Convección libre o natural.En convección natural el flujo resulta solamente de la diferencia de temperaturas del fluido en la presencia de una fuerza gravitacional. La densidad de un fluido disminuye con el incremento de temperatura. En un campo gravitacional, dichas diferencias en densidad causadas por las diferencias originan fuerzas de flotación. Por lo tanto, en la convección natural las fuerzas de flotación generan el movimiento del fluido. Sin una fuerza gravitacional la convección natural no es posible. En convección natural una velocidad característica no es fácilmente disponible.

La fuerza hacia arriba ejercida por un fluido sobre un cuerpo sumergido completa o parcialmente en él se llama fuerza de flotabilidad, o de empuje hidrostático, o de flotación. La magnitud de esta fuerza es igual al peso del fluido desplazado por dicho cuerpo; es decir,

Fuerza de flotabilidad = ρ fluido g Vcuerpo.

En donde ρ fluido es la densidad promedio del fluido (no la del cuerpo), g es la aceleración gravitacional y V cuerpo es el volumen de la parte del cuerpo sumergida en el fluido (para cuerpos sumergidos por completo en el fluido, es el volumen total del propio cuerpo).

A falta de otras fuerzas, la fuerza vertical neta que actúa sobre un cuerpo es la diferencia entre su peso y la fuerza de flotabilidad; es decir,

Fuerza neta = W – Fuerza de flotabilidad = ρ cuerpo g Vcuerpo - ρ fluido g Vcuerpo. = (ρ cuerpo – ρ fluido) g VcuerpoNote que esta fuerza es proporcional a la diferencia entre las densidades del fluido y del cuerpo sumergido en él. Por lo tanto, un cuerpo sumergido en un fluido experimentará una “pérdida de peso” de magnitud igual al peso del fluido que desplaza. Esto se conoce como principio de Arquímedes.

Muchas aplicaciones conocidas de la transferencia de calor comprenden la convección natural como el mecanismo principal. Se tienen algunos ejemplos en el enfriamiento de equipo electrónico como los transistores de potencia, las televisiones y las reproductoras de DVD; la transferencia de calor desde los calentadores eléctricos o los radiadores de vapor de agua; la transferencia de calor desde los serpentines de refrigeración y de las líneas de transmisión de energía eléctrica, y la transferencia de calor desde los cuerpos de los animales y los seres humanos. La convección natural en los gases suele estar acompañada por radiación de magnitud similar, excepto para las superficies de baja emisividad.

Convección forzada.Convección Forzada: el movimiento del fluido es generado por fuerzas impulsoras externas. Por ejemplo: aplicación de gradientes de presión con una bomba, un soplador, etc.

Los fenómenos que afectan la fuerza de resistencia al movimiento también afectan la transferencia de calor y este efecto aparece en el número de Nusselt.

Los datos experimentales para la transferencia de calor a menudo se representan de manera conveniente con precisión razonable mediante una simple relación de la ley de las potencias de la forma:

Donde m y n son exponentes constantes y el valor de la constante C depende de la configuración geométrica y del flujo.

La temperatura del fluido en la capa límite térmica varía desde Ts, en la superficie, hasta alrededor de T∞, en el borde exterior de esa capa. Las propiedades del fluido también varían con la temperatura y, por consiguiente, con la posición a lo largo de la capa límite. Para tomar en consideración la variación de las propiedades con la temperatura, las propiedades del fluido suelen evaluarse a la llamada temperatura de película, definida como:

La cual es el promedio aritmético de las temperaturas de la superficie y del flujo libre. De esta forma, se supone que las propiedades del fluido se mantienen constantes en esos valores a lo largo de todo el flujo. Una manera alternativa de considerar la variación de las propiedades con la temperatura es evaluar todas esas propiedades a la temperatura del flujo libre y multiplicar el número de Nusselt obtenido de la ecuación por (Pr∞/Prs)r o (μ∞/μs)r, donde r es una constante determinada en forma experimental.

Caída de presión.

Otra cantidad de interés asociada con los bancos de tubos es la caída de presión,ΔP, la cual es la diferencia entre las presiones en la admisión y a la salida del banco. Es una medida de la resistencia que los tubos ofrecen al flujo sobre ellos y se expresa como:

Donde f es el factor de fricción y χ es el factor de corrección, las gráficas de ambos se dan en la figura 7-27a) y b), contra el número de Reynolds, con base en la velocidad máxima Vmáx. El factor de fricción de la figura 7-27a) es para un banco cuadrado de tubos alineados (ST = SL) y el factor de corrección dado en el inserto se usa para tomar en cuenta los efectos de la desviación de las configuraciones rectangulares alineadas con respecto a la configuración cuadrada. De manera análoga, el factor de fricción de la figura 7-27b) es para un banco equilátero de tubos escalonados (ST = SD) y el factor de corrección es para tomar en cuenta los efectos de la desviación con respecto a la configuración equilátera.Nótese que χ = 1 tanto para la disposición cuadrada como para la de triángulo equilátero. Asimismo, la caída de presión se presenta en la dirección del flujo y, como consecuencia, en la relación de ΔP se usa NL (el número de filas).

REFERENCIAS: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lim/lopez_s_ja/capitulo3.pdf

Transferencia de calor y masa. 4ta. Ed. Yunus çengel.