Transferencia de Calor

En el caso del radiador de automóvil, el flujo de agua se debe a un gradiente de presión, es decir, se bombea agua (se forza) a través de los tubos mediante una bomba de agua. Esta forma de convección se conoce como convección forzada. En el caso del tubo que cede calor al aire del cuarto, el movimiento de las partículas de aire se debe a fuerzas de flotamiento provocadas por diferencias en la densidad del aire, esto es, debido a la fuerzas de flotamiento que ocurren de forma natural. Tal forma de transferencia de calor se llama convección natural o libre. La discusión de transferencia de calor por convección se puede dividir de manrea conveniente en dos áreas, a saber convección forzada y convección natural. Pueden ocurrir situaciones donde ambas formas de convección actúan simultáneamente y se tiene entonces una convección combinada. Esto se discute al final del capitulo acerca de convección natural. Usualmente, la convección forzada es de mayor interés practico que la convección...

El significado literal de la palabra convección es el proceso o la acción de alejar de un lugar dado. En el contexto de la transferencia de calor, convección significa el procesos de alejar la energía térmica, de una superficie sólida a un fluido adyacente en movimiento, en presencia de diferencias de temperatura o viceversa. El proceso de convección tiene dos mecanismos que contribuyen al mismo: 1) la conducción de calor, de una superficie  sólida hacia una capa delgada de fluido adyacente, y 2) el movimiento de particulas clalientes de fluido, alejandose de la superficie sólida y ocupando su lugar partículas relativamente frias del mismo fluido. El movimiento de las partículas de fluido se puede atribuir a cambios de presión, a flotamiento o a una combinación de ambos. De este modo, el estudio de transferencia de calor por convección se encuentra intimamente relacioando con el estudio del flujo de fluido, que se trató en el capitulo 7. Varios ejemplos de transferencia de cal...

Las ecuaciones (7-63) y (7-63a) son válidas para 2000 < Re < 40 000. Más recientemente, Zhukauskas (referencia 18) hizo un trabajo extensivo acerca de los factores de fricción para flujos a través de bancos de tubos. En las figuras 7-14a y b se presentan gráficamente sus resultados. Zhukauskas usa un número de Reynolds basado en la velocidad del flujo principal

En la figura 7-14a y b se gráfica el factor de fricción, ƒ, para arreglos en línea y escalonados. Estas figuras son adecuadas para un arreglo cuadrado y un arreglo de tubos en forma de triángulo isósceles, respectivamente. Para otros arreglos, el valor de factor de fricción que se obtiene de las figuras 7-14a y b se debe multiplicar por el factor de corrección, g, que se grafica en las esquinas superiores de la derecha en las figuras 7-14a y b. Las siguientes ecuaciones para el factor de fricción, ƒ, publicadas en 1938 por jakob (referencia 19), se han usado-extensivamente.

a) Arreglo en linea b) arreglo escalonado

Los bancos de tubos aparecen comúnmente en grandes intercambiadores de calor comerciales. En el diseño de dichos intercambiadores, es necesario calcular la caida de presión que experimenta el fluido que fluye sobre un banco de tubos. No es posible calcular la caida de presión utilizando las relaciones para aun solo tubo, ya que existe una gran cantidad de interacción entre los tubos, especialmente en el sentido de la corriente en la primera linea. Considere un gran número de tubos con sus ejes pararelos al eje z, como se muestra en la figura 7-13. La dirección del flujo se encuentra a lo larto del eje x. El espacio transversal, S1, es la distancia, centro a centro, de dos tubos consecutivos en un plano paralelo al plano y-z. Esta definición se aplica tanto al arreglo en linea de la figura 7-13a, como el arreglo escalonado de la figura 7-13b. El espacio longitudinal, S1, para el arreglo en línea es la distancia del centro a centro proyectada en el plano z-x. Para el arreglo escalonad...

Si se examinan de cerca las figuras 7-11 y 7-12, podemos ver cuatro regiones caracterizadas por distintas variaciones de CD contra Re. En la primera zona (Re ≤ 2), la pendiente de la curva es claramente empinada. En esta región, los efectivos viscosos son dominantes, y la fuerza de arrastre completa se debe a la fricción del fluido. No existe separación de flujo en esta región. En la segunda zon (2 < Re ≤ 2 x 10³), las fuerzas de arrastre debidas a la fricción y a la separación de flujo son del mismo orden de magnitud. La región de flujo separado se hace más y más turbulento cuando el número de Reynolds excede a 10³. En la tercera zona 2x10³

En la figura 7-10 se muestra que la separación ocurre en el punto S. La variación en el gradiente de presión provoca además, cambios de perfil de velocidad en la capa frontera, según se muestra en la figura 7-10. Cuando se introduce un cuerpo en una corriente, la fuerza resultante que actúa sobre el cuerpo es la integral de superficie del esfuerzo que actúa sobre el cuerpo. El esfuerzo incluye el cortante y la presión normal. La fuerza resultante se puede dividir en dos componentes, una normal a la dirección principal del flujo y la otra paralela a la dirección del flujo. La primera se llama fuerza de levante, FL, y la última se llama fuerza de arrastre, FD. La porción de la fuerza de arrastre que se debe al esfuerzo cortante viscoso se llama arrastre vircoso, mientras que la porción atribuible a la distribución de presión en el cuerpo se llama arrastre de forma. Los coeficientes de levante y arrastre se definen, respectivamente por: en cuyas expresiones ρ es la densidad del flu...