Conveccion forzada

INTRODUCCIÓN


Fundamentos de convección
forzada
Hasta ahora se ha supuesto conocido el coeficiente de transferencia de calor h en
todos los análisis que hemos realizado. Sin embargo, con frecuencia la mera determinación
de tal coeficiente implica un problema complejo. Por ello en este capítulo
se examinan algunos métodos para predecir en una situación concreta el valor
del coeficientede transferencia de calor en convección forzada. En primer lugar,
se destacará la relación física que hay entre el proceso de transferencia de energía
y el movimiento del fluido. Como resultado de este análisis de tipo fundamental
podremos desarrollar correlaciones analíticas para la determinación del coeficiente
h. No obstante, posteriormente será obvio que, dada la complejidad que
implicanlos procesos, no siempre pueden obtenerse soluciones analíticas para
numerosos problemas de interés práctico. Por consiguiente, en estos casos es menester
recurrir a diferentes correlaciones experimentales para obtener la información
necesaria. Tales correlaciones empíricas se expresan en forma de gráficas o
de expresiones matemáticas. Aquí sólo presentaremos algunas de las correlaciones
máscomunes; sin embargo, para una mayor información el lector podrá acudir a
bibliografía especializada.
5.1. Transferencia de calor en una placa plana
con convección forzada en régimen laminar
Considérese el flujo de un fluido sobre una placa plana como se muestra en el
esquema de la figura 5.1 . Ahí se observa que, como resultado de los efectos viscosos,
la velocidad relativa del fluido en lainterfase es igual a cero. Por otra parte,
esta velocidad aumenta én forma progresiva conforme se incrementa la distancia
y, hasta un punto en que las fuerzas viscosas de corte son prácticamente insignificantes.
La región próxima a la placa en donde se experimentan los efectos viscosos
se conoce como capa límite hidrodinámica. Por lo general, su espesor, que
171
http://gratislibrospdf.com/172 5. Fundamentos de convección forzada
es muy pequeño, lo especifica la coordenada y, donde la velocidad del fluido
alcanza 99% de la velocidad de corriente libre Uooo
Este concepto de capa límite fue una aportación de Prandtl y en esencia divide
el campo de flujo en dos regiones: una capa muy delgada en donde las fuerzas viscosas
de corte son significativas y úna región exterior donde losefectos viscosos
son prácticamente despreciables.
Como en el caso de la capa límite hidrodinámica, los gradientes de temperatura
en el fluido también se hallan confinados a una región próxima a la superficie
de la placa, por lo que puede definirse en forma análoga una capa límite térmica
como se muestra en la figura 5.2.
Inicialmente, el desarrollo de la capa límite a lo largo de la placaes laminar,
es decir, el fluido se desplaza a lo largo de láminas y sus partículas siguen una
sucesión ordenada y continua sin cruzarse unas con otras. Sin embargo, a cierta
distancia crítica Xc> que depende del campo de flujo y de las propiedades del fluido,
empiezan a experimentarse pequeñas perturbaciones que se amplifican a medida
que aumenta la distancia. Como consecuencia, se presenta unproceso de transición
hasta que el flujo se toma completamente turbulento.
Esta transición de régimen laminar a turbulento no es abrupta y depende de las
condiciones de rugosidad de la superficie y del nivel de turbulencia en la corriente
libre del fluido. Por lo general, para una placa plana se establece como criterio de
transición para propósitos de análisis el que xcu~ pi J1 seaaproximadamente igual a
5 x lOs. Este grupo adimensional de variables que constituye un cociente de fuerzas
inerciales a fuerzas viscosas recibe el nombre de número de Reynolds. Esto es,
(5.1)
u (x, y)
Figura 5.1. Capa límite hidrodinámica.
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5.1. Transferencia de calor en una placa plana con convección forzada en régimen laminar 173
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Figura...