La Convección Natural

7/21/2019 La Conveccin Natural

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CONVECCINConveccin natural


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En conveccin natural el flujo resulta solamente de ladiferencia de temperaturas del fluido en la presenciade una fuerza gravitacional. La densidad de un fluidodisminuye con el incremento de temperatura.

CONVECCIN NATURAL


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En un campo gravitacional, dichas diferencias endensidad causadas por las diferencias entemperaturas originan fuerzas de flotacin. Por lotanto, en conveccin natural las fuerzas de flotacin

generan el movimiento del fluido. Sin una fuerzagravitacional la conveccin natural no es posible. Enconveccin natural una velocidad caracterstica no esfcilmente disponible.


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Corrientes convectivas adyacentes a placas verticales y horizontales.(a) Un fluido adyacente a una superficie vertical con temperaturauniforme. (b) La temperatura de la superficie vertical esincrementada y se crean las corrientes convectivas. (c) Una superficiehorizontal calentada y encarada hacia arriba. (d) Una superficiehorizontal calentada y encarada hacia abajo.


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El estudio de la conveccin natural se basa de dos

principios de la mecnica de fluidos: conservacin demasa, conservacin de momento y del principio determodinmica que es la conservacin de la energa.


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Las ecuaciones de los principios mencionados se reducen al tomaren cuenta las siguientes suposiciones:


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En la conveccin natural se tiene un parmetro llamadocoeficiente volumtrico de expansin termal, . Dichocoeficiente define la variacin del volumen cuando secambia la temperatura, es decir, la expansin de laspartculas para tener conveccin natural.


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De las tres ecuaciones diferenciales resulta el nmero adimensional deGrashof, Gr, que sirve para determinar el coeficiente de conectividad en

conveccin natural.

El nmero de Grashof es similar al nmero de Reynolds, es decir,tienen el mismo significado fsico (relacin de fuerzas de movimientoentre fuerzas de resistencia o viscosas); el nmero de Grashof esutilizado en conveccin natural mientras que el nmero de Reynolds seemplea en conveccin forzada.


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A travs de los aos se ha encontrado que los coeficientes medios

de transferencia de calor por conveccin natural puedenrepresentarse, para diversas situaciones, en la forma funcionalsiguiente:

donde el subndicef indica que las propiedades en los gruposadimensionalesse evalan a la temperatura de pelcula


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Superficies isotermas

Los nmeros de Nusselt y Grashof en paredes verticales, seforman con la altura de la superficie L como longitudcaracterstica. La transferencia de calor en cilindros verticalespuede calcularse con las mismas relaciones de las placas

verticales si el espesor de la capa lmite no es grande comparadocon el dimetro del cilindro.


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El criterio general es que un cilindro vertical puede tratarse como

una placa plana vertical cuando

donde D es el dimetro del cilindro. Los valores de las constantespara superficies isotermas, con las referencias apropiadas parauna consulta ms amplia, se dan en la Tabla 7.1


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Hay algunos indicios a partir del trabajo analtico de Bayley, de que puedeser preferible la relacin

Churchill y Chu han dado relaciones ms complicadas, que son

aplicables en un intervalo ms amplio del numero de Rayleigh:


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Los valores de las constantes C y m se dan en la Tabla 7.1. Laspredicciones de Morgan (en la Tabla 7.1) son ms fidedignas para

valores de Gr Pr del orden de 10m5. Churchill y Chu dan una expresinms complicada, pero que puede utilizarse en un intervalo ms ampliode valores de Gr Pr:

Para metales lquidos, la transferencia de calor desde cilindroshorizontales puede calcularse, con:

CILINDROS HORIZONTALES


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Se indican que el mejor acuerdo con los datos experimentales puedeconseguirse calculando la dimensin caracterstica con

donde A es el rea de la superficie y P su permetro. Esta dimensincaracterstica es tambin aplicable para formas planas no simtricas.

PLACAS HORIZONTALES


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Para la superficie caliente mirando hacia arriba

Cuando la superficie caliente est mirando hacia abajo

FLUJO DE CALOR CONSTANTE


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SLIDOS IRREGULARES

No hay una correlacin general que pueda aplicarse a los slidosirregulares. Los resultados indican que para un cilindro cuya altura seaigual al dimetro, puede usarse la Ecuacin siguiente con C = 0,775 y m =0,208. Los nmeros de Nusselt y Grashof se evalan utilizando el dimetrocomo dimensin caracterstica. Lienhard presenta una descripcin que tomacomo longitud caracterstica la distancia que recorre una partcula fluida enla capa lmite y utiliza, en el intervalo laminar, los valores de C = 0,52 y m= 4 para la Ec. (7.25).


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CONVECCIN NATURAL EN SUPERFICIESINCLINADAS

Fujii e Imura han dirigido extensos experimentos con placas calientes enagua a distintos ngulos de inclinacin. Se designa con 0 el ngulo que laplaca forma con la vertical, con ngulos positivos indicando que la superficiecaliente mira hacia abajo, segn se muestra en la Figura siguiente. Para laplaca inclinada con la cara caliente mirando hacia abajo, con flujo de caloraproximadamente constante, se obtuvo la siguiente correlacin para el

nmero de Nusselt medio:


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En la Ecuacin anterior todas las propiedades excepto se evalan a latemperatura de referencia Te, definida por


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ECUACIONES SIMPLIFICADAS PARAEL AIRE

En la Tabla siguiente se dan las ecuaciones simplificadas para elcoeficiente de transferencia de calor desde distintas superficies alaire a presin ambiente y temperaturas moderadas. Estasrelaciones pueden extenderse a presiones ms altas o ms bajasmultiplicando por los factores siguientes:


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CONVECCIN NATURAL ENESFERAS

Yuge recomienda la siguiente relacin emprica para la transferenciade calor por conveccin natural desde esferas al aire:

Las propiedades se evalan a la temperatura de pelcula y se esperaque esta relacin sea aplicable fundamentalmente para los clculos dela conveccin natural en gases.


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CONVECCIN NATURAL ENESPACIOS CERRADOS

Los fenmenos de corrientes de conveccin natural en el interior de unespacio cerrado son ejemplos interesantes de sistemas fluidos muycomplejos que pueden dar lugar a soluciones analticas, empricas ynumricas.


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Considrese el sistema mostrado en la Figura, donde un fluido estencerrado entre dos placas verticales separadas una distancia .


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Segn MacGregor y Emery ClS], al imponer en el fluido una diferencia detemperatura Tp = T1 T2 se originar una transferencia de calor conlas corrientes, mostradas de forma aproximada en la Figura siguiente. En

esa figura, el nmero de Grashof se ha calculado segn


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Para nmeros de Grashof muy bajos, existen pequeascorrientes de conveccin natural y la transferencia de

calor tiene lugar principalmente por conduccin a travsde la capa lmite. Segn crece el nmero de Grashof, sevan encontrando diferentes regmenes de flujo, como seindica, con un incremento progresivo de la transferencia

de calor, como se expresa por medio del nmero deNusselt


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Aunque an permanecen abiertas algunas cuestiones, pueden utilizarsealgunos experimentos para predecir la transferencia de calor en muchoslquidos en condiciones de flujo de calor constante. Las correlaciones

empricas obtenidas fueron:

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