Convección (transferencia de calor)

Transferencia de calor debido a efectos combinados de advección y difusión.

Simulación de la convección térmica en el manto terrestre . Las zonas calientes se muestran en rojo y las frías en azul. El material caliente y menos denso de la parte inferior se mueve hacia arriba y, de la misma manera, el material frío de la parte superior se mueve hacia abajo.

La convección (o transferencia de calor por convección ) es la transferencia de calor de un lugar a otro debido al movimiento de un fluido. Aunque a menudo se la analiza como un método distinto de transferencia de calor, la transferencia de calor por convección implica los procesos combinados de conducción (difusión de calor) y advección (transferencia de calor por flujo de fluido a granel ). La convección suele ser la forma dominante de transferencia de calor en líquidos y gases .

Tenga en cuenta que esta definición de convección solo se aplica en contextos termodinámicos y de transferencia de calor . No debe confundirse con el fenómeno de convección de fluidos dinámicos , al que normalmente se hace referencia como convección natural en contextos termodinámicos para distinguirlos.

Descripción general

La convección puede ser "forzada" por el movimiento de un fluido por medios distintos a las fuerzas de flotabilidad (por ejemplo, una bomba de agua en un motor de automóvil). La expansión térmica de los fluidos también puede forzar la convección. En otros casos, las fuerzas de flotabilidad naturales por sí solas son las únicas responsables del movimiento del fluido cuando se calienta, y este proceso se denomina "convección natural". Un ejemplo es la corriente de aire en una chimenea o alrededor de cualquier fuego. En la convección natural, un aumento de la temperatura produce una reducción de la densidad, que a su vez provoca el movimiento del fluido debido a las presiones y fuerzas cuando los fluidos de diferentes densidades se ven afectados por la gravedad (o cualquier fuerza g ). Por ejemplo, cuando se calienta agua en una estufa , el agua caliente del fondo de la olla es desplazada (o forzada hacia arriba) por el líquido más frío y denso, que cae. Una vez que se detiene el calentamiento, la mezcla y la conducción de esta convección natural finalmente dan como resultado una densidad casi homogénea y una temperatura uniforme. Sin la presencia de gravedad (o condiciones que provoquen una fuerza g de cualquier tipo), no se produce convección natural y solo funcionan los modos de convección forzada. ^{[ cita requerida ]}

El modo de transferencia de calor por convección comprende dos mecanismos. Además de la transferencia de energía debida al movimiento molecular específico ( difusión ), la energía se transfiere mediante el movimiento en masa o macroscópico del fluido. Este movimiento está asociado con el hecho de que, en cualquier instante, un gran número de moléculas se mueven colectivamente o como agregados. Tal movimiento, en presencia de un gradiente de temperatura, contribuye a la transferencia de calor. Debido a que las moléculas en agregado conservan su movimiento aleatorio, la transferencia de calor total se debe entonces a la superposición del transporte de energía por el movimiento aleatorio de las moléculas y por el movimiento en masa del fluido. Es habitual utilizar el término convección cuando se hace referencia a este transporte acumulativo y el término advección cuando se hace referencia al transporte debido al movimiento en masa del fluido. ^[1]

Tipos

Esta imagen en color distorsionada revela la convección térmica desde una mano humana (en forma de silueta) hacia la atmósfera quieta que la rodea.

Se pueden distinguir dos tipos de transferencia de calor por convección:

Convección libre o natural : cuando el movimiento de un fluido es causado por fuerzas de flotabilidad que resultan de las variaciones de densidad debidas a variaciones de temperatura ± térmica en el fluido. En ausencia de una fuente interna, cuando el fluido está en contacto con una superficie caliente, sus moléculas se separan y se dispersan, haciendo que el fluido sea menos denso. Como consecuencia, el fluido se desplaza mientras que el fluido más frío se vuelve más denso y el fluido se hunde. Así, el volumen más caliente transfiere calor hacia el volumen más frío de ese fluido. ^[2] Ejemplos conocidos son el flujo ascendente de aire debido a un fuego o un objeto caliente y la circulación de agua en una olla que se calienta desde abajo.
Convección forzada : cuando un fluido es forzado a fluir sobre la superficie por una fuente interna como ventiladores, agitación y bombas, creando una corriente de convección inducida artificialmente. ^[3]

En muchas aplicaciones de la vida real (por ejemplo, pérdidas de calor en receptores solares centrales o enfriamiento de paneles fotovoltaicos), la convección natural y forzada ocurren al mismo tiempo ( convección mixta ). ^[4]

El flujo interno y externo también puede clasificar la convección. El flujo interno ocurre cuando un fluido está encerrado por un límite sólido, como cuando fluye a través de una tubería. Un flujo externo ocurre cuando un fluido se extiende indefinidamente sin encontrar una superficie sólida. Ambos tipos de convección, ya sea natural o forzada, pueden ser internos o externos porque son independientes entre sí. ^{[ cita requerida ]} La temperatura en masa , o la temperatura promedio del fluido, es un punto de referencia conveniente para evaluar las propiedades relacionadas con la transferencia de calor por convección, particularmente en aplicaciones relacionadas con el flujo en tuberías y conductos.

