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Clasificación de los regímenes de flujo

El régimen de flujo también se puede clasificar de acuerdo con la  geometría de un conducto  o área de flujo. Desde este punto de vista, distinguimos:

• Flujo interno
• Flujo externo

El flujo interno  es un flujo para el cual el fluido está confinado por una superficie. El conocimiento detallado del comportamiento de los regímenes de flujo interno es  importante en ingeniería , ya que las tuberías circulares pueden soportar altas presiones y, por lo tanto, se utilizan para transportar líquidos. Por otro lado,  el flujo externo  es un flujo en el que las capas límite se desarrollan libremente, sin restricciones impuestas por las superficies adyacentes. El conocimiento detallado del comportamiento de  los  regímenes de flujo externo es  importante especialmente en aeronáutica  y  aerodinámica .

Flujo interno

En la dinámica de fluidos , el flujo interno es un flujo para el cual el fluido está  confinado por una superficie . El conocimiento detallado del comportamiento de los regímenes de flujo interno es importante en ingeniería, ya que las tuberías circulares pueden soportar altas presiones y, por lo tanto, se utilizan para transportar líquidos. Los conductos no circulares se utilizan para transportar gases a baja presión, como el aire en los sistemas de refrigeración y calefacción. La configuración de flujo interno es una geometría conveniente para calentar y enfriar fluidos utilizados en tecnologías de conversión de energía como  las plantas de energía nuclear .

Para  el régimen de flujo interno,  una  región de entrada  es típica. En esta región, un flujo ascendente casi invisible se converge y entra al tubo. Para caracterizar esta región,   se introduce la longitud de entrada hidrodinámica y es aproximadamente igual a:

La longitud máxima de entrada hidrodinámica, en  Re _{D, crit}  = 2300  ( flujo laminar ), es L _e  = 138d, donde D es el diámetro de la tubería. Esta es la mayor longitud de desarrollo posible. En  flujo turbulento , las capas límite crecen más rápido, y L _e  es relativamente más corto. Para cualquier problema,   se debe  verificar L _e  / D  para ver si L _e  es insignificante en comparación con la longitud de la tubería. A una distancia finita de la entrada, los efectos de entrada pueden descuidarse, porque las capas límite se fusionan y el núcleo invisible desaparece. El flujo del tubo se  desarrolla completamente .

Ecuación de Gnielinski

Aunque las ecuaciones de Dittus-Boelter y Sieder-Tate se aplican fácilmente y son ciertamente satisfactorias para los propósitos de este artículo, su uso puede ocasionar errores de hasta un 25%. Dichos errores pueden reducirse mediante el uso de correlaciones más recientes, pero generalmente más complejas, como la correlación de Gnielinski . Esta ecuación es válida para tubos en un amplio rango de números de Reynolds, incluida la región de transición.

El factor de fricción de Darcy , f,  es una cantidad adimensional utilizada en la ecuación de Darcy-Weisbach , para la descripción de pérdidas por fricción en tuberías o conductos, así como para el flujo de canal abierto. Esto también se llama  factor de fricción de Darcy-Weisbach ,  coeficiente de resistencia o simplemente  factor de fricción .

Tubos de paredes rugosas

También observamos que todas estas ecuaciones pertenecen a tubos lisos. Para flujo turbulento en tubos rugosos, el coeficiente de transferencia de calor aumenta con la rugosidad de la pared . A medida que aumenta el número de Reynolds , la subcapa viscosa se vuelve más delgada y más pequeña. En un número Reynolds muy alto, la subcapa viscosa se vuelve tan delgada que la rugosidad de la superficie sobresale en el flujo. Las pérdidas por fricción en este caso se producen en el flujo principal principalmente por los elementos de rugosidad que sobresalen, y la contribución de la subcapa laminar es insignificante.

Referencia especial: Un libro de texto de transferencia de calor, John H. Lienhard IV y John H. Lienhard V. Phlogiston Press, 2012.

