Transferencia De Calor Por Conveccion

1.3.- Conveccion



1.3.1. Generalidades

El estudio del fenómeno de la convección es más complejo ya que involucra el movimiento natural o forzado del fluido.

Igualmente puede ocurrir transferencia de calor en forma simultánea con transferencia de masa o con cambio de estado (entre fase de vapor y fase líquida o viceversa). De ahí la importancia de un adecuado conocimiento sobre lamecánica de fluidos y el establecimiento de condiciones dadas de la conservación de momentum, masa y energía.

En gran número de casos, la transferencia de calor en que intervienen líquidos o gases, ocurre por el mecanismo de convección.

En la Industria de Alimentos, innumerables procesos implican la transferencia de calor de líquidos o gases a través de paredes sólidas a otros líquidos o gases enprocesos como esterilización en intercambiadores de calor, destilación en torres, condensación de vapores en serpentines, calentamientos en ollas o marmitas con camisas o serpentines de vapor, etc.

La transferencia de calor en los fluidos ocurre por mezcla o turbulencia, eventos que pueden ser naturales, por cambios en la densidad del fluido o forzados por aparatos como bombas, ventiladores,etc. Para este segundo caso el mecanismo de convección forzada puede estar en flujo laminar o turbulento acorde al Número de Reynolds, como se ha visto en el flujo de fluidos.

En la figura 1-32 se representan los gradientes de temperatura para un flujo estacionario de calor por conducción y convección entre dos fluidos separados por una superficie sólida (la pared de un tubo, una lámina, etc.)de espesor X.

Teniendo el flujo caliente a una temperatura T1, el calor fluye hasta el fluido frío que se encuentra a una temperatura T2

Cuando se tiene un flujo turbulento en una tubería en las proximidades de las paredes o superficie de la tubería, la velocidad del fluido es aproximadamente cero; existe una zona relativamente estática o quieta del fluido en contacto con la pared. Esta zonase denomina película y una considerable cantidad de la caída de temperatura entre la superficie de la tubería y el fluido ocurre en la película, como se representa en la figura 1-32.



FIGURA 1-32

Caída de temperatura en películas sobre paredes de una tubería



Para facilitar el entendimiento y por consiguiente los cálculos de transferencia de calor en flujo turbulento bajocondiciones isotérmicas, se asume un flujo laminar de la película del fluido y la nueva capa límite se define para un número crítico de Reynolds.

En los flujos laminares a menudo se asume que el gradiente o caída de temperatura ocurre totalmente en la película; sin embargo, por la ausencia de mezcla en el cuerpo principal del fluido esta suposición puede causar errores sustanciales.

Con estasconsideraciones la temperatura del fluido caliente T1 baja a T2 en la superficie exterior de la película, y pasa a T3 en la superficie interior que está en contacto con la pared.

En los cálculos de transferencia de calor es conveniente usar una temperatura del fluido, cercana a la más alta, T1, y no la temperatura exterior de la película T2 ; puede emplearse una temperatura media entre T1 y T2,considerando que existe una mezcla total y absoluta en el fluido. Esta temperatura se representa por las líneas punteadas Tn

Igual consideración puede hacerse en el fluido frío y la temperatura escogida Tm será la media entre T5 y T6.

Como se mencionaba, en la película ocurre una amplia caída de temperatura y se llega a T3 en la superficie interna de la película, y es la misma temperatura de lapared sólida. En un mecanismo estrictamente de conducción la temperatura llega a T4 en la superficie exterior de la pared sólida. La caída de dicha temperatura en la pared sólida, T4-T3 se determina empleando la conductividad térmica del material y en la mayoría de los casos es una pequeña fracción de la caída total de temperatura en el sistema.

En la práctica las temperaturas de las...