Convección

La ley de enfriamiento de Newton establece que la tasa de transferencia de calor que abandona una superficie a una temperatura T_s para pasar a un fluido del entorno a temperatura T_f se establece por la ecuación:

Q_convection = h A (T_s - T_f)

donde el coeficiente de transferencia de calor h tiene las unidades de W/m².K o Btu/s.pulgada².F. El coeficiente h no es una propiedad termodinámica. Es una correlación simplificada entre el estado del fluido y las condiciones de flujo, por lo cual generalmente se la conoce como una propiedad de flujo.

La convección está ligada al concepto de una capa de contorno que es una delgada capa de transición entre una superficie, que se supone adyacente a las moléculas estacionarias, y el flujo de fluido en el entorno. Esto se puede observar en la siguiente figura que muestra un flujo sobre una placa plana.

Donde u(x,y) es la velocidad de dirección x. La región que va hasta la arista externa de la capa de fluido, definida como el 99% de la velocidad de la corriente libre, se denomina espesor de la capa de contorno del fluido δ(x).

Se podría hacer un croquis similar de la transición de temperatura desde la temperatura de la superficie a la temperatura de los alrededores. En la siguiente figura se muestra un esquema de la variación de la temperatura. Observe que el espesor de la capa del contorno térmico no necesariamente es el mismo que el del fluido. Las propiedades del fluido que conforman el Número de Prandtl rigen la magnitud relativa de los dos tipos de capas del contorno. Un Número de Prandtl (Pr) de 1 implicaría el mismo comportamiento para ambas capas del contorno.

Al mecanismo real de transferencia de calor a través de la capa del contorno se lo toma como conducción, en la dirección y, a través del fluido estacionario cercano a la pared que es igual a la tasa de convección que va desde la capa límite al fluido. Esto puede expresarse de la siguiente manera:

h A (T_s - T_f) = - k A (dT/dy)_s

Es decir que el coeficiente de convección para una determinada situación puede evaluarse midiendo la tasa de transferencia de calor y la diferencia de temperatura, o midiendo el gradiente de temperatura adyacente a la superficie y la diferencia de temperatura.

La medición de un gradiente de temperatura a través de una capa de contorno requiere gran precisión y, por lo general, se logra en un laboratorio de investigación. Muchos manuales contienen valores tabulados de los coeficientes de transferencia de calor por convección para diferentes configuraciones.

La siguiente tabla muestra algunos valores típicos para el coeficiente de transferencia de calor por convección:

El número de Prandtl es un parámetro que relaciona los espesores de la velocidad y las capas límites térmicas, y está dado por:

donde ν es la viscosidad cinemática, α es la difusividad térmica, ρ es la densidad del fluido, κ es la conductividad térmica del fluido y c_p es la capacidad calorífica del fluido a una presión constante.

La viscosidad cinemática ν de un fluido revela información sobre la velocidad a la que el momento puede difundirse a través del fluido debido al movimiento molecular. La difusividad térmica α revela información sobre la difusión de calor en el fluido. Por lo tanto, la razón entre estas dos cantidades expresa las magnitudes relativas de la difusión del momentum y del calor en el fluido.