¿Qué es la convección natural? Definición

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. Definición de convección natural

Convección natural – Convección libre

Convección natural - capa límite

Definición de convección natural

La convección natural , conocida también como convección libre, es un mecanismo, o tipo de transporte de masa y calor , en el que el movimiento del fluido se genera solo por diferencias de densidad en el fluido que se producen debido a gradientes de temperatura, no por una fuente externa (como una bomba, ventilador, dispositivo de succión, etc.).

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. La convección natural solo puede ocurrir en un campo gravitacional o en presencia de otra aceleración adecuada , como:

  • aceleración
  • fuerza centrífuga
  • fuerza 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.

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 garantiza 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.

circulación natural - geometría

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