macanica de fluidos

Universidad Nacional Aut´noma de M´xico
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Maestr´ en Ingenier´ (Sistemas Energ´ticos)
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Curso: Transferencia de Calor
M´dulo 3. Convecci´n de calor.
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Contents
1 Conceptos fundamentales y ecuaciones de balance
1.1 Ecuaci´n de conservaci´n de la masa . . . . . . . .
o
o
1.2 Ecuaci´n de balance de la cantidad de movimiento .
o
1.3 Ecuaci´n de balance de la energ´ . . .. . . . . . .
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1.4 Par´metros adimensionales . . . . . . . . . . . . . .
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. 8
. 17
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2 Convecci´n forzada sobre superficies exteriores
o
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2.1 Capa l´
ımite laminar sobre una pared plana . . . . . . . . . . . 28
2.1.1 Capa l´
ımite hidrodin´mica . . . . . . . . . . . . . . . . 28
a
2.1.2 Capal´
ımite t´rmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
e
3 Convecci´n forzada en el interior de tubos y ductos
o
3.1 Flujo en desarrollo hidrodin´mico . . . . . . . . . . .
a
3.2 Flujo en desarrollo t´rmico . . . . . . . . . . . . . . .
e
3.3 Transferencia de calor en el flujo de Couette . . . . .
3.4 Convecci´n forzada laminar en un tubo largo . . . . .
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1

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Objetivo: El alumno comprender´ los conceptos fundamentales del mecana
ismo de transferencia de calor por convecci´n as´ como las ecuaciones de
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balance que rigen su comportamiento. Comprender´ las diferencias entre la
a
convecci´n de calor sobre superficies planas y al interior de ductos e identio
ficar´ lospar´metros adimensionales que caracter´
a
a
ızan estos fen´menos. Ser´
o
a
capaz de analizar problemas de transferencia de calor por convecci´n utio
lizando las ecuaciones de balance.

1

Conceptos fundamentales y ecuaciones de
balance

En el m´dulo 1 mencionamos que el mecanismo de transferencia de calor por
o
convecci´n involucra el transporte de energ´ t´rmica mediante el movimientoo
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de un fluido ocasionado por una fuerza externa. Aclaramos que la fuerza
puede deberse a un gradiente de densidad ocasionado por diferencias de temperatura en el fluido, presentandose entonces lo que se conoce como convecci´n natural o libre. Por otra parte, hablamos de convecci´n forzada
o
o
cuando la fuerza es ocasionada por una diferencia de presi´n generada, por
o
ejemplo, por unabomba o un ventilador. Tambi´n mencionamos que el transe
porte convectivo de calor se da simult´neamente al transporte conductivo,
a
aunque normalmente alguno de los dos es el que domina. En este punto es
importante distinguir claramente la naturaleza de los mecanismos conductivo
y convectivo de transporte de calor. Una caracter´
ıstica esencial que distingue
a la conducci´n o difusi´n decalor de la convecci´n de calor en un material
o
o
o
homog´ eo e isotr´pico es que la primera se da sin presentar una direcci´n
n
o
o
preferencial mientras que en la segunda existe una direcci´n preferencial dada
o
precisamente por la direcci´n del flujo existente. Para comprender mejor esta
o
afirmaci´n, pensemos en un ejemplo sencillo.
o
Consideremos una esfera inmersa en un fluidoinicialmente en reposo,
siendo la temperatura de la esfera mayor que la del fluido, de modo que
existir´ un flujo de calor de la esfera hacia el medio circundante. Suponga
amos que las paredes del recipiente que contiene al fluido se encuentran muy
alejadas de la esfera. Ya que el fluido se encuentra en reposo, el mecanismo de transferencia de calor ser´ puramente conductivo, de hecho, en este
asituaci´n la transferencia de calor se dar´ de la misma manera que en un
o
a
cuerpo s´lido. Si nos preguntamos ahora qu´ forma tendr´n las isot´rmas en
o
e
a
e
el fluido, f´cilmente podremos convencernos de que ser´n esferas conc´ntricas,
a
a
e
2

Figure 1: a) Isotermas en un fluido en reposo con un s´lido circular a mayor
o
temperatura. b) Isotermas en un fluido en movimiento de...