Convección
Introducción. La transferencia de calor por convección se debe al movimiento del fluido. El fluido frío adyacente a superficies calientes recibe calor que luego transfiere al resto del fluido frío mezclándose con él. La convección libre o natural ocurre cuando el movimiento del fluido no se complementa por agitación mecánica. Pero cuando el fluido se agita mecánicamente, el calor setransfiere por convección forzada. La agitación mecánica puede aplicarse por medio de un agitador, aun cuando en muchas aplicaciones de proceso se induce circulando los fluidos calientes y fríos a velocidades considerables en lados opuestos de tubos. Las convecciones libre y, forzada ocurren a diferentes velocidades, la última es la más rápida y por lo tanto, la más común. Es propósito de estecapítulo establecer un método general para obtener las razones de transferencia de calor particularmente en presencia de convección forzada.
Coeficientes de película. Se vio que en el flujo de calor de una tubería al aire, el paso de calor hacia el aire no se efectuó solamente por convección, el flujo se efectúa parcialmente por radiación y parcialmente por convección libre. Existía unadiferencia de temperatura entre la superficie de la tubería y la temperatura promedio del aire. Sino que la resistencia debe determinarse experimentalmente midiendo apropiadamente la temperatura de la superficie del tubo, la temperatura del aire y el calor transferido desde el tubo, según la cantidad de vapor que se condense en él.
No todos los efectos de la conducción son necesariamente combinacionesde dos de ellos. Particularmente en el caso de convección libre o forzada a líquidos, y de hecho a muchos gases a temperaturas y diferencia de temperaturas moderadas, la influencia de radiación puede despreciarse y la resistencia experimental corresponde a convección forzada o libre, según el caso.
Los recíprocos de la resistencia de transferencia de calor tienen las dimensiones de Btu/ (h)(pie’) (“F) de diferencia de temperatura, y se llaman coeficientes individuales de película o coeficientes de película. Además de que el coeficiente de película es una medida del flujo de calor por unidad de superficie y por unidad de diferencia de temperatura, indica la razón o velocidad a la cual fluidos que tienen una variedad de propiedades físicas y bajo diferentes grados de agitación,transfieren calor. Hay otros factores que influencian los coeficientes de película, tales como el tamaño del tubo y si el fluido se considera o no que está dentro del tubo.
La viscosidad. Para evaluar esta propiedad mediante la dinámica de los fluidos, es necesario hacer dos suposiciones: (1) donde existe una interface sólido-líquido, no hay corrimiento entre el sólido y el líquido, y (2) la regla deNewton: el esfuerzo de corte es proporcional al esfuerzo en dirección perpendicular al movimiento.
Cuando se evalúa en unidades métricas cgs se llama viscosidad absoluta. La viscosidad cinemática es la viscosidad absoluta en centipoises dividida por la gravedad específica.
La unidad de la viscosidad cinemática es el stokes, en honor del matemático inglés Stokes, y la centésima parte delstokes es el centistokes. La viscosidad puede determinarse directamente midiendo el tiempo de emisión de un dispositivo calibrado que tiene un orificio y temperatura controlada. El más común de estos aparatos es el viscómetro de Saybolt, y el tiempo de emisión de una taza estándar a un recibidor estándar se mide en segundos y se registra como Segundos Saybolt Universal, S.S.U.
Transferencia decalor entre sólidos y fluidos: flujo laminar y flujo turbulento. El número de Reynolds. Cuando un líquido fluye en un tubo horizontal, puede hacerlo en forma de movimiento de torbellino no localizado conocido como flujo turbulento, como se muestra en la Fig. 3.4, graficando la velocidad local en la tubería vs. la distancia de su centro. Si la velocidad del líquido disminuye bajo cierto valor…