TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCION FORZADA EN EL EXTERIOR DE DIFERNETES GEOMETRIAS:

En muchos casos, un fluido pasa sobre cuerpos completamente sumergidos en él, tales como esferas, tubos, placas, etc., y la transferencia de calor solo se verifica entre el fluido y el sólido. Muchas de estas formas tienen importancia practica en la ingeniera de procesos. La esfera, el cilindro y la placa plana, son quizá las que revisten mayor importancia en lo que se refiere a la transferencia de calor entre estas superficies y un fluido en movimiento.

Cuando hay una transferencia de calor durante un flujo sumergido, el flujo especifico depende de la geometría del cuerpo, de su posición (frontal, lateral, posterior, etc.), de la proximidad de otros cuerpos, de la velocidad del flujo y de las propiedades del fluido. El coeficiente de transferencia de calor varia en diferentes partes del cuerpo. En las relaciones empíricas que se estudian en las siguientes secciones se usa un coeficiente promedio de transferencia de calor.

En general, el coeficiente promedio de transferencia de calor en cuerpos sumergidos es:

N Nu= CNℜmN Pr

1/3

Donde C y m son constantes que dependen de las diversas configuraciones. Las propiedades del fluido se evalúan a la temperatura de película T f=( T w+Tb)/2, donde T w es la temperatura superficial o de la pared y T b es la temperatura del volumen promedio del fluido. La velocidad en N ℜ es la velocidad ѵ de corriente libre sin perturbaciones del fluido que se aproxima al objeto.

FLUJO PARALELO A UNA PLACA PLANA:

Cuando el fluido fluye paralelo a placa plana y hay transferencia de calor entre la totalidad de la placa de longitud L m y el fluido, el valor de N Nu es, para un N ℜ, L inferior a 3 x 105 en la región laminar y un N Pr˃ 0.7,

N Nu =0.664 N ℜ, L0.5 N Pr

1 /3

Donde N ℜ, L = Lvρ/µ y N Nu = hL/k.

Para la región completamente turbulenta con N ℜ, L superior a 3 x 105 (K1, K3) y N Pr˃ 0.7,

N Nu = 0.0366 N ℜ. L0.8 N Pr

1 /3

Sim embargo, la turbulencia puede empezar con un N ℜ, L inferior a 3 x 105 si la placa es rugosa (K3) y entonces se cumple la ecuación que dará un N Nu mayor que el de la ecuación antecesora .Por debajo de un valor de N ℜ, L de 2 x 104, la ecuación antecesora dará el valor más alto de N Nu.

CILINDRO CON EL EJE PERPENDICULAR AL FLUJO:

Sucede con frecuencia que un cilindro que contiene un fluido en su interior se calienta o se enfría por medio de otro fluido que circula perpendicularmente a su eje. La ecuación para predecir el coeficiente promedio de transferencia de calor en el exterior del cilindro para gases y líquidos es (K3, P3) la ecuación, donde los valores de C y m se dan en tablas. El valor de N ℜ = Dvρ/µ, donde D es el diámetro exterior del tubo y todas las propiedades físicas se evalúan a la temperatura de película, T f . La velocidad es la que corresponde a una corriente libre sin perturbación que se aproxima al cilindro.

FLUJO QUE PASA POR UNA SOLA ESFERA:

Cuando una esfera se calienta o enfría mediante un luido que pasa por ella, se puede usar la siguiente ecuación para predecir el coeficiente promedio de transferencia de calor para un N ℜ =Dnρ/µ entre 1 a 70 000 y un N Pr de 0.6 a 400:

N Nu = 2.0 + 0.60Nℜ0.5N Pt

1 /3

Las propiedades del fluido se evalúan a la temperatura de película T f . Otras referencias (S2) analizan una correlación más precisa para un intervalo de N ℜ entre 1 y 17 000, que toma en consideración los efectos de la convección natural a estos números de Reynolds tan bajos.

FLUJO QUE PASA POR BATERIAS DE TUBOS O CILINDROS:

Muchos intercambiadores de calor comerciales se construyen con hileras múltiples de tubos, en los cuales el fluido fluye perpendicularmente a la batería de tubos. Un ejemplo es el calentador de gas en el que fluido caliente en el interior de los tubos calienta un gas que pasa por las superficies de estos. Otro ejemplo es el de una corriente liquida fría en el interior de tubos, que se calienta con un fluido caliente que fluye en el exterior.

El aire disponible para el flujo en el caso de tubos alineados es (Sn – D) y (Sp – D) y para tubos alternados es (Sn – D) y (Sp

, −D). En tablas se incluyen los valores de D y m que deben intervenir en la ecuación dada para un intervalo de números de Reynolds de 2 000 a 40 000 para la transferencia de calor de baterías de tubos que contienen más de 10 hileras transversales en la dirección del flujo.

Cuando Sn/Dy Sp/D no son iguales entre sí, el lector deberá consultar la referencia de Grimison (Gl) para datos adicionales. En los intercambiadores con deflectores, donde hay desviaciones y no todo el flujo es normal a los tubos, los valores promedio de h que se obtengan deben multiplicarse por 0.6 (P3). El número de Reynolds se calcula mediante el área mínima disponible para la velocidad del flujo. Todas las propiedades físicas se evalúan a la temperatura T f .