Ecuación de Sieder-Tate

La  correlación Dittus-Boelter  puede usarse para diferencias de temperatura pequeñas a moderadas, T _wall  – T _avg , con todas las propiedades evaluadas a una temperatura _promedio T _avg .

Para flujos caracterizados por grandes variaciones de propiedades, las correcciones (p. Ej., Un factor de corrección de viscosidad  μ / μ _wall ) deben tenerse en cuenta, por ejemplo, como recomiendan Sieder y Tate.

Cuando la diferencia entre la superficie y las temperaturas del fluido es grande, puede ser necesario tener en cuenta la variación de la viscosidad con la temperatura. Por lo tanto, Sieder y Tate (1936) propusieron una forma modificada de la ecuación de Dittus-Boelter .

Ecuación de Gnielinski

Aunque las ecuaciones de Dittus-Boelter y Sieder-Tate se aplican fácilmente y son ciertamente satisfactorias para los propósitos de este artículo, su uso puede ocasionar errores de hasta un 25%. Dichos errores pueden reducirse mediante el uso de correlaciones más recientes, pero generalmente más complejas, como la correlación de Gnielinski . Esta ecuación es válida para tubos en un amplio rango de números de Reynolds, incluida la región de transición.

El factor de fricción de Darcy , f,  es una cantidad adimensional utilizada en la ecuación de Darcy-Weisbach , para la descripción de pérdidas por fricción en tuberías o conductos, así como para el flujo de canal abierto. Esto también se llama  factor de fricción de Darcy-Weisbach ,  coeficiente de resistencia o simplemente  factor de fricción .

Tubos de paredes rugosas

También observamos que todas estas ecuaciones pertenecen a tubos lisos. Para flujo turbulento en tubos rugosos, el coeficiente de transferencia de calor aumenta con la rugosidad de la pared . A medida que aumenta el número de Reynolds , la subcapa viscosa se vuelve más delgada y más pequeña. En un número Reynolds muy alto, la subcapa viscosa se vuelve tan delgada que la rugosidad de la superficie sobresale en el flujo. Las pérdidas por fricción en este caso se producen en el flujo principal principalmente por los elementos de rugosidad que sobresalen, y la contribución de la subcapa laminar es insignificante.

Referencia especial: Un libro de texto de transferencia de calor, John H. Lienhard IV y John H. Lienhard V. Phlogiston Press, 2012.

Energía Térmica y Calor

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Energía Térmica y Calor

Mientras que la energía térmica se  refiere a la energía total de todas las moléculas dentro del objeto, el  calor  es la cantidad de energía que  fluye  de un cuerpo a otro de forma espontánea debido a su diferencia de temperatura. El calor  es una forma de energía, pero es  energía en tránsito . El calor no es una propiedad de un sistema. Sin embargo, la transferencia de energía como calor ocurre a nivel molecular como resultado de una  diferencia de temperatura .

Considere un  bloque de metal  a alta temperatura, que consiste en átomos que oscilan intensamente alrededor de sus posiciones promedio. A bajas temperaturas , los átomos continúan oscilando, pero con  menos intensidad . Si un bloque de metal más caliente se pone en contacto con un bloque más frío, los átomos que oscilan intensamente en el borde del bloque más caliente emiten su energía cinética a los átomos menos oscilantes en el borde del bloque frío. En este caso, hay  una transferencia de energía  entre estos dos bloques y el  calor fluye  del bloque más caliente al más frío por estas vibraciones aleatorias.

Distinguir temperatura, calor y energía térmica

Usando la teoría cinética, se puede hacer una distinción clara entre estas tres propiedades.

• La temperatura  está relacionada con las  energías cinéticas  de las moléculas de un material. Es la energía cinética promedio de las moléculas individuales.
• La energía interna se  refiere a la energía total de todas las moléculas dentro del objeto. Es una  propiedad extensa , por lo tanto, cuando dos lingotes de acero en caliente de igual masa pueden tener la misma temperatura, pero dos de ellos tienen el doble de energía interna que uno.
• Finalmente, el  calor  es la cantidad de energía que fluye de un cuerpo a otro de forma espontánea debido a su diferencia de temperatura.

