Informe De Laboratorio Sobre Convección Forzada

1. Introducción
1.1 Convección
El proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura es conocido como Transferencia de Calor. En estos procesos el calor viaja desde un cuerpo de alta temperatura hasta una de temperatura más baja (Ley Cero de la Termodinámica), el calor setransfiere mediante tres vías particularmente únicas; convección, radiación o conducción.
La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. Esta no es más que una forma de transmisión del calor de un lugar a otro por movimiento de la materiacaliente. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de latemperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.
La transferencia de calor por convección depende de las propiedades del fluido, de la superficie en contacto con el fluido y del tipo de flujo. Entre las propiedades del fluido seencuentran: la viscosidad dinámica µ, la conductividad térmica k, la densidad ρ. También se podría considerar que depende de la viscosidad cinemática, puesto que ν=μρ. Entre las propiedades de la superficie que intervienen en la convección están la geometría y la aspereza. El tipo de flujo, laminar o turbulento, también influye en la velocidad de transferencia de calor por convección [1].

1.2Coeficiente Convectivo de Transferencia de Calor
En 1701, Sir Isaac Newton propuso la siguiente ecuación (1-1) para predecir la razón de transferencia de calor por Convección, Q, de una superficie sólida hacia el fluido que la rodea.
Ec. (1-1)

Q=hprom.A(Tw-T∞)



Donde:
hpromedio = coeficiente convectivo promedio de transferencia de calor. [Btu/h.pie2.ºF] o bien[W/m2.K].
A = área de la superficie para la transferencia de calor por convección, [pies2] o [m2].
Tw = temperatura de la superficie solida, [ºF] o [ºC].
T∞ = temperatura del fluido que se encuentra suficientemente lejos de la superficie sólida, tal que no le afecta la temperatura de la superficie, [ºF] o [ºC].

El coeficiente convectivo de transferencia de calor, h, que aparece en laecuación anterior representa el valor local. A diferencia de la conductividad térmica de una material, el coeficiente convectivo no es una propiedad. Su magnitud cambiará de un problema a otro, aun cuando puedan estar involucrados el mismo sólido y el mismo fluido en ambos problemas. El valor del coeficiente h, depende de una variedad de factores, tales como: velocidad, viscosidad, densidad,conductividad térmica y calor específico del fluido; geometría de la superficie; presencia de fuerzas de flotamiento; etc. Dicha dependencia tan amplia hace difícil llegar a una ecuación analítica para el coeficiente convectivo de transferencia de calor. Existen casos sencillos que permiten llegar a una solución analítica. Sin embargo, para la gran mayoría de problemas de interés práctico no es así y,por lo tanto, se confía en la determinación experimental empleando análisis dimensional [1].

1.3 Conducción en un cilindro hueco
Para condiciones de estado estacionario la razón de flujo radial de energía a través del volumen de un fluido que pasa por un tubo es constante e igual al suministro del calor interno. La razón de flujo de calor es:
Ec. (1-2)

[3]
Q=2πKL(Tf-Ti)lnrero...