Convección Forzada y Natural Combinada
Como se escribió, la convección tiene lugar mediante advección, difusión o ambas. En los capítulos anteriores consideramos la transferencia por convección en los flujos de fluidos que se originan a partir de una condición de forzamiento externo: convección forzada . En este capítulo, consideramos la convección natural , donde cualquier movimiento de fluidos ocurre por medios naturales como la flotabilidad. De hecho, hay regímenes de flujo, en los que tenemos que considerar ambos mecanismos de fuerza . Cuando las velocidades de flujo son bajas, la convección natural también contribuirá además de la convección forzada. Si la convección libre es o no importante para la transferencia de calor, se puede verificar utilizando los siguientes criterios:
- Si Gr / Re 2 >> 1 prevalece la convección libre
- Si Gr / Re 2 << 1 prevalece la convección forzada
- Si Gr / Re 2 ≈ 1 ambos deben considerarse
El efecto de la flotabilidad sobre la transferencia de calor en un flujo forzado está fuertemente influenciado por la dirección de la fuerza de flotabilidad en relación con la del flujo. La convección natural puede ayudar o dañar la transferencia de calor por convección forzada, dependiendo de las direcciones relativas de los movimientos de convección forzada y de flotabilidad inducida. Tres casos especiales que se han estudiado ampliamente corresponden a movimientos inducidos por la flotabilidad y forzados:
- Ayudar a fluir . El movimiento flotante está en la misma dirección que el movimiento forzado.
- Flujo opuesto . El movimiento flotante está en la dirección opuesta al movimiento forzado.
- Flujo transversal . El movimiento flotante es perpendicular al movimiento forzado.
Es obvio que, en los flujos de asistencia y transversales, la flotabilidad mejora la velocidad de transferencia de calor asociada con la convección forzada pura. Por otro lado, en flujos opuestos, disminuye la velocidad de transferencia de calor. Al determinar el número de Nusselt en condiciones de convección natural y forzada combinadas, es tentador agregar las contribuciones de la convección natural y forzada para ayudar a los flujos y restarlos en flujos opuestos:
Convección Forzada y Natural Combinada
Para la geometría específica de interés, los números de Nusselt Nu forzado y Nu natural se determinan a partir de las correlaciones existentes para convección puramente forzada y natural (libre), respectivamente. La mejor correlación de los datos con los experimentos a menudo se obtiene para el exponente n = 3 , pero puede variar entre 3 y 4, dependiendo de la geometría del problema.
Convección natural – Correlaciones
Como se escribió, la mayoría de las correlaciones de transferencia de calor en convección natural se basan en mediciones experimentales y los ingenieros a menudo usan números característicos adecuados para describir la transferencia de calor por convección natural. El número característico que describe la transferencia de calor por convección (es decir, el coeficiente de transferencia de calor ) es el número de Nusselt , que se define como la relación entre la energía térmica que se convence al fluido y la energía térmica conducida dentro del fluido. El número de Nusselt representa la mejora de la transferencia de calor a través de una capa de fluido como resultado de la convección en relación con la conducción.a través de la misma capa de fluido. Pero en caso de convección libre, las correlaciones de transferencia de calor (para el número de Nusselt) generalmente se expresan en términos del número de Rayleigh .
El número de Rayleigh se utiliza para expresar la transferencia de calor en convección natural. La magnitud del número de Rayleigh es una buena indicación de si la capa límite de convección natural es laminar o turbulenta. Las correlaciones empíricas simples para el número de Nusselt promedio, Nu, en convección natural son de la forma:
Nu x = C. Ra x n
Los valores de la constantes de C y n dependen de la geometría de la superficie y el régimen de flujo , que se caracteriza por el rango del número de Rayleigh . El valor de n es generalmente de n = 1/4 para flujo laminar y n = 1/3 para flujo turbulento .
Por ejemplo:
Ver también: Número Nusselt
Ver también: Número Rayleigh
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