Capa Limite

X.- TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONVECCIÓN CAPA LIMITE TÉRMICA E HIDRODINÁMICA
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X.1.- INTRODUCCIÓN Antes de entrar en la metodología que permite determinar el coeficiente de transferencia de calor por convección hC, examinaremos con cierto detalle el proceso y fenomenología de la convección, así como su relación con el movimiento del fluido. Si a título de ejemplo sesupone una placa plana sobre la que fluye una corriente fluida, lo primero que se observa es que la velocidad del fluido disminuye a medida que nos aproximamos hacia la superficie de la misma, como consecuencia de las fuerzas de viscosidad. Como la velocidad de la capa de fluido en contacto con la pared es cero, upF = 0, la transferencia de calor entre la superficie y esta capa de fluido estáoriginada únicamente por conducción, cumpliéndose que:
qC = - kF dT 〉 y=0 = hC (TpF - TF ) dy

y aunque ésto sugiere que el proceso térmico pudiera considerarse como de conducción, lo cierto es que el gradiente de temperaturas en la superficie dT 〉 y=0 viene determinado por la velocidad a que puede ser
dy

transportada la energía por el fluido más alejado de la pared hacia el interior de lacorriente principal, por lo que el gradiente de temperaturas en la superficie del sólido depende del campo de flujo, de forma que las velocidades más elevadas son las que originan mayores gradientes de temperatura y mayores velocidades de transferencia de calor. No obstante, hay que tener presente la conductividad térmica kF del fluido que está interviniendo directamente; para el caso del agua, elvalor del coeficiente kF es de un orden de magnitud mayor que el del aire, lo que implica el que el coeficiente de transferencia térmica por convección sea también mayor en el caso del agua, que en el caso del aire. La situación es muy parecida cuando se estudia la convección libre; la diferencia principal radica en que en el caso de la convección forzada, la velocidad tiende hacia el valor de lacorriente sin perturbar impuesta por una fuerza exterior, mientras que en la convección libre la velocidad crece al principio, a
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medida que va aumentando la distancia desde el plano, debido a que el efecto de la viscosidad disminuye más rápidamente que la variación de densidades, que lo hace más lentamente; sin embargo, la fuerza ascensional disminuye cuando la densidad del fluido seacerca al valor de la del fluido que lo rodea; ésta es la causa de que la velocidad alcance un valor máximo y tienda a cero bastante lejos de la superficie caliente. La distribución de temperaturas en la convección forzada y libre tienen formas análogas y en ambos casos el mecanismo de transferencia de calor en la interfase (fluido/sólido) es la conducción. El coeficiente de transferencia de calor porconvección hC depende, en general, de algunas propiedades inherentes al flujo del fluido, como son su densidad, viscosidad y velocidad, y de sus propiedades térmicas (conductividad y calor específico): hC = f ( ρ , η , u, kF , c p ) Mientras que en la convección forzada la velocidad del fluido viene impuesta normalmente por la acción de una bomba o un ventilador, y puede especificarsedirectamente, en la convección libre la velocidad depende de una serie de factores como son: - La diferencia de temperaturas entre la superficie y el fluido, TpF - TF - El coeficiente de dilatación térmica del fluido β (que determina la variación de su densidad por unidad de diferencia de temperaturas), por cuanto: v = v F {1 + β ( T - TF )} ;

ρF = 1 + β ( T - TF ) ρ

- El campo de fuerzas exteriores queactúan sobre el sistema que, en la mayoría de las situaciones, se reduce únicamente al campo gravitatorio g. Para adquirir una cierta comprensión del significado de los parámetros que intervienen en la convección forzada, se puede examinar con mayor detalle el campo de fuerzas; así, para una placa plana inmersa en una corriente fluida, el flujo a diversas distancias del borde de ataque de la...