Convección

III III.1

TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONVECCIÓN INTRODUCCIÓN

Es un hecho bien conocido que una placa de metal caliente se enfría más rápidamente si se coloca frente a un ventilador que si se expone al aire quieto. Se dice que el calor es disipado por convección y que el proceso de transferencia de calor es por convección. La convección es el término que se usa para describir la transferenciade calor desde una superficie a un fluido en movimiento. En contraposición con la conducción, la convección implica transporte de energía y de materia, por lo tanto, esta forma de transmisión de calor es posible solamente en los fluidos y es además característica de ellos. En el tratamiento de la transferencia de calor por convección, abordaremos dos ideas principales, una de ellas será comprenderlos mecanismos físicos de la convección y la otra introducirnos en los medios para llevar a cabo cálculos de transferencia de calor por convección, sin embargo no desarrollamos procedimientos analíticos, sino una visión general del fenómeno, planteando las ecuaciones básicas que se utilizan en los cálculos.

Convección libre o natural Existen dos tipos de convección: Convección forzada

En laconvección natural, la fuerza motriz procede de la variación de densidad en el fluido como consecuencia del contacto con una superficie a diferente temperatura, lo que da lugar a fuerzas ascensoriales. El fluido próximo a la superficie adquiere una velocidad debida únicamente a esta diferencia de densidades, sin ninguna influencia de fuerza motriz exterior. Ejemplos típicos son la transmisión decalor al exterior desde la pared o el tejado de una casa en un día soleado sin viento, la convección en un tanque que contiene un líquido en reposo en el que se encuentra sumergida una bobina de calefacción, el calor transferido desde la superficie de un colector solar en un día en calma, etc. La convección forzada tiene lugar cuando una fuerza motriz exterior mueve un fluido sobre una superficieque se encuentra a una temperatura mayor o menor que la del fluido. Esa fuerza motriz exterior puede ser un ventilador, una bomba, el viento, etc. Como la velocidad del fluido en la convección forzada es mayor que en la convección natural, se transfiere, por lo tanto, una mayor cantidad de calor para una determinada temperatura.

ENERGÍA SOLAR – Transferencia de calor - 31

III.2

ELPROBLEMA DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN. LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON

Considere la condición de flujo de la figura 1. Un fluido con velocidad u∞ y temperatura T∞ fluye sobre una superficie de forma arbitraria y de área As . Se supone que la superficie está a una temperatura uniforme, Ts , y si Ts ≠ T∞ , sabemos que ocurrirá una transferencia de calor por convección, y el flujo local decalor se expresará utilizando la ley de enfriamiento de Newton que se puede enunciar como:

Figura 1

Efecto de la transferencia de calor sobre una placa plana (convección forzada)

El flujo de calor transmitido por convección entre una superficie y un fluido que esté en contacto con ella, en dirección normal a la misma, para pequeñas diferencias de temperaturas, es proporcional a dichadiferencia de temperatura.
q = h (Ts − T∞ )

(1)

en la que: h es el coeficiente de transmisión del calor por convección, en W / m2 K , q es el flujo de calor por unidad de área superficial en contacto con el fluido en W m2 , Ts es la temperatura de la superficie y T∞ es la temperatura del fluido no perturbado.

La ecuación anterior, independientemente que la convección sea natural o forzada,sirve como definición del coeficiente de convección h . Su valor numérico se tiene que determinar analítica o experimentalmente. Como las condiciones de flujo varían de punto a punto sobre la superficie, q y h también varían a lo largo de la superficie. La transferencia de calor Q se obtiene integrando el flujo local q sobre toda la superficie. Es decir,

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