Coeficientes de transferencia de calor por convección

Resumen

La transferencia de calor convectiva es el proceso de intercambio de calor entre una superficie sólida y un fluido en movimiento (líquido o gas). La tasa de esta transferencia está gobernada por la Ley de Enfriamiento de Newton y está influenciada por las propiedades del fluido, el régimen de flujo (laminar o turbulento), la geometría de la superficie y la velocidad del flujo.

Fórmulas Clave

Ley de Enfriamiento de Newton calcula la tasa total de transferencia de calor.

El coeficiente de convección (h) a menudo se determina a partir de correlaciones empíricas que involucran números adimensionales como los números de Nusselt (Nu), Reynolds (Re) y Prandtl (Pr). Una forma común para la convección forzada sobre una placa plana es:

$Nu = C \cdot Re^m \cdot Pr^n$

Donde h = (Nu * k) / L, con k siendo la conductividad térmica del fluido y L una longitud característica.

Variables

Coeficientes de convección típicos

El valor de h varía enormemente. Use estos como estimaciones aproximadas de orden de magnitud para el diseño inicial.

Convección Forzada y Natural

La convección forzada ocurre cuando un flujo de fluido es inducido por una fuerza externa, como una bomba, ventilador o mezclador. La convección natural o libre es causada por fuerzas de flotabilidad debidas a diferencias de densidad provocadas por variaciones de temperatura en el fluido. La transferencia de calor por unidad de superficie mediante convección fue descrita primero por Newton y la relación se conoce como Ley de Enfriamiento de Newton.

Ejemplo - Transferencia de Calor por Convección

Para una pared exterior con un área de superficie de 60 m2, un coeficiente de convección de 8 W/(m2 K), y una diferencia de temperatura de 12 K entre la superficie de la pared y el aire circundante:

$Q = h A \Delta T = 8 \times 60 \times 12 = 5760 \text{ W}$

La tasa de transferencia de calor es por lo tanto de 5.76 kW desde la superficie más caliente hacia el aire más frío. La misma relación se aplica a serpentines de refrigeración, placas calentadas, vasijas de proceso y superficies de tuberías cuando se conoce un coeficiente de convección representativo.

Convertidor de Unidades

Tabla de Coeficientes de Transferencia de Calor para Flujo de Aire

Para el flujo de aire, la página fuente proporciona la aproximación empírica:

$h_{c,W} = 1.16(10.45 - v + 10v^{1/2})$

donde $v$ es la velocidad relativa entre la superficie del objeto y el aire en m/s. La ecuación es empírica y se aplica aproximadamente para velocidades de 2 a 20 m/s.

Tabla de Coeficientes de Transferencia de Calor por Convección

La imagen original convective_heat_transfer_chart.png se representa a continuación como datos interactivos. Dado que el gráfico fuente es una tabla de rangos, cada proceso se grafica con límites inferior y superior del coeficiente.

Tablas de la fuente original restauradas

Las siguientes tablas se restauran desde la página de la fuente original para preservar los datos de referencia completos. La página fuente almacenada en caché contiene tablas de búsqueda/diseño compartidas sin filas de ingeniería; los datos sustanciales de convección se preservan en los DataTables de coeficientes y en el gráfico interactivo anterior.

Imágenes de la fuente original

Las siguientes imágenes de la fuente original se conservan para evitar la pérdida de material de referencia visual. Cuando una imagen contiene un gráfico o datos tabulares, sus valores extraídos se representan en las tablas de la página, calculadores o gráficos interactivos; las imágenes restantes se retienen como referencias visuales de origen.

Notas de ingeniería

• La Ley de enfriamiento de Newton es una definición, no una ley predictiva. La parte compleja de cualquier análisis es determinar el valor apropiado de h.
• El régimen de flujo es crítico. El flujo turbulento generalmente produce valores de h mucho más altos que el flujo laminar.
• Las propiedades del fluido (densidad, viscosidad, calor específico, conductividad) dependen de la temperatura. Las correlaciones a menudo usan propiedades evaluadas en la temperatura de película, el promedio de las temperaturas de la superficie y de la corriente libre.
• La rugosidad de la superficie, la orientación y el desarrollo de la capa límite impactan significativamente en el rendimiento.
• El cambio de fase (ebullición, condensación) aumenta drásticamente los coeficientes de transferencia de calor y requiere correlaciones especializadas.

Referencias

• Fuente original: Transferencia de calor - Convección