Se puede realizar una clasificación adicional según la suavidad y las ondulaciones de las superficies sólidas. No todas las superficies son lisas, aunque la mayor parte de la información disponible trata de superficies lisas. Las superficies irregulares onduladas se encuentran comúnmente en dispositivos de transferencia de calor que incluyen colectores solares, intercambiadores de calor regenerativos y sistemas de almacenamiento de energía subterráneos. Tienen un papel importante que desempeñar en los procesos de transferencia de calor en estas aplicaciones. Dado que aportan una complejidad adicional debido a las ondulaciones en las superficies, deben abordarse con delicadeza matemática a través de elegantes técnicas de simplificación. Además, afectan las características de flujo y transferencia de calor, por lo que se comportan de manera diferente a las superficies lisas rectas. ^[5]

Para experimentar visualmente la convección natural, se puede colocar un vaso lleno de agua caliente y un poco de colorante alimentario rojo dentro de una pecera con agua fría y clara. Se puede ver cómo las corrientes de convección del líquido rojo suben y bajan en diferentes regiones y luego se asientan, lo que ilustra el proceso a medida que se disipan los gradientes de calor.

Ley de enfriamiento de Newton

A veces se supone vagamente que el enfriamiento por convección se describe mediante la ley de enfriamiento de Newton. ^[6]

La ley de Newton establece que la tasa de pérdida de calor de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperaturas entre el cuerpo y su entorno cuando se encuentra bajo los efectos de una brisa . La constante de proporcionalidad es el coeficiente de transferencia de calor . ^[7] La ley se aplica cuando el coeficiente es independiente, o relativamente independiente, de la diferencia de temperatura entre el objeto y el entorno.

En la transferencia de calor por convección natural clásica, el coeficiente de transferencia de calor depende de la temperatura. Sin embargo, la ley de Newton se aproxima a la realidad cuando los cambios de temperatura son relativamente pequeños y en el caso de refrigeración por aire forzado y por líquido bombeado, donde la velocidad del fluido no aumenta con el aumento de la diferencia de temperatura.

Transferencia de calor por convección

La relación básica para la transferencia de calor por convección es:

{\dot {Q}}=hA(T-T_{f})

donde es el calor transferido por unidad de tiempo, A es el área del objeto, h es el coeficiente de transferencia de calor , T es la temperatura de la superficie del objeto y T _f es la temperatura del fluido. ^[8] ${\punto {Q}}$

El coeficiente de transferencia de calor por convección depende de las propiedades físicas del fluido y de la situación física. Se han medido y tabulado los valores de h para fluidos y situaciones de flujo que se encuentran con frecuencia.

Véase también

Referencias

^ Incropera DeWitt VBergham Lavine 2007, Introducción a la transferencia de calor , 5.ª ed., pág. 6 ISBN 978-0-471-45727-5
^ http://biocab.org/Heat_Transfer.html Organización del Gabinete de Biología, abril de 2006, "Transferencia de calor", consultado el 20/04/09
^ http://www.engineersedge.com/heat_transfer/convection.htm Engineers Edge, 2009, "Transferencia de calor por convección", consultado el 20/04/09
^ Garbrecht, Oliver (23 de agosto de 2017). "Simulación de grandes remolinos de convección mixta tridimensional en una placa vertical" (PDF) . Universidad RWTH de Aachen .
^ Aroon Shenoy, Mikhail Sheremet, Ioan Pop, 2016, Flujo convectivo y transferencia de calor desde superficies onduladas: fluidos viscosos, medios porosos y nanofluidos , CRC Press, Taylor & Francis Group, Florida ISBN 978-1-498-76090-4
^ Basado en un trabajo de Newton publicado de forma anónima como "Scala graduum Caloris. Calorum Descriptiones & signa". en Philosophical Transactions , 1701, 824–829; ed. Joannes Nichols, Isaaci Newtoni Opera quae exstant omnia , vol. 4 (1782), 403–407.
^ "Mecanismos de transferencia de calor". Universidad Estatal de Colorado . Facultad de Ingeniería de la Universidad Estatal de Colorado . Consultado el 14 de septiembre de 2015 .
^ "Ecuación y calculadora de transferencia de calor por convección". Engineers Edge . Consultado el 14 de septiembre de 2015 .

[1] Incropera DeWitt VBergham Lavine 2007, Introducción a la transferencia de calor , 5.ª ed., pág. 6 ISBN 978-0-471-45727-5

[2] ttp://biocab.org/Heat_Transfer.html Organización del Gabinete de Biología, abril de 2006, "Transferencia de calor", consultado el 20/04/09

[3] ttp://www.engineersedge.com/heat_transfer/convection.htm Engineers Edge, 2009, "Transferencia de calor por convección", consultado el 20/04/09

[Garbrecht-4] Garbrecht, Oliver (23 de agosto de 2017). "Simulación de grandes remolinos de convección mixta tridimensional en una placa vertical" (PDF) . Universidad RWTH de Aachen .

[5] Aroon Shenoy, Mikhail Sheremet, Ioan Pop, 2016, Flujo convectivo y transferencia de calor desde superficies onduladas: fluidos viscosos, medios porosos y nanofluidos , CRC Press, Taylor & Francis Group, Florida ISBN 978-1-498-76090-4

[6] Basado en un trabajo de Newton publicado de forma anónima como "Scala graduum Caloris. Calorum Descriptiones & signa". en Philosophical Transactions , 1701, 824–829; ed. Joannes Nichols, Isaaci Newtoni Opera quae exstant omnia , vol. 4 (1782), 403–407.

[7] "Mecanismos de transferencia de calor". Universidad Estatal de Colorado . Facultad de Ingeniería de la Universidad Estatal de Colorado . Consultado el 14 de septiembre de 2015 .

[8] "Ecuación y calculadora de transferencia de calor por convección". Engineers Edge . Consultado el 14 de septiembre de 2015 .