¿Qué es la convección? Transferencia de calor por convección: definición

La convección es la transferencia de masa o la transferencia de calor debido al movimiento a granel. El proceso de transferencia de calor entre una superficie y un fluido que fluye en contacto con ella se denomina transferencia de calor por convección. Ingenieria termal

¿Qué es la convección?

Convección - Transferencia de calor por convecciónEn general, la convección es la transferencia de masa o la transferencia de calor debido al movimiento masivo de moléculas dentro de fluidos como gases y líquidos. Aunque los líquidos y gases generalmente no son muy buenos conductores de calor, pueden transferir calor rápidamente por convección .

La convección tiene lugar a través de la advección , difusión o ambas. La convección no puede tener lugar en la mayoría de los sólidos porque no puede tener lugar una difusión significativa de materia ni flujos de corriente a granel. La difusión del calor tiene lugar en sólidos rígidos, pero eso se llama conducción térmica .

El proceso de transferencia de calor entre una superficie y un fluido que fluye en contacto con ella se denomina transferencia de calor por convección . En ingeniería, la transferencia de calor por convección es uno de los principales mecanismos de transferencia de calor . Cuando se transfiere calor de un fluido a otro a través de una barrera, la convección está involucrada en ambos lados de la barrera. En la mayoría de los casos, la resistencia principal al flujo de calor es por convección. La transferencia de calor por convección tiene lugar tanto por difusión térmica (el movimiento aleatorio de las moléculas de fluido) como por advección, en la cual la materia o el calor es transportado por el movimiento a gran escala de las corrientes en el fluido.

Mecanismo de convección

En la conducción térmica , la energía se transfiere como calor debido a la migración de electrones libres u ondas vibratorias reticulares ( fonones ). No hay movimiento de masa en la dirección del flujo de energía. La transferencia de calor por conducción depende de la “fuerza” impulsora de la diferencia de temperatura. La conducción y la convección son similares en que ambos mecanismos requieren la presencia de un medio material (en comparación con la radiación térmica). Por otro lado, son diferentes en que la convección requiere la presencia de movimiento fluido.

Debe enfatizarse que , en la superficie, el flujo de energía ocurre  puramente por conducción, incluso en conducción. Es debido al hecho de que siempre hay una capa delgada de película de fluido estancada en la superficie de transferencia de calor.  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. A mayor velocidad de movimiento de masa, más delgada será la capa de película de fluido estancada y mayor será la velocidad de flujo de calor.

Cabe señalar que la ebullición de nucleados en la superficie altera efectivamente esta capa estancada y, por lo tanto, la ebullición de nucleados aumenta significativamente la capacidad de una superficie para transferir energía térmica al fluido a granel.

Como se escribió, la transferencia de calor a través de un fluido es por convección en presencia de movimiento de masas y por conducción en ausencia de este. Por lo tanto, la conducción térmica en un fluido puede verse como el caso limitante de convección, correspondiente al caso del fluido inactivo.

Convección como conducción con movimiento fluido

Algunos expertos no consideran que la convección sea un mecanismo fundamental de transferencia de calor, ya que es esencialmente conducción de calor en presencia de movimiento de fluidos. Consideran que se trata de un caso especial de conducción térmica , conocido como ” conducción con movimiento fluido “. Por otro lado, es práctico reconocer la convección como un mecanismo separado de transferencia de calor a pesar de los argumentos válidos en contrario.

subcapa laminar - convecciónLa 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.

Ley de enfriamiento de Newton - ecuación de convección

Tenga en cuenta que, ΔT viene dado por la temperatura de la superficie o la pared , la pared T y la temperatura total ,  , 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.

coeficiente de transferencia de calor convectivo - ecuación

coeficiente de transferencia de calor por convección - ejemplosEl 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.