Debe agregarse, cuando  existe una  diferencia de temperatura , el calor fluye espontáneamente  del sistema más cálido al sistema más frío . Por lo tanto, si un cubo de acero de 5 kg a 100 ° C se pone en contacto con un cubo de acero de 500 kg a 20 ° C, el calor fluye desde el cubo a 300 ° C al cubo a 20 ° C, aunque la energía interna del cubo de 20 ° C es mucho mayor porque hay mucho más.

Energía térmica – Definición

Energía térmica – Definición

En termodinámica, la energía térmica (también llamada energía interna ) se define como la energía asociada con formas microscópicas de energía . Es una cantidad extensa , depende del tamaño del sistema o de la cantidad de sustancia que contiene. La unidad SI de  energía térmica es el julio (J) . Es la energía contenida dentro del sistema, excluyendo la energía cinética de movimiento del sistema como un todo y la energía potencial del sistema. Las formas microscópicas de energía incluyen aquellas debidas a la rotación , vibración, traslación e interacciones. entre las moléculas de una sustancia. Ninguna de estas formas de energía se puede medir o evaluar directamente, pero se han desarrollado técnicas para evaluar el cambio en la suma total de todas estas formas microscópicas de energía.

Energía microscópica

Energía térmica – Definición

La energía interna implica energía a escala microscópica . Se puede dividir en energía potencial microscópica, U _pot , y energía cinética microscópica, U _kin , componentes:

U = U _pot + U _kin

donde la energía cinética microscópica, U _kin , involucra los movimientos de todas las partículas del sistema con respecto al marco del centro de masa. Para un gas monoatómico ideal , esto es solo la energía cinética traslacional del movimiento lineal de los átomos. Las partículas monoatómicas no giran ni vibran. El comportamiento del sistema está bien descrito por la teoría cinética de los gases. La teoría cinética se basa en el hecho de que durante una colisión elástica entre una molécula con alta energía cinética y otra con baja energía cinética, parte de la energía se transferirá a la molécula de menor energía cinética. Sin embargo, para los gases poliatómicos hay rotación yenergía cinética vibracional también.

La energía potencial microscópica, U _pot , involucra los enlaces químicos entre los átomos que forman las moléculas, las fuerzas de unión en el núcleo y también los campos de fuerza física dentro del sistema (por ejemplo, campos eléctricos o magnéticos).

En líquidos y sólidos hay un componente significativo de energía potencial asociado con las fuerzas de atracción intermoleculares .

Ejemplo – Convección – Temperatura de la superficie del revestimiento

Ejemplo – Convección – Problema con la solución 

El revestimiento es la capa externa de las barras de combustible, que se encuentra entre el refrigerante del reactor y el combustible nuclear(es decir, las pastillas de combustible ). Está hecho de un material resistente a la corrosión con una sección transversal de baja absorción para neutrones térmicos , generalmente aleación de circonio . El revestimiento evita que los productos de fisión radiactiva escapen de la matriz de combustible al refrigerante del reactor y lo contaminen. El revestimiento constituye una de las barreras en el enfoque de ‘ defensa en profundidad ‘, por lo tanto, su capacidad de enfriamiento es uno de los aspectos clave de seguridad.

Considere el revestimiento de combustible del radio interno r _{Zr, 2} = 0.408 cm y el radio externo r _{Zr, 1} = 0.465 cm . En comparación con el granulado de combustible, casi no hay generación de calor en el revestimiento de combustible (el revestimiento se calienta ligeramente por radiación ). Todo el calor generado en el combustible debe transferirse por conducción a través del revestimiento y, por lo tanto, la superficie interna está más caliente que la superficie externa.

Factor U – Coeficiente general de transferencia de calor

Muchos de los procesos de transferencia de calor que se encuentran en la industria involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de conducción y convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor en general, conocido como un factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton :

El coeficiente global de transferencia de calor está relacionado con la resistencia térmica total y depende de la geometría del problema. Por ejemplo, la transferencia de calor en un generador de vapor implica la convección desde la mayor parte del refrigerante del reactor a la superficie del tubo interno del generador de vapor, la conducción a través de la pared del tubo y la convección (ebullición) desde la superficie del tubo externo al fluido lateral secundario.

