Conveccion Natural

CONVECCIÓN NATURAL UNIVERSIDAD NACIONAL SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO ESCUELA PROFECIONAL DE INGENIERIA MECANICA

ALUMNOS: ALUMNOS: -RODRIGUES -RODRIGUESSANCHEZ, SANCHEZ,Jaime Jaime -CHAVEZ -CHAVEZDIAZ, DIAZ,Christian ChristianE. E. -ORELLANA, -ORELLANA,Kenti Kenti -CHUQUICHAMPI -CHUQUICHAMPIWAYRA, WAYRA,Roly Roly

CONVECCIÓN NATURAL Se

ha estudiado anteriormente el mecanismo de transferencia de calor por convección forzada cuya principal característica era la impulsión de un fluido mediante medios externos. En esta ocasión abordaremos lo concerniente a la convección natural en donde la transferencia de calor se logra gracias a medios naturales como la flotación la cual se produce debido en este caso a la diferencia de densidades en un fluido.

El coeficiente de transferencia de calor por convección depende bastante de la velocidad: entre mas alta sea esta mas alto es el coeficiente.

Vconveccion  1m / s

Por lo tanto, los coeficientes de transferencia de calor que se encuentran en la convección natural son mas bajos que los hallados en la convección forzada.

APLICACIONES Enfriamiento

de equipo electrónico, transferencia de calor desde los calentadores eléctricos, radiadores de vapor de agua, serpentines de refrigeración, etc.. La convección natural en los gases suele estar acompañada por radiación de magnitud similar, excepto en las superficies de baja emisividad.

. ¿COMO SE DA LA CONVECCIÓN NATURAL?

Las corrientes de convección natural surgen debido a que la capa de fluido que rodea al objeto experimenta un cambio de su densidad (la densidad de un gas es inversamente proporcional a su temperatura) lo que conlleva a que este suba o baje dependiendo de si el objeto motivo de la transferencia esta mas frió o mas caliente que este fluido circundante.

EFECTO DE FLOTACION  Bajo

el efecto de un campo gravitacional existe una fuerza neta que empuja hacia arriba un fluido mas ligero en uno mas pesado. La fuerza hacia arriba ejercida por un fluido sobre un cuerpo sumergido completa o parcialmente en el se llama fuerza de empuje. La magnitud de esta fuerza es igual al peso del fluido desplazado.

P tenemos:

Para el caso del barco

COEFICIENTE DE EXPANSIÓN VOLUMETRICA En los estudios de la transferencia de calor la variable principal es la temperatura y resulta conveniente expresar la fuerza neta de empuje en termino de las diferencia de temperatura. por tal motivo se requiere de una propiedad que represente la variación de la densidad de un fluido con la temperatura a presión constante. Matemáticamente esta definido como:

Para el caso de estudios de Convección natural lo expresamos como:

MEDICIONES EN LA CONVECCION NATURAL El instrumento que normalmente se usa en los experimentos relativos a la convección es el interferómetro de Mach Zehnder, el cual da una grafica de las isotermas en la superficie. El principio de medición de este se basa en el hecho de que a baja presión las líneas de temperatura constante para un gas corresponden con las líneas de densidad constante, y que el índice de refracción de la luz en algún punto en un gas es funcion de su densidad. Este produce un mapa de márgenes de interferencia que se pueden interpretar como líneas de temperatura constante.

ECUACION DE MOVIMIENTO Y NUMERO DE GRASHOF  Igual

que en la convección forzada el espesor de la capa limite aumenta en la dirección del flujo, pero, la velocidad del fluido se hace cero en la parte exterior de la capa debido a que el fluido que se encuentra masa allá de la capa limite.

EL NUMERO DE GRASHOF

Convección Natural Sobre Superficies La transferencia de calor por convección natural sobre una superficie depende tanto de la configuración geométrica de dicha superficie como de la variación de temperatura que halla sobre esta y de las propiedades termo físicas del fluido que interviene en este proceso.

Por la complejidad del movimiento del fluido se hace difícil la obtención de expresiones analíticas sencillas para la transferencia de calor en convección natural, pero por medio de estudios experimentales se llegan a unas expresiones sencillas para las mas usadas. las correlaciones empíricas para el numero promedio de Nusselt es:

donde RaL es el número de Rayleigh

Los valores de las constantes C y n dependen de la configuración geométrica de la superficie y del régimen de flujo. El valor de n suele ser de 1/4 para flujo laminar 1/3 para el turbulento, y C normalmente es menor de 1.

Placas Verticales (Ts = constante) Aquí se presentan el número de Nusselt promedio con su correspondiente intervalo de numero Rayleigh. Nu Ra

para todo el intervalo

Todo esto con L igual a Lc.

Placas Verticales con flujo de calor constante Para este caso se pueden utilizar las mismas relaciones que para placas isotérmicas siempre y cuando se use la temperatura T . L/2.

Y T el cual es en el punto medio de la placa y se determina por iteración. L/2.

Placas Inclinadas Se utilizan las mismas ecuaciones que para placas verticales para la superficie superior de una placa fría y la superficie inferior de una placa caliente.

Placa Horizontal Aquí se presentan el número de Nusselt promedio con su correspondiente intervalo de numero Rayleigh. Nu Ra

la Lc es As/p.

Cilindros Verticales En este caso se pueden tratar como placas verticales cuando el diámetro del cilindro es suficientemente grande. El cual debe satisfacer esta condición:

Cilindros Horizontales Aquí se presentan el número de Nusselt promedio con su correspondiente intervalo de numero Rayleigh. Nu Ra

y se toma D como la Lc.