Nusselt Number

El número de Nusselt es un número adimensional, llamado así por un ingeniero alemán Wilhelm Nusselt. El número de Nusselt está estrechamente relacionado con el número de Péclet y ambos números se usan para describir la relación de la energía térmica que se convence al fluido con respecto a la energía térmica conducida dentro del fluido. El número de Nusselt es igual al gradiente de temperatura adimensional en la superficie, y proporciona una medida de la transferencia de calor por convección que ocurre en la superficie. El componente conductor se mide en las mismas condiciones que la convección de calor pero con un fluido estancado. El número de Nusseltes para la capa límite térmica lo que es el coeficiente de fricción para la capa límite de velocidad. Por lo tanto, el número de Nusselt se define como:

Número de Nusselt - definición

dónde:

f es la conductividad térmica del fluido [W / mK]

L es la longitud característica

h es el coeficiente de transferencia de calor por convección [W / m 2 .K]

Para ilustración, considere una capa de fluido de espesor L y diferencia de temperatura ΔT . La transferencia de calor a través de la capa de fluido se realizará por convección cuando el fluido implique algún movimiento y por conducción cuando la capa de fluido esté inmóvil.

En caso de conducción , el flujo de calor puede calcularse utilizando la ley de conducción de Fourier . En caso de convección, el flujo de calor se puede calcular utilizando la ley de enfriamiento de Newton. Tomando su proporción da:

nusselt number - convección a conducción

La ecuación anterior define el número de Nusselt . Por lo tanto, el número de Nusselt representa la mejora de la transferencia de calor a través de una capa de fluido como resultado de la convección relativa a la conducción a través de la misma capa de fluido. Un número de Nusselt de Nu = 1 para una capa de fluido representa la transferencia de calor a través de la capa por conducción pura . Cuanto mayor sea el número de Nusselt , más efectiva será la convección. Un número mayor de Nusselt corresponde a una convección más efectiva, con un flujo turbulento típicamente en el rango de 100-1000. Para flujo turbulento, el número de Nusselt suele ser una función del número de Reynolds y elNúmero Prandtl .

Ejemplo: transferencia de calor por convección: temperatura de la superficie del revestimiento

Convección - Transferencia de calor por convecciónEl 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 Zr, 2 = 0.408 cm y el radio externo 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.

Asumir que:

  • El diámetro exterior del revestimiento es: d = 2 xr Zr, 1 = 9,3 mm
  • El paso de los pasadores de combustible es: p = 13 mm
  • La conductividad térmica del agua saturada a 300 ° C es: H2O = 0.545 W / mK
  • La viscosidad dinámica del agua saturada a 300 ° C es: μ = 0.0000859 Ns / m 2
  • la densidad del fluido es: ρ = 714 kg / m 3
  • el calor específico es: p = 5,65 kJ / kg.K
  • la velocidad del flujo central es constante e igual a core = 5 m / s
  • La temperatura del refrigerante del reactor en esta coordenada axial es: T a granel = 296 ° C
  • la tasa de calor lineal del combustible es L = 300 W / cm (F Q ≈ 2.0) y, por lo tanto, la tasa de calor volumétrica es q V = 597 x 10 6 W / m 3

Diámetro hidráulico - Canal de combustibleCalcule el número de Prandtl , Reynolds y Nusselt para este régimen de flujo (flujo turbulento forzado interno) dentro de la red de combustible rectangular (canal de combustible), luego calcule el coeficiente de transferencia de calor y finalmente la temperatura de la superficie del revestimiento , Zr, 1 .

Para calcular la temperatura de la superficie del revestimiento , tenemos que calcular el número de Prandtl , Reynolds y Nusselt , porque la transferencia de calor para este régimen de flujo puede describirse mediante la ecuación de Dittus-Boelter , que es:

Ecuación Dittus-Boelter - Fórmula

Cálculo del número de Prandtl

Para calcular el número de Prandtl , tenemos que saber:

  • La conductividad térmica del agua saturada a 300 ° C es: H2O = 0.545 W / mK
  • La viscosidad dinámica del agua saturada a 300 ° C es: μ = 0.0000859 Ns / m 2
  • el calor específico es: p = 5,65 kJ / kg.K

Tenga en cuenta que todos estos parámetros difieren significativamente para el agua a 300 ° C de aquellos a 20 ° C. El número de Prandtl para agua a 20 ° C es de alrededor de 6.91. El número de Prandtl para el refrigerante del reactor a 300 ° C es entonces:

número prandtl - ejemplo

Cálculo del número de Reynolds.