En casos de transferencia de calor combinada para un intercambiador de calor, hay dos valores para h. Existe el coeficiente de transferencia de calor convectivo (h) para la película de fluido dentro de los tubos y un coeficiente de transferencia de calor convectivo para la película de fluido fuera de los tubos. La conductividad térmica (k) y el espesor (? X) de la pared del tubo también deben tenerse en cuenta.

Coeficiente general de transferencia de calor: pared plana

Coeficiente general de transferencia de calor: tubos cilíndricos

La transferencia de calor constante a través de capas cilíndricas o esféricas de varias capas se puede manejar como paredes planas de varias capas.

Conductividad térmica

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada  conductividad térmica , k (o λ), medida en  W / mK . Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por conducción. Tenga en cuenta que  la ley de Fourier se  aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gaseoso), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

La  conductividad térmica  de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

La mayoría de los materiales son casi casi homogéneos, por lo tanto, generalmente podemos escribir  k = k (T) . Definiciones similares se asocian con conductividades térmicas en las direcciones y y z (k _y , k _z ), pero para un material isotrópico la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, k _x  = k _y  = k _z  = k.

De la ecuación anterior, se deduce que el flujo de calor de conducción aumenta al aumentar la conductividad térmica y aumenta al aumentar la diferencia de temperatura. En general, la conductividad térmica de un sólido es mayor que la de un líquido, que es mayor que la de un gas. Esta tendencia se debe en gran parte a las diferencias en el  espacio intermolecular  para los dos estados de la materia. En particular, el diamante tiene la mayor dureza y conductividad térmica de cualquier material a granel.

Coeficiente de transferencia de calor convectivo

Como puede verse, la  constante de proporcionalidad  será crucial en los cálculos y se conoce como el  coeficiente de transferencia de calor por convección ,  h . El  coeficiente de transferencia de calor por convección,  h, se puede definir como:

La velocidad de transferencia de calor entre una superficie sólida y un fluido por unidad de superficie por unidad de diferencia de temperatura.

El  coeficiente de transferencia de calor por convección  depende de las propiedades físicas del fluido y la situación física. El coeficiente de transferencia de calor por convección no es una propiedad del fluido. Es un parámetro determinado experimentalmente cuyo valor depende de todas las variables que influyen en la convección, como la geometría de la  superficie , la  naturaleza del movimiento del fluido , las  propiedades del fluido y la  velocidad del fluido a granel .

Típicamente, el  coeficiente de transferencia de calor por convección  para  flujo laminar  es relativamente bajo en comparación con el  coeficiente de transferencia de calor por convección  para  flujo turbulento . Esto se debe al flujo turbulento que tiene una  capa de película de fluido estancada más delgada  en la superficie de transferencia de calor.

Cabe señalar que esta  capa de película de fluido estancada  juega un papel crucial para el coeficiente de transferencia de calor por convección. Se observa que el fluido se  detiene completamente en la superficie y asume una velocidad cero en relación con la superficie. Este fenómeno se conoce como la condición antideslizante y, por lo tanto,  en la superficie,  el flujo de energía ocurre  puramente por conducción. Pero en las siguientes capas se producen movimientos de conducción y difusión de masa en el nivel molecular o macroscópico. Debido al movimiento de masa, la tasa de transferencia de energía es mayor.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

Capa límite de velocidad

En general, cuando un fluido fluye a través de una superficie estacionaria , por ejemplo, la placa plana, la cama de un río, o la pared de un tubo, el fluido de tocar la superficie se lleva a resto por el esfuerzo de cizallamiento a la pared. La región en la que el flujo se ajusta desde la velocidad cero en la pared hasta un máximo en la corriente principal del flujo se denomina capa límite . El concepto de capas límite es importante en todas las dinámicas de fluidos viscosos y también en la teoría de la transferencia de calor.

