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Coeficiente de transferencia de calor por conveccin

La ley de enfriamiento de Newton establece que la tasa de transferencia de calor que abandona una superficie a unatemperatura Ts para pasar a un fluido del entorno a temperatura Tf se establece por la ecuacin:

Qconvection = h A (Ts - Tf)

donde el coeficiente de transferencia de calor h tiene las unidades de W/m 2 . K o Btu/s.in 2 .F. El coeficiente h no esuna propiedad termodinmica. Es una correlacin simplificada entre el estado del fluido y las condiciones de flujo, porlo cual generalmente se la conoce como una propiedad de flujo.

La conveccin est ligada al concepto de una capa de contorno que es una delgada capa de transicin entre unasuperficie, que se supone adyacente a las molculas estacionarias, y el flujo de fluido en el entorno. Esto se puedeobservar en la siguiente figura que muestra un flujo sobre una placa plana.

Donde u(x,y) es la velocidad de direccin x. A la regin que va hasta la arista externa de la capa de fluido, definidacomo el 99% de la velocidad de la corriente libre, se denomina espesor de la capa de contorno del fluido d(x).

Se podra hacer un croquis similar de la transicin de temperatura desde la temperatura de la superficie a latemperatura de los alrededores. En la siguiente figura se muestra un esquema de la variacin de la temperatura.Observe que el espesor de la capa del contorno trmico no necesariamente es el mismo que el del fluido. Laspropiedades del fluido que componen el Nmero de Prandtl rigen la magnitud relativa de los dos tipos de capas delcontorno. Un Nmero de Prandtl (Pr) de 1 implicara el mismo comportamiento para ambas capas del contorno.

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Al mecanismo real de transferencia de calor a travs de la capa del contorno se lo toma como conduccin, en ladireccin y, a travs del fluido estacionario cercano a la pared que es igual a la tasa de conveccin que va desde lacapa lmite al fluido. Esto puede expresarse de la siguiente manera:

h A (Ts - Tf) = - k A (dT/dy)s

Es decir que el coeficiente de conveccin para una determinada situacin puede evaluarse midiendo la tasa detransferencia de calor y la diferencia de temperatura, o midiendo el gradiente de temperatura adyacente a lasuperficie y la diferencia de temperatura.

La medicin de un gradiente de temperatura a travs de una capa de contorno requiere gran precisin y, por logeneral, se logra en un laboratorio de investigacin. Muchos manuales contienen valores tabulados de los coeficientesde transferencia de calor por conveccin para diferentes configuraciones.

La siguiente tabla muestra algunos valores tpicos para el coeficiente de transferencia de calor por conveccin:

MedioCoeficiente de transferencia decalor h ( W/m 2 . K)

Aire (conveccin natural) 5-25

Aire/vapor supercalentado(conveccin forzada) 20-300

Petrleo (conveccin forzada) 60-1800

Agua (conveccin forzada) 300-6000

Agua (en ebullicin) 3000-60.000

Vapor (en condensacin) 6000-120.000

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