Transferencia de calor por convección

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.

Transferencia de calor por convección

La transferencia de calor por convección puede ser

  • convección forzada o asistida
  • convección natural o libre convección
  • Transferencia de calor conductiva
    • 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 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.

      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

      • 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

      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:

      • 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

      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.

      • Flujo de aire convectivo desde una única fuente de calor

      Coeficiente de transferencia de calor del aire

      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

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