Modelo energético de la transferencia de calor (6ª PARTE)

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 D_h se usa para computar los números de Reynolds y Nusselt. Se define como:

Insertando expresiones para el área de sección transversal y perímetro húmedo de secciones transversales comunes muestran que el diámetro hidráulico es igual a:

• 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 f_F 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 t_i y t_e son las temperaturas bulk de entrada y salida del fluido, t_s 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 t_s y ambiente a t_∞, y dimensión característica L_c.  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