Ver 5ª PARTE
En la mayoría de los equipos, el flujo es
turbulento. Para flujo de baja velocidad en pequeños tubos, o líquidos
altamente viscosos tales como glicol, el flujo puede ser laminar.
La longitud característica para el flujo
interno en tuberías y tubos es el diámetro interior. Para tubos o conductos no
circulares, el diámetro hidráulico Dh
se usa para computar los números de Reynolds y Nusselt. Se define como:
- El diámetro de una tubería redonda.
- Dos veces el hueco entre dos placas paralelas.
- La diferencia en diámetros para un anillo.
- La longitud del lado para tubos o conductos cuadrados.
En general, el número de Nusselt viene
determinado por la geometría del flujo, el número de Reynolds y el número de
Prandtl. Una de las formas más útiles para el flujo interno es conocido como la
analogía de Colburn:
Donde
fF es el factor de fricción de Fanning y j es el factor j de
Colburn. Se relacionan al factor de fricción por la interrelación del
transporte de momento y energía en el flujo turbulento.
Con una temperatura de superficie de tubo
uniforme y coeficiente de transferencia de calor, la temperatura de salida
puede calcularse usando:
Donde ti
y te son las temperaturas
bulk de entrada y salida del fluido, ts
es la temperatura de superficie del conducto/tubería, y A es el área de
superficie en el interior del conducto/tubería. El coeficiente de transferencia
de calor convectivo varía en la dirección del caudal debido a la dependencia de
temperatura de las propiedades del fluido. En tales casos, es común usar un
valor promedio de h en la ecuación
anterior computado ya sea como el promedio de h evaluado en las temperaturas del fluido de entrada y salida o
evaluado en el promedio de las temperaturas de entrada y salida.
Con flujo de calor de superficie uniforme
q”, la temperatura del fluido en
cualquier sección puede encontrarse aplicando la primera ley de la
termodinámica:
La temperatura de superficie puede
encontrarse usando:
Con flujo de calor de superficie
uniforme, la temperatura de la superficie se incrementa en la dirección del
flujo a lo largo del fluido.
Convección natural
La transferencia de calor con movimiento
de fluido resulta solamente de diferencias de temperaturas (ej., desde densidad y gravedad dependiente de la
temperatura) es convección natural. Los coeficientes de transferencia de calor
de convección natural para los gases son generalmente mucho más bajos que
aquellos en convección forzada, y es por lo tanto importante no ignorar la
radiación en el cálculo de la pérdida o ganancia total. La transferencia
radiante puede ser del mismo orden de magnitud que la convección natural,
incluso a temperaturas de habitación; por lo tanto, ambos modos deben ser
considerados cuando se computan las tasas de transferencia de calor de las
personas, muebles, y del edificio.
La convección natural es importante en
una variedad de equipos de calefacción y refrigeración, tales como (1)
serpentines de gravedad usados en habitaciones de almacenaje en frío de alta
humedad en condensadores de refrigeración montados en techo, (2) el evaporador
y condensador de un refrigerador doméstico, (3) radiadores de zócalo y
convectores para calentamiento del espacio, y (4) paneles de refrigeración para
aire acondicionado. La convección natural también está implicada en la pérdida
o ganancia de calor a la envolvente del equipo e interconexión de conductos y
tuberías.
Consideremos la transferencia de calor
por convección natural entre un fluido frío y una superficie vertical caliente.
El fluido en contacto inmediato con la superficie se calienta por conducción,
llega a ser más ligero, y se eleva debido a la diferencia en densidad del
fluido adyacente. La viscosidad del fluido resiste este movimiento. La tasa de
transferencia de calor está influida por las propiedades del fluido, diferencia
de temperatura entre la superficie a ts y ambiente a t∞,
y dimensión característica Lc.
Algunas correlaciones de coeficientes de transferencia de calor
generalizados han sido matemáticamente derivados, pero usualmente se obtienen
de las correlaciones de datos experimentales. La mayoría de las correlaciones
para convección natural son de la forma:
Donde:
Bibliografía
·
Heat
transfer. 2009 Fundamental ASHRAE
3 comentarios:
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