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CONVECCIÓN
Convección natural

CONVECCIÓN NATURAL

En convección natural el flujo resulta solamente
de la diferencia de temperaturas del fluido en la
presencia de una fuerza gravitacional. La
densidad de un fluido disminuye con el
incremento de temperatura.

En un campo gravitacional, dichas diferencias
en densidad causadas por las diferencias en
temperaturas originan fuerzas deflotación. Por
lo tanto, en convección natural las fuerzas de
flotación generan el movimiento del fluido. Sin
una fuerza gravitacional la convección natural
no es posible. En convección natural una
velocidad característica no es fácilmente
disponible.

Corrientes convectivas adyacentes a placas verticales y
horizontales. (a) Un fluido adyacente a una superficie vertical
con temperaturauniforme. (b) La temperatura de la superficie
vertical es incrementada y se crean las corrientes convectivas.
(c) Una superficie horizontal calentada y encarada hacia arriba.
(d) Una superficie horizontal calentada y encarada hacia abajo.

El estudio de la convección natural se basa de dos
principios de la mecánica de fluidos: conservación
de masa, conservación de momento y del
principio determodinámica que es la conservación
de la energía.

Las ecuaciones de los principios mencionados se reducen al
tomar en cuenta las siguientes suposiciones:

En la convección natural se tiene un parámetro
llamado coeficiente volumétrico de expansión
termal, ß. Dicho coeficiente define la variación del
volumen cuando se cambia la temperatura, es
decir, la expansión de las partículaspara tener
convección natural.

De las tres ecuaciones diferenciales resulta el número
adimensional de Grashof, Gr, que sirve para determinar el
coeficiente de conectividad en convección natural.

El número de Grashof es similar al número de Reynolds, es decir,
tienen el mismo significado físico (relación de fuerzas de
movimiento entre fuerzas de resistencia o viscosas); el número
deGrashof es utilizado en convección natural mientras que el
número de Reynolds se emplea en convección forzada.

A través de los años se ha encontrado que los coeficientes
medios de transferencia de calor por convección natural
pueden representarse, para diversas situaciones, en la
forma funcional siguiente:

donde el subíndice f indica que las propiedades en los
grupos adimensionales seevalúan a la temperatura de
película

Superficies isotermas
Los números de Nusselt y Grashof en paredes verticales, se
forman con la altura de la superficie L como longitud
característica. La transferencia de calor en cilindros
verticales puede calcularse con las mismas relaciones de
las placas verticales si el espesor de la capa límite no es
grande comparado con el diámetro delcilindro.

El criterio general es que un cilindro vertical puede tratarse
como una placa plana vertical cuando

donde D es el diámetro del cilindro. Los valores de las
constantes para superficies isotermas, con las referencias
apropiadas para una consulta más amplia, se dan en la Tabla
7.1

Hay algunos indicios a partir del trabajo analítico de Bayley, de que
puede ser preferible la relaciónChurchill y Chu han dado relaciones más complicadas, que son
aplicables en un intervalo más amplio del numero de Rayleigh:

CILINDROS HORIZONTALES
Los valores de las constantes C y m se dan en la Tabla 7.1. Las
predicciones de Morgan (en la Tabla 7.1) son más fidedignas para
valores de Gr Pr del orden de 10m5. Churchill y Chu dan una
expresión más complicada, pero que puede utilizarseen un
intervalo más amplio de valores de Gr Pr:

Para metales líquidos, la transferencia de calor desde cilindros
horizontales puede calcularse, con:

PLACAS HORIZONTALES
Se indican que el mejor acuerdo con los datos experimentales
puede conseguirse calculando la dimensión característica con

donde A es el área de la superficie y P su perímetro. Esta
dimensión característica es...