turbulento imaginando trozos macroscópicos de fluido transportando energía y cantidad de movimiento, en vez del transporte microscópico basado en las moléculas individuales. Es decir que la mayor masa de los elementos macroscópicos de fluido transportasen mas energía y cantidad de movimiento que las moléculasindividuales, así como mayor fuerza debida al esfuerzo viscoso en el flujo turbulento que en el laminar.
3.3 Flujo no viscoso
En la vida real ningún fluido es no viscoso, pero en algunos casos se puede tratar el fluido como tal. En estas circunstancias se pueden aplicar ciertas ecuaciones. Considerando la placa plana, a una distancia lo suficientemente grande de la placa, la corriente secomportará como un sistema de flujo no viscoso. La razón de este comportamiento es que los gradientes de velocidad normales a la dirección de la corriente son muy pequeños y, por tanto, las fuerzas debidas a los esfuerzos viscosos son pequeñas. Si se hacen algunos artificios matemáticos podemos utilizar la ecuación de Bernoulli para el flujo a lo largo de una línea de corriente resultando en:...
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