Las características básicas de todas las capas límite laminares y turbulentas se muestran en el flujo de revelado sobre una placa plana. Las etapas de la formación de la capa límite se muestran en la siguiente figura:

Capas límite pueden ser laminar o turbulento en función del valor de la número de Reynolds .

Ver también: capa límite

Capa límite térmica

De manera similar, a medida que se desarrolla una capa límite de velocidad cuando hay flujo de fluido sobre una superficie, debe desarrollarse una capa límite térmica si la temperatura total y la temperatura de la superficie difieren. Considere fluir sobre una placa plana isotérmica a una temperatura constante de T _{de la pared} . En el borde de ataque del perfil de temperatura es uniforme con T _mayor . Las partículas fluidas que entran en contacto con la placa alcanzan el equilibrio térmico a la temperatura de la superficie de la placa. En este punto, el flujo de energía se produce en la superficie únicamente por conducción.. Estas partículas intercambian energía con las de la capa de fluido adyacente (por conducción y difusión), y se desarrollan gradientes de temperatura en el fluido. La región del fluido en la que existen estos gradientes de temperatura es la capa límite térmica . Su grosor , δ _t , se define típicamente como la distancia del cuerpo a la cual la temperatura es el 99% de la temperatura encontrada en una solución invisible. Con el aumento de la distancia desde el borde de ataque, los efectos de la transferencia de calor penetran más en la corriente y la capa límite térmica crece.

La relación de estos dos espesores (velocidad y capas límite térmicos) se rige por el número de Prandtl , que se define como la relación de difusividad impulso a la difusividad térmica . Un número de unidad de Prandtl indica que el momento y la difusividad térmica son comparables, y que las capas límite de velocidad y térmica casi coinciden entre sí. Si el número de Prandtl es menor que 1, como es el caso del aire en condiciones estándar, la capa límite térmica es más gruesa que la capa límite de velocidad. Si el número de Prandtl es mayor que 1, la capa límite térmica es más delgada que la capa límite de velocidad. El aire a temperatura ambiente tiene un número de Prandtl de 0,71 y paraagua a 18 ° C es alrededor de 7,56 , lo que significa que la difusividad térmica es más dominante para el aire que para el agua.

Del mismo modo que para el número de Prandtl , el número de Lewis relaciona físicamente el grosor relativo de la capa térmica y la capa límite de transferencia de masa (concentración). El número de Schmidt relaciona físicamente el grosor relativo de la capa límite de velocidad y la capa límite de transferencia de masa (concentración).

donde n = 1/3 para la mayoría de las aplicaciones en las tres relaciones. Estas relaciones, en general, son aplicables solo para flujo laminar y no son aplicables a capas límite turbulentas ya que la mezcla turbulenta en este caso puede dominar los procesos de difusión.

Corrientes de convección: circulación atmosférica

Uno de los fenómenos más importantes para el clima de la Tierra es la circulación atmosférica , que es el movimiento a gran escala del aire, y es un medio por el cual la energía térmica (junto con la circulación oceánica) se distribuye en la superficie de la Tierra. . La circulación atmosférica de la Tierra varía de año en año, pero la estructura a gran escala de su circulación permanece bastante constante.

La circulación atmosférica es una consecuencia de la iluminación de la Tierra por el Sol, y las leyes de la termodinámica . La circulación atmosférica puede verse como un motor térmico impulsado por la energía del Sol, y cuya energía se hunde, en última instancia, es la oscuridad del espacio. Desde este punto de vista, también las turbinas eólicas funcionan con el sol.

Creación de corrientes de convección.