Para calcular el número de Reynolds, tenemos que saber:

  • El diámetro exterior del revestimiento es: d = 2 xr Zr, 1 = 9,3 mm (para calcular el diámetro hidráulico)
  • El paso de los pasadores de combustible es: p = 13 mm  (para calcular el diámetro hidráulico)
  • La viscosidad dinámica del agua saturada a 300 ° C es: μ = 0.0000859 Ns / m 2
  • la densidad del fluido es: ρ = 714 kg / m 3

El diámetro hidráulico, D h , es un término comúnmente utilizado cuando se maneja el flujo en tubos y canales no circulares . El diámetro hidráulico del canal de combustible , h , es igual a 13,85 mm.

Ver también: diámetro hidráulico

El número de Reynolds dentro del canal de combustible es igual a:

número de reynolds - ejemplo

Esto satisface completamente las condiciones turbulentas .

Cálculo del número de Nusselt usando la ecuación de Dittus-Boelter

Para un flujo turbulento completamente desarrollado (hidrodinámicamente y térmicamente) en un tubo circular liso, el número local de Nusselt se puede obtener de la conocida ecuación Dittus ?? Boelter .

Para calcular el número de Nusselt , tenemos que saber:

El número de Nusselt para la convección forzada dentro del canal de combustible es igual a:

número nusselt - ejemplo

Cálculo del coeficiente de transferencia de calor y la temperatura de la superficie del revestimiento, T Zr, 1

El conocimiento detallado de la geometría, los parámetros del fluido, el radio exterior del revestimiento, la tasa de calor lineal, el coeficiente de transferencia de calor por convección nos permite calcular la diferencia de temperatura ∆T entre el refrigerante (T volumen ) y la superficie del revestimiento (T Zr, 1 ).

Para calcular la temperatura de la superficie del revestimiento, debemos saber:

  • El diámetro exterior del revestimiento es: d = 2 x Zr, 1 = 9,3 mm
  • el número de Nusselt, que es Nu Dh = 890
  • El diámetro hidráulico del canal de combustible es: h = 13,85 mm
  • La conductividad térmica del refrigerante del reactor (300 ° C) es: H2O = 0.545 W / mK
  • La temperatura total del refrigerante del reactor en esta coordenada axial es: mayor = 296 ° C
  • La tasa de calor lineal del combustible es: L = 300 W / cm (F Q ≈ 2.0)

El coeficiente de transferencia de calor por convección, h , viene dado directamente por la definición del número de Nusselt:

coeficiente de transferencia de calor convectivo - ejemplo

Finalmente, podemos calcular la temperatura de la superficie del revestimiento (T Zr, 1 ) simplemente usando la Ley de Enfriamiento de Newton :

Ley de enfriamiento de Newton - ejemplo

Para los PWR en funcionamiento normal, hay un agua líquida comprimida dentro del núcleo del reactor, bucles y generadores de vapor. La presión se mantiene a aproximadamente 16MPa . A esta presión, el agua hierve a aproximadamente 350 ° C (662 ° F). Como se puede ver, la temperatura de la superficie T Zr, 1 = 325 ° C garantiza que ni siquiera se produce una ebullición subenfriada. Tenga en cuenta que, la ebullición subenfriada requiere T Zr, 1 = T sat . Dado que las temperaturas de entrada del agua suelen ser de unos 290 ° C(554 ° F), es obvio que este ejemplo corresponde a la parte inferior del núcleo. A elevaciones más altas del núcleo, la temperatura aparente puede alcanzar hasta 330 ° C. La diferencia de temperatura de 29 ° C hace que se produzca la ebullición subenfriada (330 ° C + 29 ° C> 350 ° C). Por otro lado, la ebullición de nucleados en la superficie altera efectivamente la capa estancada y, por lo tanto, la ebullición de nucleados aumenta significativamente la capacidad de una superficie para transferir energía térmica al fluido a granel. Como resultado, el coeficiente de transferencia de calor por convección aumenta significativamente y, por lo tanto, a elevaciones más altas, la diferencia de temperatura (T Zr, 1 – T a granel ) disminuye significativamente.

 

……………………………………………………………………………………………………………………………….

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: [email protected] o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.