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INTRODUCCIÓN
















La transferencia de energía entre una superficie sólida a una temperatura Ts y una gas (o líquido) adyacente en movimiento y con otra temperatura Tf juega un papel prominente en el rendimiento de muchos dispositivos de interés práctico. Este proceso es conocido comúnmente como convección.
Es el mecanismo de transferencia de calor asociado al movimiento de materia sometido a un gradiente de temperatura. El origen del movimiento define el tipo de convección. Sin embargo, desde el punto de vista de ingeniería, el interés de la transferencia de calor por convección, se centra en el intercambio entre dos fluidos. La convección es una forma de transferencia de calor que requiere movimiento a escala macroscópica por lo que se produce en gases y en líquidos, los cuales transportan el calor entre zonas a diferentes temperaturas.La convección tiene una mayor importancia en la ventilación natural.
La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico (convección mecánica, forzada o asistida). Esta transmisión de calor es importante considerarla en reactores agitados, especialmente en bioreactores donde se necesitan mantener una temperatura adecuada para los microorganismos presentes; esta transmisión de calor puede ser de las siguientes formas:
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Figura No1: Transmisión de calor en reactoresFuente: http://www.fortunecity.com/campus/earlham/850/difu8.html

Para mayor información puedes revisar Equipos para transmisión de Calor.

CONVECCION NATURAL



Es debida al gradiente térmico, y se justifica:

1. Por la diferencia de densidad o de peso específico que aparece debido a las diferentes temperaturas. Esto produce que el fluído más frío circule hacia abajo y el más caliente hacia arriba, produciendo una corriente ascendente. En esta consideración participa la fuerza de gravedad, pero en el caso que ésta no entre en juego por estar el sistema en el espacio exterior, la convección natural tambien tiene lugar, por el siguiente punto.

2. Las partículas líquidas o gaseosas tienen movimientos relativos contínuos, que aumentan al aumentar sus estados térmicos. Este movimiento transporta la energía calórica en forma de energía cinética mientras se desplaza la partícula y va colisionando con las millones que encuentra en su camino, y a su vez éstas hacen lo mismo, verificándose una convección a nivel molecular de flujo muy turbulento. El movimiento de las partículas es conocido como movimiento browniano.

En la conveccion natural si no hubiera variación de T no existiria movimiento, además esta variación genera diferencias de densidad localizados, produciendo las corrientes de flujo, y convección forzada, en la cual, aunque no hubiera variación de T habria movimiento originado por algún efecto mecánico (bomba, diferencia de nivel) o térmico (por convección natural en otro sistema). Es decir, en la conveccion natural se producen gradientes de temperatura en el sistema que generan corrientes de flujo mientras que en la convección forzada las corrientes de flujo son generadas por un factor externo como por ejemplo un agitador o bomba, en este tipo de convección existe mayor velocidad de transmisión de calor que en la convección natural.

Normalmente se supone que el campo de velocidades en la convección forzada es el impuesto por el agente exterior, pero, sobre todo cuando se imponen bajas velocidades, la contribución por la convección natural propia puede ser importante.

CONVECCION FORZADA




Convección forzada.

Es cuando se aplican medios mecánicos para hacer circular el fluído.

Ejemplos: ventilador, bomba, agitador, etc.

Ley de Newton.

Newton estudió el mecanismo de convección en forma comparativa observando la circulación de fluídos en un sistema de tubos cilíndricos concéntricos donde el fluído circula a contracorriente.

El estudio se realiza por comparación: la transmisión de calor se realiza en regimenes de circulación tanto laminar como turbulento. En estas condiciones, Newton midió cantidad de calor transferido ΔQ, el gradiente de temperaturas t y como consecuencia obtuvo experimentalmente una resistencia al flujo de calor proporcional al gradiente t e inversamente proporcional al calor ΔQ.


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La constante de convección "h".

Para las aplicaciones prácticas se utiliza la constante "h", llamada también coeficiente de película.
Es de muy difícil determinación, ya que depende de las siguientes variables:

  • velocidad de circulación
  • densidad de fluído
  • calor específico de las sustancias
  • diámetro de los tubos
  • viscosidad del fluído
  • conductividad



VELOCIDAD DE CONDUCCIÓN DE CALOR:


Ley de Fourier
Es aquella que establece que la tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada, es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección.
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donde:
Q: Velocidad de transmisión de calor
k: Conductividad termica
A: area de la superficie perpendicular a la direccion del flujo de calor
T: temperatura
y: distancia medida perpendicuklarmente a A
dT/dy: Gradiente de temperatura
La convección siempre aumenta el flujo de calor y por eso el parametro adimensional con que se evalúa es el número de Nusselt:

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donde h y k son el coeficiente de convección y la conductividad térmica del fluido y L una longitud caracteriística, es siempre mayor que la unidad.
El coeficiente de convección es un parámetro muy importante a tomar en cuenta ya que cuantifica la influencia de las propiedades del fluido,flujo y superficie cuando se produce transferencia de calor por convección.
El coeficiente de convección depende de varios factores los cuales se debe tomar en cuenta para obtener dicho número para un ejercicio práctico, los factores a tomar en cuenta son los siguientes:

  • del tipo de convección (forzada o natural)
  • del régimen del fluido (laminar o turbulento)
  • de la velocidad del flujo
  • de la viscosidad del fluido,
  • de la densidad del fluido,
  • de la conductividad térmica del fluido

En la transferencia de calor libre o natural un fluido es más caliente o más frío y en contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido.

