La transferencia de calor por convección.
Ecuaciones principales de trabajo.
Procesador de cálculo. Formulario Registro de datos
Bloque que capta y comprueba la información registrada.
Reporte - Panel de salida

Flujo térmico por convección

El flujo térmico por convección dependerá del régimen exterior al que están expuestas las superficies, si la circulación es forzada o es natural. Las ecuaciones que aquí se muestran son deducidas de la experimentación y propias de las condiciones en las que fueron obtenidas. En aquellos estudios e investigaciones en las que se requiere total precisión, habría que utilizar ecuaciones que consideran todos los parámetros que intervienen.  Entran en juego, además de la temperatura de la superficie y la del medio al que se cede calor, determina la densidad y  la viscosidad del gas circulante, y la velocidad del flujo exterior. También la geometría y las condiciones que presentan las superficies expuestas. Entonces se hace muy complejo.

Convección natural.

Para conocimiento general, las ecuaciones empíricas que determinan el coeficiente de transferencia de calor por convección, han sido determinadas en función de variables o parámetros que influyen de manera directa en ellos y que por su grado de complejidad aquí no los vamos a describir. Esos parámetros se agrupan en números característicos, que determinan el proceso de transferencia de calor. Entre los más importantes tenemos Nusselt (hL/k), Grashof (L3ρ2g/µ2 (ß∆t), Prandtl (cpµ/k), Reynolds (LVρ/µ) y otros.

Conocido las propiedades y características de los materiales, el ambiente circulante, las formas geométricas de las superficies, sus características, etc. es que se obtienen los diferentes parámetros y estos a su vez determinan los coeficientes por convección, tanto en circulación natural, cómo en circulación forzada.

En este artículo lo que hacemos es un resumen práctico de estas ecuaciones que nos ofrece la literatura especializada en transferencia de calor.

La mayoría de las veces es difícil obtener buenos datos para cada una de las disimiles situaciones que se nos presentan. Hay una amplia diversidad de tamaños y tipos de equipos usados en la industria. Esto se debe en parte a la interferencia y complejidades de los elementos del calentamiento por convección libre, tales como los bancos de tubos y la imposibilidad de controlar una atmósfera del fluido al grado necesario para obtener buenos resultados experimentales. Las superficies que encontramos, su acabado, la posición en que están dispuestas, las proximidades con otros equipamientos, todo eso forma una amplia diversidad que hace complicado poder seleccionar el dato correctamente.

Las correlaciones para convección libre de superficies externas de diferentes formas, que son de valor directo en la ingeniería, están catalogadas, principalmente, en dos clases: convección libre respecto a tubos simples, y convección libre respecto a paredes y recipientes.

Es claro que las corrientes de convección libre no solo se influencian por la posición de la superficie sino también por  la proximidad a otras superficies. Las superficies horizontales originan corrientes que difieren grandemente de las que se originan en superficies verticales. McAdams (Transferencia de Calor, Tercera Edición) ha resumido las formas dimensionales simplificadas para la convección libre del aire.

Ecuaciones principales de trabajo.

Tubos horizontales.

hc= 1.18 *

antln[0.25 * ln(∆T/do)]

Tubos verticales

hc= 1.27 *

antln[0.25 * ln(∆T/do)]

Placas verticales de menos de 0.6 metros de alto

hc= 1.27 *

antln[0.33 * ln(∆T/do)]

Placas verticales de más de 0.6 metros de alto

hc= 1.33 *

antln[0.33 * ln(∆T/do)]

Placas horizontales superficie caliente hacia arriba

hc= 1.18 *

antln[0.28 * ln(∆T/do)]

Placas horizontales superficie caliente hacia abajo

hc= 0,525 *

antln[0.25 * ln(∆T/do)]

siendo:
hc:   coeficiente de convección térmico en Kcal/h-m2-ºC
Ta: temperatura interior o del fluido, ºC
Ts: temperatura superficial de la pared aislada, ºC
∆t=Ts-Ta
L:   altura de la superficie, m
Do: El diámetro exterior del cilindro o tubería.

Procesador de cálculo. Formulario Registro de datos.

Calcularemos el coeficiente por convección natural de una  superficie plana y otra cilíndrica  y su relación con las diferencias de temperatura respecto a la ambiente. Este procedimiento es muy utilizado para cálculos estimados de pérdidas o infiltraciones de calor por superficies, sectorizando las áreas de los equipos que generan calor o producen frío.

El calculador reporta el coeficiente de convección térmico en Kcal/h-m2-ºC y el calor perdido al ambiente debido a la convección. El procesador que se ha diseñado considera que el flujo calórico se produce desde la superficie sólida de una placa o una tubería al exterior o ambiente, por lo que la temperatura de la pared exterior es mayor que la temperatura ambiente. Por eso de registrarse valores de temperatura inverso, se muestra en el Panel de salida un aviso, ya que el flujo calórico sería en forma de ganancia de calor, desde el exterior al interior de la superficie.

Para conocer el resultado del coerficiente convectivo hay que registrar la información que se muestra en el siguiente formulario: