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Ejemplo: flujo de calor a través de una ventana

Pérdida de calor a través de ventanas.

Una fuente importante de pérdida de calor de una casa es a través de las ventanas. Calcule la tasa de flujo de calor a través de una ventana de vidrio de 1.5 mx  1.0 m de área y 3.0 mm de espesor, si las temperaturas en las superficies interna y externa son 14.0 ° C y 13.0 ° C, respectivamente. Calcule el flujo de calor a través de esta ventana.

Solución:

En este punto, sabemos las temperaturas en las superficies del material. Estas temperaturas también están dadas por las condiciones dentro y fuera de la casa. En este caso, el calor fluye por conducción a través del vidrio desde la temperatura interior más alta hasta la temperatura exterior más baja. Utilizamos la ley de Fourier de la ecuación de conducción térmica:

Suponemos que la conductividad térmica de un vidrio común es k = 0.96 W / mK

El flujo de calor será entonces:

q = 0.96 [W / mK] x 1 [K] / 3.0 x 10 ^-3  [m] = 320 W / m ²

La pérdida total de calor a través de esta ventana será:

q _pérdida  = q. A = 320 x 1.5 x 1.0 = 480W

Ley de Fourier y resistencia térmica

La resistencia térmica  es el recíproco de la conductancia térmica. Así como una resistencia eléctrica está asociada con la conducción de electricidad, una resistencia térmica puede estar asociada con la conducción de calor.

Considere una pared plana de espesor L y conductividad térmica media k. Las dos superficies de la pared se mantienen a temperaturas constantes de T ₁  y T ₂ . Para una conducción de calor estable unidimensional a través de la pared, tenemos T (x). Entonces  la ley  de conducción de calor de  Fourier  para la pared se puede expresar como:

La resistencia térmica  es una propiedad del calor y una medida de la diferencia de temperatura por la cual un objeto o material resiste un flujo de calor. La resistencia térmica para la conducción en una pared plana se define como:

 

Analogía a la resistencia eléctrica.

La ecuación anterior para el flujo de calor es análoga a la relación para el flujo de corriente eléctrica I , expresada como:

donde R _e = L / σ _e A es la resistencia eléctrica y V ₁ – V ₂ es la diferencia de voltaje a través de la resistencia (σ _e es la conductividad eléctrica). La analogía entre ambas ecuaciones es obvia. La velocidad de transferencia de calor a través de una capa corresponde a la corriente eléctrica, la resistencia térmica corresponde a la resistencia eléctrica, y la diferencia de temperatura corresponde a la diferencia de voltaje a través de la capa. La diferencia de temperatura es la función potencial o impulsora del flujo de calor, lo que da como resultado que la ecuación de Fourier se escriba de forma similar a la Ley de la teoría del circuito eléctrico de Ohm.

Las representaciones de circuitos proporcionan una herramienta útil para conceptualizar y cuantificar problemas de transferencia de calor. Esta analogía se puede usar también para la resistencia térmica de la superficie contra la convección de calor. Tenga en cuenta que cuando el coeficiente de transferencia de calor por convección es muy grande (h → infinito), la resistencia de convección se convierte en cero y la temperatura de la superficie se aproxima a la temperatura total. Esta situación se aborda en la práctica en superficies donde se produce ebullición y condensación intensivas.

La transferencia de calor a través de la pared compuesta se puede calcular a partir de estas resistencias. La tasa de transferencia de calor constante entre dos superficies es igual a la diferencia de temperatura dividida por la resistencia térmica total entre esas dos superficies.

El circuito térmico equivalente para la pared plana con condiciones de superficie de convección se muestra en la figura.

Resistencia de contacto térmico – Conductancia de contacto térmico

En ingeniería térmica, la conductancia de contacto térmico [W / m ² .K] o la resistencia de contacto térmico [m ² .K / W]  representa la conducción de calor entre dos cuerpos sólidos. Cuando los componentes se atornillan o se presionan juntos, también se necesita un conocimiento del rendimiento térmico de tales juntas. En estos sistemas compuestos, la caída de temperatura a través de la interfaz entre materiales puede ser apreciable. Esta caída de temperatura se caracteriza por el coeficiente de conductancia de contacto térmico , h _c, que es una propiedad que indica la conductividad térmica, o la capacidad de conducir calor, entre dos cuerpos en contacto. Si bien existen bases de datos extensas sobre las propiedades térmicas de los materiales a granel, no existen bases de datos similares para contactos prensados.

La inversa de esta propiedad se denomina resistencia de contacto térmico .

La resistencia de contacto depende en gran medida de la rugosidad de la superficie . La presión que mantiene juntas las dos superficies también influye en la resistencia de contacto. Se observa que la resistencia térmica de contacto disminuye al disminuir la rugosidad de la superficie y al aumentar la presión de la interfaz. Esto se atribuye al hecho de que la superficie de contacto entre los cuerpos crece a medida que aumenta la presión de contacto. Cuando dos de esas superficies se presionan entre sí, los picos formarán un buen contacto con el material, pero los valles formarán huecos llenos de aire.. Estos huecos llenos de aire actúan como aislamiento debido a la baja conductividad térmica del aire. El número y el tamaño limitados de los puntos de contacto dan como resultado un área de contacto real que es significativamente más pequeña que el área de contacto aparente. En el caso del material compuesto metálico, que se coloca al vacío, la conducción térmica a través de los puntos de contacto es el modo principal de transferencia de calor, y la resistencia de contacto es generalmente mayor que cuando el material compuesto está en presencia de aire u otro fluido. Además, la resistencia de contacto térmico es significativa y puede dominar para buenos conductores de calor como los metales, pero puede descuidarse para los malos conductores de calor como los aisladores.

Por ejemplo:

• La conductancia de contacto térmico para placas de aluminio con una rugosidad superficial de 10 μm colocada en el aire con una presión de interfaz de 1 atm es h _c = 3640 W / m ² .K
• La conductancia de contacto térmico para placas de aluminio con una rugosidad superficial de 10 μm colocada en helio con una presión de interfaz de 1 atm es h _c = 9520 W / m ² .K
• La conductancia de contacto térmico para placas de acero inoxidable con una rugosidad de la superficie de 2.5 μm colocada en el aire con una presión de interfaz de 1 MPa es aproximadamente h _c = 3000 W / m ² .K

La resistencia de contacto térmico se puede minimizar aplicando un líquido termoconductor llamado grasa térmica , como la grasa de la CPU, en las superficies antes de presionarse entre sí. El papel principal de la grasa térmica es eliminar los espacios o espacios de aire (que actúan como aislante térmico) del área de la interfaz para maximizar la transferencia de calor. La conductividad térmica del material intersticial y su presión son las dos propiedades que rigen su influencia en la conductancia de contacto.

Referencia especial: Madhusudana, Chakravarti V., Conductancia de contacto térmico. Springer International Publishing, 2014. ISBN: 978-3-319-01276-6.

Conductividad térmica de no metales

Para los sólidos no metálicos , k está determinado principalmente por k _ph , que aumenta a medida que disminuye la frecuencia de las interacciones entre los átomos y la red. De hecho, la conducción térmica en celosía es el mecanismo de conducción térmica dominante en los no metales, si no el único. En los sólidos, los átomos vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio (red cristalina). Las vibraciones de los átomos no son independientes entre sí, sino que están fuertemente acopladas con los átomos vecinos. La regularidad de la disposición reticular tiene un efecto importante en k _ph , con materiales cristalinos (bien ordenados) como el cuarzo.que tiene una conductividad térmica más alta que los materiales amorfos como el vidrio. A temperaturas suficientemente altas k _ph ∝ 1 / T.

Los cuantos del campo vibratorio de cristal se denominan ” fonones ” . Un fonón es una excitación colectiva en una disposición periódica y elástica de átomos o moléculas en materia condensada, como sólidos y algunos líquidos. Los fonones juegan un papel importante en muchas de las propiedades físicas de la materia condensada, como la conductividad térmica y la conductividad eléctrica. De hecho, para sólidos cristalinos no metálicos como el diamante, k _ph puede ser bastante grande, excediendo los valores de k asociados con buenos conductores, como el aluminio. En particular, el diamante tiene la mayor dureza y conductividad térmica (k = 1000 W / mK) de cualquier material a granel.

Conductividad térmica del dióxido de uranio

La mayoría de los PWR utilizan el combustible de uranio , que está en forma de dióxido de uranio . El dióxido de uranio es un sólido semiconductor negro con muy baja conductividad térmica . Por otro lado, el dióxido de uranio tiene un punto de fusión muy alto y tiene un comportamiento bien conocido . El UO2 se presiona en gránulos , estos gránulos se sinterizan en el sólido.

Estos gránulos se cargan y encapsulan dentro de una barra de combustible (o pasador de combustible), que está hecha de aleaciones de circonio debido a su sección transversal de muy baja absorción (a diferencia del acero inoxidable). La superficie del tubo, que cubre los gránulos, se llama revestimiento de combustible . Las barras de combustible son el elemento base de un conjunto de combustible.

La conductividad térmica del dióxido de uranio es muy baja en comparación con el uranio metálico, nitruro de uranio, carburo de uranio y material de revestimiento de circonio. La conductividad térmica es uno de los parámetros que determinan la temperatura de la línea central del combustible . Esta baja conductividad térmica puede provocar un sobrecalentamiento localizado en la línea central del combustible y, por lo tanto, se debe evitar este sobrecalentamiento. El sobrecalentamiento del combustible se evita manteniendo la tasa de calor lineal máxima (LHR) en estado estable o el factor de canal caliente del flujo de calor – F _Q (z)debajo del nivel en el cual ocurre la fusión de la línea central del combustible. La expansión de la pastilla de combustible al derretirse en la línea central puede hacer que la pastilla tensione el revestimiento hasta el punto de falla.

La conductividad térmica del UO ₂ sólido con una densidad del 95% se estima mediante la siguiente correlación [Klimenko; Zorin]:

donde τ = T / 1000. La incertidumbre de esta correlación es + 10% en el rango de 298.15 a 2000 K y + 20% en el rango de 2000 a 3120 K.

Referencia especial: Centrales térmicas y nucleares / Manual ed. por AV Klimenko y VM Zorin. MEI Press, 2003.

Referencia especial: Propiedades termofísicas de los materiales para la ingeniería nuclear: un tutorial y recopilación de datos. IAEA-THPH, IAEA, Viena, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.

Conductividad térmica de circonio

El circonio es un metal de transición brillante, de color blanco grisáceo y fuerte que se asemeja al hafnio y, en menor medida, al titanio. El circonio se usa principalmente como refractario y opacificador, aunque se usan pequeñas cantidades como agente de aleación por su fuerte resistencia a la corrosión. La aleación de circonio (por ejemplo, Zr + 1% Nb) se usa ampliamente como revestimiento para combustibles de reactores nucleares. Las propiedades deseadas de estas aleaciones son una sección transversal de baja captura de neutrones y resistencia a la corrosión en condiciones normales de servicio. Las aleaciones de circonio tienen una conductividad térmica más baja (aproximadamente 18 W / mK) que el metal de circonio puro (aproximadamente 22 W / mK).

Referencia especial: Propiedades termofísicas de los materiales para la ingeniería nuclear: un tutorial y recopilación de datos. IAEA-THPH, IAEA, Viena, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.

Considere la pared plana de espesor 2L, en la cual hay una generación de calor uniforme y constante por unidad de volumen, q _V [W / m ³ ] . El plano central se toma como el origen de x y la losa se extiende a + L a la derecha y – L a la izquierda. Para la conductividad térmica constante k, la forma apropiada de la ecuación de calor es:

La solución general de esta ecuación es:

donde C ₁ y C ₂ son las constantes de la integración.

1)

Calcule la distribución de temperatura, T (x), a través de esta gruesa pared plana, si:

• las temperaturas en ambas superficies son 15.0 ° C
• El grosor de esta pared es de 2L = 10 mm.
• la conductividad de los materiales es k = 2.8 W / mK (corresponde a dióxido de uranio a 1000 ° C)
• la tasa de calor volumétrica es q _V = 10 ⁶ W / m ³

En este caso, las superficies se mantienen a temperaturas dadas T _{s, 1} y T _{s, 2} . Esto corresponde a la condición límite de Dirichlet . Además, este problema es térmicamente simétrico y, por lo tanto, podemos usar también la condición de límite de simetría térmica . Las constantes pueden evaluarse utilizando la sustitución en la solución general y tienen la forma:

La distribución de temperatura resultante y la temperatura de la línea central (x = 0) (máxima) en esta pared plana en estas condiciones límite específicas serán:

El flujo de calor en cualquier punto, q _x [Wm ^-2 ], en la pared puede, por supuesto, determinarse usando la distribución de temperatura y con la ley de Fourier . Tenga en cuenta que, con la generación de calor, el flujo de calor ya no es independiente de x, por lo tanto:

Ejemplo de ecuación de calor: problema con la solución

Conducción de calor en una barra de combustible

La mayoría de los PWR utilizan el combustible de uranio , que está en forma de dióxido de uranio . El dióxido de uranio es un sólido semiconductor negro con muy baja conductividad térmica. Por otro lado, el dióxido de uranio tiene un punto de fusión muy alto y tiene un comportamiento bien conocido. El UO ₂ se presiona en gránulos cilíndricos , estos gránulos se sinterizan en el sólido.

Estos gránulos cilíndricos se cargan y encapsulan dentro de una barra de combustible (o pasador de combustible), que está hecha de aleaciones de circonio debido a su sección transversal de muy baja absorción (a diferencia del acero inoxidable). La superficie del tubo, que cubre los gránulos, se llama revestimiento de combustible .

Ver también:  conducción térmica de dióxido de uranio

El comportamiento térmico y mecánico de las pastillas de combustible  y las barras de combustible constituyen una de las tres disciplinas clave de diseño principales. El combustible nuclear se opera en condiciones muy inhóspitas (térmicas, de radiación, mecánicas) y debe soportar un funcionamiento superior al normal. Por ejemplo, las temperaturas en el centro de los gránulos de combustible alcanzan más de 1000 ° C (1832 ° F) acompañadas de liberaciones de gases de fisión. Por lo tanto, el conocimiento detallado de la distribución de temperatura dentro de una sola barra de combustible es esencial para la operación segura del combustible nuclear. En esta sección estudiaremos la ecuación de conducción de calor en coordenadas cilíndricas.usando la condición de límite de Dirichlet con una temperatura superficial dada (es decir, usando la condición de límite de Dirichlet). El análisis exhaustivo del perfil de temperatura de la barra de combustible se estudiará en una sección separada.

Temperatura en la línea central de una pastilla de combustible

Considere la pastilla de combustible de radio r _U = 0.40 cm , en la cual hay una generación de calor uniforme y constante por unidad de volumen, q _V [W / m ³ ] . En lugar de la tasa de calor volumétrica q _V [W / m ³ ], los ingenieros a menudo usan la tasa de calor lineal, q _L [W / m] , que representa la tasa de calor de un metro de varilla de combustible. La tasa de calor lineal se puede calcular a partir de la tasa de calor volumétrica mediante:

La línea central se toma como el origen de la coordenada r. Debido a la simetría en la dirección zy en la dirección azimutal, podemos separar las variables y simplificar este problema a un problema unidimensional . Por lo tanto, resolveremos la temperatura solo en función del radio, T (r) . Para una conductividad térmica constante , k, la forma apropiada de la ecuación de calor cilíndrica , es:

La solución general de esta ecuación es:

donde C ₁ y C ₂ son las constantes de la integración.

Calcule la distribución de temperatura, T (r) , en esta pastilla de combustible, si:

• las temperaturas en la superficie del pellet de combustible son T _U = 420 ° C
• el radio de la pastilla de combustible r _U = 4 mm .
• la conductividad promedio del material es k = 2.8 W / mK (corresponde a dióxido de uranio a 1000 ° C)
• la tasa de calor lineal es q _L = 300 W / cm y, por lo tanto, la tasa de calor volumétrica es q _V = 597 x 10 ⁶ W / m ³

En este caso, la superficie se mantiene a temperaturas dadas T _U . Esto corresponde a la condición límite de Dirichlet . Además, este problema es térmicamente simétrico y, por lo tanto, podemos usar también la condición de límite de simetría térmica . Las constantes pueden evaluarse utilizando la sustitución en la solución general y tienen la forma:

La distribución de temperatura resultante y la temperatura de la línea central (r = 0) (máxima) en esta pastilla de combustible cilíndrica en estas condiciones límite específicas serán:

El flujo de calor radial en cualquier radio, q _r [Wm ^-1 ], en el cilindro puede, por supuesto, determinarse usando la distribución de temperatura y con la ley de Fourier . Tenga en cuenta que, con la generación de calor, el flujo de calor ya no es independiente de r.

La siguiente figura muestra la distribución de temperatura en la pastilla de combustible a varios niveles de potencia.

______

La temperatura en un reactor en funcionamiento varía de un punto a otro dentro del sistema. Como consecuencia, siempre hay una barra de combustible y un volumen local , que están más calientes  que el resto. Con el fin de limitar estos lugares calientes los límites de potencia de pico deben ser introducidos. Los límites de potencia máxima están asociados con una crisis de ebullición y con las condiciones que podrían causar el derretimiento de los pellets de combustible. Sin embargo, las consideraciones metalúrgicas imponen límites superiores a la temperatura del revestimiento de combustible y la pastilla de combustible. Por encima de estas temperaturasExiste el peligro de que el combustible se dañe. Uno de los objetivos principales en el diseño de reactores nucleares es proporcionar la eliminación del calor producido al nivel de potencia deseado, mientras se asegura que la temperatura máxima del combustible y la temperatura máxima del revestimiento estén siempre por debajo de estos valores predeterminados.

Distribución de temperatura en revestimiento de combustible

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 hacia el refrigerante del reactor y lo contaminen. El revestimiento constituye una de las barreras en el enfoque de ‘ defensa en profundidad ‘.

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.

Para encontrar la distribución de temperatura a través del revestimiento, debemos resolver la  ecuación de conducción de calor . Debido a la simetría en la dirección zy en la dirección azimutal, podemos separar las variables y simplificar este problema a un problema unidimensional. Por lo tanto, resolveremos la temperatura solo en función del radio, T (r). En este ejemplo, asumiremos que estrictamente no hay generación de calor dentro del revestimiento. Para una conductividad térmica constante, k, la forma apropiada de la ecuación de calor cilíndrica, es:

La solución general de esta ecuación es:

donde C ₁  y C ₂  son las constantes de la integración.

1)

Calcule la distribución de temperatura, T (r), en este revestimiento de combustible, si:

• la temperatura en la superficie interna del revestimiento es T _{Zr, 2}  = 360 ° C
• la temperatura del refrigerante del reactor en esta coordenada axial es T a _granel  = 300 ° C
• El coeficiente de transferencia de calor (convección; flujo turbulento) es h = 41 kW / m ² .K.
• la conductividad promedio del material es k = 18 W / mK
• la tasa de calor lineal del combustible es q _L  = 300 W / cm y, por lo tanto, la tasa de calor volumétrica es q _V  = 597 x 10 ⁶  W / m ³

A partir de la relación básica para la transferencia de calor por convección, podemos calcular la superficie externa del revestimiento como:

Como se puede ver, también en este caso hemos dado temperaturas de superficie T _{Zr, 1}  y T _{Zr, 2} . Esto corresponde a la condición límite de Dirichlet. Las constantes pueden evaluarse utilizando la sustitución en la solución general y tienen la forma:

Resolviendo C ₁  y C ₂  y sustituyéndolo en la solución general, obtenemos:

∆T – superficie de revestimiento – refrigerante

El conocimiento detallado de la geometría, el radio exterior del revestimiento, la tasa de calor lineal, el coeficiente de transferencia de calor por convección y la temperatura del refrigerante determinan  ∆T  entre el refrigerante (T _volumen ) y la superficie del revestimiento (T _{Zr, 1} ). Por lo tanto, podemos calcular la temperatura de la superficie del revestimiento (T _{Zr, 1} ) simplemente usando la  Ley de Newton :

∆T en revestimiento de combustible

El conocimiento detallado de la geometría, el radio exterior e interior del revestimiento, la tasa de calor lineal y la temperatura de la superficie del revestimiento (T _{Zr, 1} ) determinan  ∆T  entre las superficies exterior e interior del revestimiento. Por lo tanto, podemos calcular la temperatura de la superficie del revestimiento interior (T _{Zr, 2} ) simplemente usando la  Ley de Fourier :

Conductividad térmica constante y transferencia de calor en estado estable: ecuación de PoissonA menudo son posibles simplificaciones adicionales de la forma general de la ecuación de calor. Por ejemplo, en condiciones de estado estable, no puede haber cambios en la cantidad de almacenamiento de energía (∂T / ∂t = 0).

Ecuación de calor unidimensional

Una de las suposiciones más poderosas es que el caso especial de transferencia de calor unidimensional en la dirección x. En este caso, las derivadas con respecto a y y z caen y las ecuaciones anteriores se reducen a (coordenadas cartesianas):

Conducción de calor en coordenadas cilíndricas y esféricas.

En ingeniería, hay muchos problemas que no se pueden resolver en coordenadas cartesianas. Los sistemas cilíndricos y esféricos son muy comunes en térmica y especialmente en ingeniería de energía. La ecuación de calor también se puede expresar en coordenadas cilíndricas y esféricas. La ecuación general de conducción de calor en coordenadas cilíndricas puede obtenerse a partir de un balance de energía en un elemento de volumen en coordenadas cilíndricas y utilizando el operador de Laplace, Δ, en forma cilíndrica y esférica .

Coordenadas cilíndricas:

Coordenadas esféricas

La obtención de soluciones analíticas para estas ecuaciones diferenciales requiere un conocimiento de las técnicas de solución de ecuaciones diferenciales parciales, que está más allá del alcance de este texto. Por otro lado, hay muchas simplificaciones y suposiciones que se pueden aplicar a estas ecuaciones y que conducen a resultados muy importantes. En la siguiente sección, limitamos nuestra consideración a casos de estado estacionario unidimensionales con conductividad térmica constante, ya que resultan en ecuaciones diferenciales ordinarias.

Límite y condiciones iniciales

En cuanto a otra ecuación diferencial , la solución está dada por los límites y las condiciones iniciales . Con respecto a las condiciones de contorno, existen varias posibilidades comunes que simplemente se expresan en forma matemática.

Debido a que la ecuación de calor es de segundo orden en las coordenadas espaciales, para describir un problema de transferencia de calor por completo, se deben dar dos condiciones límite para cada dirección del sistema de coordenadas a lo largo de la cual la transferencia de calor es significativa. Por lo tanto, necesitamos especificar cuatro condiciones límite para problemas bidimensionales y seis condiciones límite para problemas tridimensionales.

En la siguiente sección se resumen cuatro tipos de condiciones límite comúnmente encontradas en la transferencia de calor:

La transferencia de calor por convección es más difícil de analizar que la transferencia de calor por conducción porque no se puede definir una propiedad única del medio de transferencia de calor, como la conductividad térmica , para describir el mecanismo. La transferencia de calor por convección es complicada por el hecho de que involucra movimiento de fluidos y conducción de calor . La transferencia de calor por convección varía de una situación a otra (según las condiciones del flujo de fluido), y con frecuencia se combina con el modo de flujo de fluido . En la convección forzada, la velocidad de transferencia de calor a través de un fluido es mucho mayor por convección que por conducción.En la práctica, el análisis de la transferencia de calor por convección se trata empíricamente (por observación experimental directa). La mayoría de los problemas se pueden resolver utilizando los llamados números característicos (por ejemplo, el número de Nusselt ). Los números característicos son números adimensionales que se usan para describir un carácter de transferencia de calor y se pueden usar para comparar una situación real (por ejemplo, transferencia de calor en una tubería) con un modelo a pequeña escala . La experiencia muestra que la transferencia de calor por convección depende en gran medida de las propiedades del fluido, viscosidad dinámica , conductividad térmica , densidad y calor específico , así como della velocidad del fluido . También depende de la geometría y la rugosidad de la superficie sólida, además del tipo de flujo de fluido. Todas estas condiciones afectan especialmente el espesor de la película estancada .

La convección implica la transferencia de calor entre una superficie a una temperatura dada ( _pared T ) y el fluido a una temperatura aparente (T _b ). La definición exacta de la temperatura a granel (T _b ) varía según los detalles de la situación.

• Para flujo adyacente a una superficie caliente o fría, T _b es la temperatura del fluido “lejos” de la superficie.
• Para ebullición o condensación, T _b es la temperatura de saturación del fluido.
• Para el flujo en una tubería, T _b es la temperatura promedio medida en una sección transversal particular de la tubería.

Ley de enfriamiento de Newton

A pesar de la complejidad de la convección , se observa que la velocidad de transferencia de calor por convección es proporcional a la diferencia de temperatura y se expresa convenientemente por la ley de enfriamiento de Newton , que establece que:

La tasa de pérdida de calor de un cuerpo es directamente proporcional a la diferencia de temperaturas entre el cuerpo y sus alrededores, siempre que la diferencia de temperatura sea pequeña y la naturaleza de la superficie radiante permanezca igual.

Tenga en cuenta que, ΔT viene dado por la temperatura de la superficie o la pared , la _pared T y la temperatura total , T _∞ , que es la temperatura del fluido suficientemente lejos de la superficie.

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. Como se escribió, la ebullición nucleadaen la superficie altera efectivamente esta capa estancada y, por lo tanto, la ebullición de los nucleados aumenta significativamente la capacidad de una superficie para transferir energía térmica al fluido a granel.

Un fenómeno similar ocurre para la temperatura. Se observa que la temperatura del fluido en la superficie y la superficie tendrá la misma temperatura en el punto de contacto. Este fenómeno se conoce como la condición de salto sin temperatura y es muy importante para la teoría de la ebullición de nucleados .

Los valores del coeficiente de transferencia de calor , h, se han medido y tabulado para los fluidos comúnmente encontrados y las situaciones de flujo que ocurren durante la transferencia de calor por convección.