Esferas Aquí se presentan el número de Nusselt promedio con su correspondiente intervalo de numero Rayleigh. Nu Ra

CONVECCIÓN NATURAL DESDE SUPERFICIES CON ALETAS Y PCB Enfriamiento por convección natural de superficies con aletas (ts = kte) •Enfriamiento por convección natural de PCB verticales (q = kte) •Gasto de masa por el espacio entre placas •

CONVECCIÓN NATURAL DESDE SUPERFICIES CON ALETAS Y PCB

Enfriamiento Por Convección Natural De Superficies Con Aletas (Ts = Kte) Numero de rayleigh

Numero de Nusselt

Espaciamiento óptimo

Dimensiones de una superficie Con aletas orientada verticalmete

Enfriamiento por convección natural de PCB verticales (q = kte) Numero de Nusselt

Espaciamiento óptimo

La velocidad de la trasferencia de calor

Diversas dimensiones de una superficie con aletas, orientada verticalmente

CONVECCIÓN NATURAL DESDE SUPERFICIES CON ALETAS Y PCB •Enfriamiento

por convección natural de superficies con aletas (ts = kte) •Enfriamiento por convección natural de PCB verticales (q = kte) •Gasto de masa por el espacio entre placas

CONVECCIÓN NATURAL DESDE SUPERFICIES CON ALETAS Y PCB

Enfriamiento Por Convección Natural De Superficies Con Aletas (Ts = Kte) Numero de Rayleigh

Numero de Nusselt

Espaciamiento Optimo

Enfriamiento por convección natural de PCB verticales (q = kte) Numero de Nusselt

Espaciamiento Optimo

La velocidad de la transferencia de calor

Convección Natural Dentro De Recintos Cerrados Se

habla de recintos cerrados siempre que se tenga un volumen que encierre algún gas. Es importante conocer los fenómenos que en ellos ocurren durante la transferencia de calor pues existen muchos casos prácticos en los cuales ellos son aplicables.

Características Básicamente

se pueden clasificar

en: Recintos cerrados verticales

Recintos cerrados horizontales

La forma de celdas que se aprecia desaparece cuando Ra es mayor que 1708, para valores mayores a 3x105 el movimiento del fluido se vuelve turbulento.

El numero de Rayleigh para un recinto cerrado se puede calcular como:

En donde las propiedades del fluido se deben leer a la temperatura promedio del mismo.

Conductividad Térmica Efectiva

En un recinto cerrado el flujo de calor se puede expresar como:

La razón de conducción estacionaria de calor de una a otro lado de una capa de espesor Lc es:

Comparando las dos ecuaciones anteriores podemos notar que: el fluido en un recinto cerrado se comporta como un fluido cuya conductividad térmica es K Nu como resultado de las corrientes de convección. Kef=K Nu a la cantidad K Nu se le llama conductividad térmica efectiva.

Recintos Cerrados Rectangulares Horizontales De

acuerdo a resultados experimentales se cuentan con las siguientes relaciones dentro de sus respectivos intervalos:

Recintos Cerrados Rectangulares Inclinados Para

placas inclinadas contamos con las siguientes relaciones experimentales:

Para

relaciones de H/L<12 se aplican las siguientes relaciones teniendo en cuenta el θ critico.

Recintos Cerrados Rectangulares Verticales

CILINDROS CONCENTRICOS

La

razón entre la transferencia de calor en el espacio anular entre ellos y la unidad de convección natural se expresa como: . 2k Q

ef

ln(

D0

Di

)

(T0  Ti )

La

relación recomendada para la conductividad térmica efectiva es: k ef

Pr    0.386  k 0 . 861  Pr  

1

4

 Fcil * RaL  14

En

donde el factor geométrico 4 para los cilindros concéntricos,  ln( D0 ) Di   Fcil., es: Fcil 

3 c

3 5 i

L (D

D

3 5 5 0

)

ESFERAS CONCENTRICAS



Para esferas concéntricas isotérmicas la velocidad de la transferencia de calor a través de la brecha entre ellas por convección natural se expresa como:

 Di D0    Ti  T0  Q  k ef    Lc  .

 D0  Di   2  

Lc  

en donde es la longitud característica. La relación recomendada para la conductividad térmica efectiva K   P es: K  0.74 0.861  P   F Ra  1/ 4

ef

1/ 4

r

esf

t

r

En donde el factor geométrico para Lc las esferas concéntricas, Fesf, es: Fesf  4

( Di D0 ) ( Di

7

5

D

7 5 5 0

)

CONVECCION NATURAL Y RADIACION COMBINADA Los gases son casi transparentes para la radiación y, como consecuencia, la transferencia de calor a través de una capa de gas, es por convección (o conducción, si el gas esta inmóvil) y radiación simultanea, . . . así: Q Q Q total

conv

rad

La transferencia de calor por radiación desde una superficie Ts rodeada por una superficie a una Talred se. determina a partir de: 4 Q  As (Ts4  Talred )

Cuando los efectos en los extremos son despreciables, la transferencia de calor por radiación entre dos placas grandes paralelas que se encuentra en las temperaturas . absolutas As (T14  T T124 y ) T2 se expresa Qcomo:    efectivaAs (T14  T24 ) 1  1 1 1

2

y2 En donde 1 son las emisividades  efectiva de las placas y es la emisividad efectiva definida como:

 efectiva

1  1  1 1 1 2

CONVECCION NATURAL Y FORZADA COMBINADAS

Variación del numero local de nusselt, Un, para convección natural y forzad

Las convección natural puede mejorar o inhibir la transferencia de calor, dependiendo de las direcciones relativas del movimiento inducido por la flotación y el movimiento de convección forzada.