Determinación de los coeficientes de convección de calor en el siguiente paper:






CALOR Y TEMPERATURA
















EJEMPLOS



El agua de una olla que está al fuego. Se tiene entonces un sistema termodinámico que, en este caso, seria el agua, ya que siendo un fluido, un reservorio térmico; una olla, considerando la base del mismo ya que este mantiene altas temperaturas.

Entonces esta agua recibe energía térmica todo el tiempo por el fogón, pero no por todas partes de la olla, sino solo en su base. Esto significa que el agua que se encuentra en el fondo de la olla recibe energía térmica desde el metal del fondo; al calentarse, las moléculas de agua del fondo se mueve más deprisa y el agua se expande, disminuyendo su densidad: el agua fría de arriba, siendo esta más densa, se hunde, y el agua caliente, menos densa, asciende, produciendo el movimiento de todo el fluido y haciendo que se mezcle las partes frías con las más calientes, haciendo que la transmisión de energía térmica en el agua sea mucho más rápida.

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Este ejemplo se explica en el siguiente video:















El enfriamiento por los aires acondicionados normalmente expulsan el aire frío cerca del techo de las habitaciones, ya que si lo hicieran por el suelo, se formaría simplemente una capa de aire frío en los pies, esto no transmitiría muy eficazmente la energía térmica hacia arriba, ya que la conducción en el aire es cero y la difusión es muy lenta.Es por esto, que al estar cerca del techo, el aire frío y denso, desciende y es reemplazado por el aire más cálido que está cerca del suelo, haciendo que todo el aire en la habitación “se mueva”, así enfriando con más eficacia la habitación. Lo contrario pasa, naturalmente, con chimeneas o calefacciones.

Otro ejemplo de transmisión de calor por convección es el de las brisas. En la playa, en un verano con mucho sol y muy caluroso, tanto la tierra como el mar se calientan por el sol, pero la tierra lo hace más rápidamente que el agua del mar, con lo que cuando miras al mar tienes una masa de agua más fría delante de tus ojos, y una masa terrestre más caliente a tu espalda. En consecuencia, el aire tras de ti se calienta por debajo como el de la olla con agua de arriba, se expande y asciende, mientras que el aire frío frente a ti es más denso y tiende a descender. Entonces, el “hueco” dejado a tu espalda por el aire ascendente es rellenado por el aire frío frente a ti, que a su vez es reemplazado por el aire que tiene encima. Lo que se forma entonces es una célula de convección, y el aire fresco procedente del mar sopla contra tu cara:

Brisa 1
Brisa 1

Cuando es noche pasa lo contrario: una vez más, la tierra se enfría más rápidamente que el mar, con lo que el aire sobre el mar es más caliente que en tierra, se expande y se eleva y es reemplazado por el que hay a tu espalda más frío. Con lo que la brisa viene desde tierra adentro contra tu espalda y hacia el mar:

Brisa 2
Brisa 2

CAPA LÍMITE TÉRMICA


Para el flujo sobre cualquier superficie siempre existirá una capa límite de velocidad, sin embargo una capa límite térmica y de aquí transferencia de calor por convección, existirá sólo si difieren las temperaturas de la superficie (Ts) y del flujo libre (T∞).

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Considerando el flujo sobre una placa plana isotérmica. Al inicio de la placa el perfil de temperaturas es uniforme, con T (y)= T∞ . Sin embargo las partículas del fluido que hacen contacto con la placa alcanzan el equilibrio a la temperatura de la superficie de la placa. A su vez, estas partículas intercambian energía con las de la capa adyacente de fluido y se producen en el fluido gradientes de temperatura. La región del fluido en la que existen estos gradientes de energía es la capa límite térmica, y su espesor δ , se define como el valor de y para el que la razón (T -T )/ (T-T∞)= 0,99 . Al aumentar la distancia desde el inicio de la placa, los efectos de la transferencia de calor penetran más en el flujo libre y crece la capa límite térmica.


APLICACIONES

















Transferencia de calor en la ingeniería


Los problemas de capacidad nominal tratan de la determinación de la velocidad de transferencia de calor para un sistema existente a una diferencia específica de temperatura. Los problemas de dimensionamiento tratan con la determinación del tamaño de un sistema con el fin de transferir calor a una velocidad determinada para una diferencia específica de la temperatura. Un proceso o un equipo de transferencia de calor se pueden analizar de forma experimental o de forma analítica. El procedimiento experimental tiene la ventaja de tratar con el sistema físico real y la cantidad deseada se determina por medición, dentro de los límites del error experimental. El procedimiento analítico tiene la ventaja de que es rápido y barato, pero los resultados obtenidos están sujetos a la exactitud de las hipótesis e idealizaciones establecidas en el análisis. En los estudios de transferencia de calor a menudo se logra una buena aproximación al reducir las opciones a solo unas cuantas mediante el análisis y, a continuación, verificando los hallazgos experimentalmente.

EJERCICIO DE APLICACIÓN




























Aquí te presentamos un paper sobre la convección:



Referencias:

  • http://es.wikipedia.org/wiki/Convecci%C3%B3n

  • Costa José. 1998. Curso de ingeniería química: introducción a los procesos, las operaciones unitarias y los fenómenos de transporte. Editoria Reverte, Barcelona-España.