Convección natural laminar y turbulenta
Es importante tener en cuenta que las capas límite de convección natural no están restringidas al flujo laminar . Al igual que con la convección forzada, pueden surgir inestabilidades hidrodinámicas. Es decir, las perturbaciones en el flujo pueden amplificarse, lo que lleva a la transición del flujo laminar al turbulento. Para una placa plana vertical, el flujo se vuelve turbulento por un valor de:
Ra x = Gr x . Pr> 10 9
Como en la convección forzada, la naturaleza microscópica del flujo y las correlaciones de convección son claramente diferentes en las regiones laminar y turbulenta .
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 las constantes 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 suele ser n = 1/4 para flujo laminar y n = 1/3 para flujo turbulento .
Por ejemplo:
Ver también: Número Nusselt
Ver también: Número Rayleigh
Ejemplo: convección natural: placa plana
Se mantiene una placa vertical de 10 cm de altura a 261 ° C en agua comprimida a 260 ° C (16MPa). Determine el número de Nusselt usando la correlación simple para una placa plana vertical.
Para calcular el número de Rayleigh, tenemos que saber:
- El coeficiente de expansión térmica, que es: β = 0.0022
- el número de Prandtl (para 260 ° C), que es: Pr = 0.87
- la viscosidad cinemática (para 260 ° C), que es ν = 0.13 x 10 -6 (tenga en cuenta que este valor es significativamente menor que el de 20 ° C)
El número de Rayleigh resultante es:
El número de Nusselt resultante, que 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 es:
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