transferencia de calor

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN
Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de
Santiago de Chile
2013

Diego Vasco C.
Iván Gallardo

INTRODUCCIÓN
El mecanismo de transferencia de calor por convección surge por el movimiento de un
fluido sobre una superficie, ambos a una temperatura diferente. Contrario a los mecanismos
de conducción y radiación, no solo debe existir unagradiente de temperatura sino el
movimiento de un fluido, ya sea por convección natural o por convección forzada. El
mecanismo de la convección de calor fue originalmente estudiado por el físico y
matemático inglés Isaac Newton y representado matemáticamente mediante la Ley de
Enfriamiento de Newton, la cual relaciona el flujo de calor con el gradiente de temperatura
entre la superficie y elfluido mediante el coeficiente de transferencia de calor por
convección o coeficiente pelicular. Mediante la experiencia descrita en esta guía se
estudiarán las variables que afectan el proceso de transferencia de calor por convección y se
determinará el coeficiente convectivo de transferencia de calor.
OBJETIVO GENERAL
Aplicar la Primera Ley de la Termodinámica y la Ley de Enfriamiento de Newtonpara la
determinación del coeficiente convectivo de transferencia de calor.
Objetivos Específicos
a) Estudiar el efecto de la velocidad del fluido en la transferencia de calor por convección,
mediante la determinación del coeficiente convectivo de transferencia de calor.
b) Comparar los resultados obtenidos del coeficiente convectivo de transferencia de calor
con valores calculados medianteuna relación empírica en función del número de Reynolds.
MARCO TEÓRICO
El mecanismo de transferencia de calor por convección implica el transporte de energía
térmica desde o hacia un fluido que posee una temperatura diferente a una superficie de un
material sólido, generalmente. En la Figura 1, se muestra el caso de una superficie
calentada a una temperatura Ts que transfiere calor qc a unfluido a una temperatura T∞. La





condición de no deslizamiento u  y  y 0  0 en la pared del sólido condiciona a que el flujo
de calor desde la superficie de la placa hacia la capa de fluido adherida a ella sea un
proceso conductivo, por lo tanto el flujo de calor por convección está dado por:
qc  k fluido A

dT
dy

(1)
y 0

Ante la dificultad de determinar el gradientede temperatura en la superficie de la placa,
resulta más conveniente implementar la Ley de Enfriamiento de Newton, que relaciona el
flujo de calor con la temperatura de la superficie Ts y la temperatura del fluido T∞ con el
coeficiente convectivo de transferencia de calor hc (2).

Perfil de
velocidad

Flujo

Perfil de
temperatura

Superficie
caliente

Figura 1. Perfiles develocidad y temperatura para la transferencia de calor por convección
desde una superficie caliente con un flujo sobre su superficie (Tomado de Kreith et al)1.
qc  hc A Ts  T  (2)
hc es función principalmente de la velocidad y la temperatura del fluido y de los

potenciales cambios de estado que experimente el fluido durante el proceso de
transferencia. En la Figura 2 se representa lavariación del coeficiente convectivo de
transferencia de calor bajo diferentes condiciones del flujo y el fluido.
Aire o vapor sobrecalentado,
convección forzada

101

Agua, ebullición

102

103

104

105

hc W m2 K 


Aire, convección
natural

Agua, convección
forzada

Vapor,
condensación

Aceite, convección
forzada

Figura 2. Orden de magnitud de coeficientesconvectivos de transferencia de calor hc
El número adimensional de Nusselt (Nu), que relaciona los mecanismos de transferencia de
calor por convección y conducción, se ha determinado experimentalmente para una
cantidad importante de situaciones físicas, en flujos internos y externos y condiciones de
flujo laminar y turbulento. El número de Nusselt está relacionado con el coeficiente
convectivo de...