transmision de calor

Convección

Tema 3. Apuntes

TEMA 3. CONVECCION
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
3.7.
3.8.

Movimiento de un fluido. Flujos laminar y turbulento
Capa límite de velocidad y capa límite térmica
Convección libre y forzada
Parámetros adimensionales
Fórmulas empíricas para flujos externos e internos
Transmisión de calor combinada: Conducción y Convección
Intercambiadores de calorTransmisión de calor en superficies con aletas

3.1.

MOVIMIENTO DE UN FLUIDO

La convección es una forma de transmisión del calor consistente en el transporte de energía
por el movimiento de un fluido cuando existe un gradiente de temperaturas. La transferencia
de calor por convección se compone de dos mecanismos: transferencia de energía debida al
movimiento molecular aleatorio (difusión)y transferencia de energía mediante el movimiento
global (macroscópico) del fluido (advección).
Convección = difusión + advección
Predomina sobre la conducción según sean las propiedades del fluido y la naturaleza de su
movimiento. Distinguiremos entre convección libre o natural (producida por gravedad) y
convección forzada (asociada a movimientos del fluido producidos artificialmente).REPASO DE LAS ECUACIONES QUE DESCRIBEN EL MOVIMIENTO DE UN
FLUIDO:


1. Ecuación de continuidad
 div  u   0 (Sin restricciones)


div u0
(Fluidos incompresibles)

u = velocidad del fluido
 = densidad
2. Fluidos perfectos
Ecuaciones de Euler del movimiento




 u 1
 
du  1 
 f  p  a 
 gra d u 2  rot u   u 
 2
d


donde f = fuerzasexternas por unidad de masa

1

f  gra d p


3. Fluidos viscosos
Fluido newtoniano: las fuerzas tangenciales vienen dadas por la ley de Newton

du
 F  η S.
dy
donde  = viscosidad dinámica. Unidades SI: kg m-1 s-1

M. Camarasa, J.M. García

Dpto. Física Aplicada. EUITI (ene2013)

u+du
u
dx

1

Convección

Tema 3. Apuntes

Poise =

=

g
cm s


= viscosidadcinemática. Unidades SI: m2 s-1 ;


Stokes = cm2/s

Ec. de Navier-Stokes (fluidos viscosos newtonianos e incompresibles)



du  1 

 f  p   2 u ; si la fuerza externa es la gravedad queda:
d






du

   g k  grad p    2 u
d
Pero si en el movimiento de un fluido hay además torbellinos (turbulencias), esto hace
que el estudio analítico de sumovimiento sea casi imposible.
Recurriremos a los números adimensionales, que son agrupaciones de parámetros
físicos que intervienen en el problema y que sirven para caracterizar el flujo y para establecer
analogías entre situaciones diferentes.
FLUJOS LAMINAR Y TURBULENTO
Flujo laminar: Flujo de un fluido con desplazamiento de sus elementos o partículas según
trayectorias paralelas.
Flujoturbulento: Flujo de un fluido con desplazamiento de sus elementos o grupos de
moléculas en direcciones distintas al movimiento medio.

El valor del nº de Reynolds (Re) nos indica si el régimen es laminar o turbulento. Por encima
de cierto valor crítico del nº de Reynolds el flujo pasa a ser turbulento. Por ejemplo, en el
flujo por el interior de un tubo, la transición de flujo laminar aturbulento se produce cuando
Rec  2300 y por encima de 4000 el flujo es totalmente turbulento. Los valores críticos son
distintos en general para otras geometrías o para flujo externo.
uL
Re 
, donde u = velocidad, = viscosidad cinemática, L = longitud característica

Significado físico de Re
du
du dx
u2
f inercia  

.

d
dx d
L
2
2
  u  u  2u 
u
2
f vis cos a   u    2 
 2   2
2
x

y
z 
L

Re =

f inercia u L  u L


f vis cos a



M. Camarasa, J.M. García

Dpto. Física Aplicada. EUITI (ene2013)

2

Convección

Tema 3. Apuntes

El comportamiento de los fluidos (campo de velocidades y de presiones) en dos situaciones
distintas, 1 y 2, será análogo siempre que Re1 = Re2 cualquiera que sean los valores...