La creación de corrientes de convección  se basa en tres supuestos físicos:

• Presencia de fuente de calor . Se requiere una fuente de calor, porque  las corrientes de convección  se generan por las diferencias de densidad en el fluido que se producen debido a los gradientes de temperatura. En la convección natural, el fluido que rodea una fuente de calor recibe calor y, por expansión térmica, se vuelve menos denso y se eleva. La expansión térmica del fluido juega un papel crucial. En otras palabras, los componentes más pesados ​​(más densos) caerán, mientras que los componentes más livianos (menos densos) se elevarán, lo que provocará un movimiento de fluido a granel.
• Presencia de aceleración adecuada. La convección natural solo puede ocurrir en un campo gravitacional o en presencia de otra aceleración adecuada, como la aceleración, la fuerza centrífuga y la fuerza de Coriolis. La convección natural esencialmente no opera en la órbita de la Tierra. Por ejemplo, en la Estación Espacial Internacional en órbita, se requieren otros mecanismos de transferencia de calor para evitar el sobrecalentamiento de los componentes electrónicos.
• Geometría adecuada . La presencia y la magnitud de la convección natural también dependen de la geometría del problema. La presencia de un gradiente de densidad de fluido en un campo gravitacional no asegura la existencia de corrientes de convección naturales. Este problema se ilustra en la siguiente figura, donde un fluido está encerrado por dos grandes placas horizontales de diferente temperatura (T _superior  ≠ T _inferior ).
  • En el  caso A,  la temperatura de la placa inferior es más alta que la temperatura de la placa superior. En este caso, la densidad disminuye en la dirección de la fuerza gravitacional. Esta geometría induce la circulación del fluido y la transferencia de calor se produce a través de  la circulación natural . El fluido más pesado descenderá, calentándose en el proceso, mientras que el fluido más ligero se elevará, enfriándose a medida que se mueve.
  • En el  caso B,  la temperatura de la placa inferior es inferior a la temperatura de la placa superior. En este caso, la densidad aumenta en la dirección de la fuerza gravitacional. Esta geometría conduce a condiciones estables, gradiente de temperatura estable y no induce la circulación del fluido. La transferencia de calor se produce únicamente por conducción térmica.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

Creación de corrientes de convección.

La creación de corrientes de convección  se basa en tres supuestos físicos:

• Presencia de fuente de calor . Se requiere una fuente de calor, porque  las corrientes de convección  se generan por las diferencias de densidad en el fluido que se producen debido a los gradientes de temperatura. En la convección natural, el fluido que rodea una fuente de calor recibe calor y, por expansión térmica, se vuelve menos denso y se eleva. La expansión térmica del fluido juega un papel crucial. En otras palabras, los componentes más pesados ​​(más densos) caerán, mientras que los componentes más livianos (menos densos) se elevarán, lo que provocará un movimiento de fluido a granel.
• Presencia de aceleración adecuada. La convección natural solo puede ocurrir en un campo gravitacional o en presencia de otra aceleración adecuada, como la aceleración, la fuerza centrífuga y la fuerza de Coriolis. La convección natural esencialmente no opera en la órbita de la Tierra. Por ejemplo, en la Estación Espacial Internacional en órbita, se requieren otros mecanismos de transferencia de calor para evitar el sobrecalentamiento de los componentes electrónicos.
• Geometría adecuada . La presencia y la magnitud de la convección natural también dependen de la geometría del problema. La presencia de un gradiente de densidad de fluido en un campo gravitacional no asegura la existencia de corrientes de convección naturales. Este problema se ilustra en la siguiente figura, donde un fluido está encerrado por dos grandes placas horizontales de diferente temperatura (T _superior  ≠ T _inferior ).
  • En el  caso A,  la temperatura de la placa inferior es más alta que la temperatura de la placa superior. En este caso, la densidad disminuye en la dirección de la fuerza gravitacional. Esta geometría induce la circulación del fluido y la transferencia de calor se produce a través de  la circulación natural . El fluido más pesado descenderá, calentándose en el proceso, mientras que el fluido más ligero se elevará, enfriándose a medida que se mueve.
  • En el  caso B,  la temperatura de la placa inferior es inferior a la temperatura de la placa superior. En este caso, la densidad aumenta en la dirección de la fuerza gravitacional. Esta geometría conduce a condiciones estables, gradiente de temperatura estable y no induce la circulación del fluido. La transferencia de calor se produce únicamente por conducción térmica.