prncipios de la transferencia de calor

Capítulo 5 L O S P R I N C I P I O S D E L A C O N V E C C I Ó N
En los capítulos anteriores se ha considerado el mecanismo y cálculo de la transferencia de calor por conducción. La convección sólo se ha tenido en cuenta en tanto en cuanto estaba relacionada con las condiciones de contorno impuestas en un problema de conducción. Ahora se desea examinar los métodos de cálculo de latransferencia de calor por convección y, en particular, las maneras de predecir el valor del coeficiente de transferencia de calor por convección, h. El tema de la transferencia de calor por convección requiere un balance de energía junto con un análisis
de la dinámica de fluidos de los problemas a los que afecta. La discusión de este capítulo tratará, primero, algunas de las relaciones sencillas de ladinámica de fluidos y del análisis de la capa límite que son importantes para una comprensión básica de la transferencia de calor por convección.
A continuación, se aplicará un balance de energía a la corriente y se determinará la influencia de la misma en los gradientes de temperatura dentro del fluido. Por último, habiendo obtenido una idea de la distribución de temperaturas, se podrá determinar elflujo de calor desde una superficie caliente hacia un fluido al que se ha forzado a moverse sobre ésta. El desarrollo de este capítulo es esencialmente de carácter analítico y únicamente interesan las configuraciones con convección forzada. Los capítulos siguientes presentarán relaciones empíricas para el cálculo de la transferencia de calor por convección forzada y tratarán también los temas dela convección natural y de la transferencia de calor en la ebullición y condensación.



5.2 flujo viscoso
Considérese la corriente sobre una placa plana, según se muestra en las Figuras 5.1 y 5.2. Comenzando en el borde de ataque de la placa, se desarrolla una región donde se hace notar la influencia de las fuerzas de
viscosidad. Estas fuerzas de viscosidad se describen en términos de unesfuerzo cortante entre las capas del fluido. Si se supone que este esfuerzo es proporcional al gradiente normal de la velocidad, se tiene la ecuación que define la viscosidad
La constante de proporcionalidad p se denomina viscosidad dinámica. La unidad típica es el newton-segundo por metro cuadrado; no obstante, para la viscosidad se usan otras unidades, y debe tenerse cuidado para seleccionar el grupoapropiado que sea consistente con la formulación en uso. A la zona de la corriente que se desarrolla desde el borde de ataque
de la placa, en la que se observan los efectos de la viscosidad, se la llama capa límite. Para designar la posición y en la que termina la capa límite, se utiliza un punto arbitrario; este punto se elige normalmente como la coordenada y donde el valor de la velocidad sehace el 99 por 100 del de la corriente libre. Al principio, el desarrollo de la capa límite es laminar, pero a una distancia crítica del borde de ataque, dependiendo del campo del flujo y de las propiedades del fluido, comienzan a amplificarse pequeñas perturbaciones dentro de la corriente, y tiene lugar un proceso de transición hasta que la corriente se hace turbulenta. La región de flujoturbulento
se puede imaginar como una zona de agitación al azar con partes de fluido moviéndose de acá para allá en todas direcciones. La transición de flujo laminar a turbulento tiene lugar cuando
donde u, = velocidad de la corriente libre x = distancia desde el borde de ataque 11 = p/p = viscosidad cinemática. Este agrupamiento de términos recibe el nombre de número de Reynolds, y es adimensional si seusa un conjunto de unidades coherente para todas las propiedades de cantidad de movimiento. Considérese la situación de flujo laminar.Las moléculas pueden moverse de una lámina a otra, llevando consigo una cantidad de movimiento correspondiente a la velocidad de la corriente. Hay un transporte neto de cantidad de movimiento desde regiones con alta velocidad a regiones con baja velocidad,...