La energía térmica que se transfiere entre una superficie y un fluido en movimiento con diferentes temperaturas se conoce como convección.
En realidad se trata de una combinación de difusión y movimiento masivo de las moléculas. Cerca de la superficie, la velocidad del fluido es baja y domina la difusión. A distancia de la superficie, el movimiento en masa aumenta la influencia y domina.
La transferencia de calor por convección puede ser
- convección forzada o asistida
- convección natural o libre convección
- Transferencia de calor conductiva
- La transferencia de calor por unidad de superficie a través de la convección fue descrita por primera vez por Newton y la relación se conoce como Ley de enfriamiento de Newton.
- 1 W/(m2K) = 0.85984 kcal/(h m2 oC) = 0,1761 Btu/(ft2 h oF)
- 1 Btu/(ft2 h oF) = 5,678 W/(m2 K) = 4,882 kcal/(h m2 oC)
- 1 kcal/(h m2 oC) = 1,163 W/(m2K) = 0.205 Btu/(ft2 h oF)
- Coeficientes globales de transferencia de calor
- Convección libre – aire, gases y vapores secos : 0.5 – 1000 (W/(m2K))
- Convección libre – agua y líquidos: 50 – 3000 (W/(m2K))
- Convección forzada – aire, gases y vapores secos: 10 – 1000 (W/(m2K))
- Convección forzada – agua y líquidos: 50 – 10000 (W/(m2K))
- Convección forzada – metales líquidos: 5000 – 40000 (W/(m2K))
- Agua hirviendo : 3.000 – 100.000 (W/(m2K))
- Vapor de agua de condensación: 5.000 – 100.000 (W/(m2K))
- Coeficientes de transferencia de calor del intercambiador
- Flujo de aire convectivo desde una única fuente de calor
Convección forzada o asistida
La convección forzada se produce cuando un flujo de fluido es inducido por una fuerza externa, como una bomba, un ventilador o un mezclador.
Convección natural o libre
La convección natural es causada por las fuerzas de flotación debidas a las diferencias de densidad causadas por las variaciones de temperatura en el fluido. Al calentarse, el cambio de densidad en la capa límite hará que el fluido se eleve y sea sustituido por otro más frío que también se calentará y elevará. Este fenómeno continuo se denomina convección libre o natural.
Los procesos de ebullición o condensación también se denominan procesos de transferencia de calor por convección.
La ecuación de la convección puede expresarse como:
q = hc A dT (1)
donde
q = calor transferido por unidad de tiempo (W, Btu/hr)
A = área de transferencia de calor de la superficie (m2, ft2)
hc = coeficiente de transferencia de calor por convección del proceso (W/(m2oC, Btu/(ft2 h oF))
dT = diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido a granel (oC, F)
Coeficientes de transferencia de calor – Unidades
Coeficientes de transferencia de calor por convección
Los coeficientes de transferencia de calor por convección – hc – dependen del tipo de medio, si es gas o líquido, y de las propiedades del flujo como la velocidad, la viscosidad y otras propiedades dependientes del flujo y la temperatura.
Coeficientes de transferencia de calor por convección típicos para algunas aplicaciones comunes de flujo de fluidos:
Coeficiente de transferencia de calor convectivo para el aire
El coeficiente de transferencia de calor convectivo para el flujo de aire puede aproximarse a
hc = 10.45 – v + 10 v1/2 (2)
donde
hc = coeficiente de transferencia de calor (kCal/m2h°C)
v = velocidad relativa entre la superficie del objeto y el aire (m/s)
Dado que
1 kcal/m2h°C = 1.16 W/m2°C
– (2) puede modificarse a
hcW = 12,12 – 1,16 v + 11,6 v1/2 (2b)
donde
hcW = coeficiente de transferencia de calor (W/m2°C)
¡Nota! – esta es una ecuación empírica y se puede utilizar para velocidades de 2 a 20 m/s.
Ejemplo – Transferencia de calor convectiva
Un fluido fluye sobre una superficie plana de 1 m por 1 m. La temperatura de la superficie es de 50oC, la temperatura del fluido es de 20oC y el coeficiente de transferencia de calor por convección es de 2000 W/m2oC. La transferencia de calor por convección entre la superficie más caliente y el aire más frío puede calcularse como