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La convección forzada y el coeficiente de transferencia de calor son fundamentales en la ingeniería térmica. Este análisis abarca desde la capa límite en placas planas hasta la transferencia de calor en ductos circulares. Se exploran las ecuaciones fundamentales, el método integral y las fórmulas empíricas, así como la analogía entre transferencia de calor y fricción, y su aplicación en el diseño de sistemas eficientes.
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La convección forzada es un proceso de transferencia de calor que ocurre cuando un fluido es impulsado a moverse sobre una superficie por medios externos
Definición
El coeficiente de transferencia de calor, simbolizado por h, es un indicador clave de la capacidad de un sistema para transferir calor entre una superficie y un fluido en movimiento
Determinación
El coeficiente de transferencia de calor se determina en situaciones de convección forzada a través de correlaciones empíricas derivadas de experimentación y observación
Importancia en análisis térmicos
El coeficiente de transferencia de calor es un valor clave en análisis térmicos previos
Debido a la complejidad de los procesos reales, se recurre a correlaciones empíricas para predecir el comportamiento térmico en situaciones de convección forzada
Definición
La capa límite es una zona adyacente a la superficie donde el fluido y la superficie interactúan intensamente
Capa Límite Hidrodinámica
La capa límite hidrodinámica emerge debido a la viscosidad del fluido y su grosor incrementa con la distancia desde el punto inicial de contacto con la placa
Capa Límite Térmica
La capa límite térmica es donde se presentan los gradientes de temperatura más pronunciados
Número de Reynolds
La transición del flujo dentro de la capa límite de laminar a turbulento se define por el número de Reynolds
Valor típico
La transición del flujo laminar a turbulento ocurre típicamente alrededor de un valor de 5x10^5
Ecuación de Continuidad
La ecuación de continuidad garantiza la conservación de la masa en el flujo dentro de la capa límite
Ecuación de Movimiento
La ecuación de movimiento, basada en la segunda ley de Newton, describe cómo la aceleración del fluido está relacionada con las fuerzas de presión y viscosas
Ley de Viscosidad de Newton
La ley de viscosidad de Newton proporciona la relación entre el esfuerzo de corte y el gradiente de velocidad, esencial para entender la variación de la velocidad en la capa límite
Definición
El método integral, desarrollado por Theodore von Karman, es un enfoque aproximado para resolver las ecuaciones de la capa límite
Aplicación
El método integral se aplica asumiendo perfiles de velocidad y temperatura adimensionales y aplicando las condiciones de frontera adecuadas
Definición
La ecuación de energía, derivada de la primera ley de la termodinámica, se utiliza para calcular el coeficiente de transferencia de calor h a partir del gradiente de temperatura dentro de la capa límite
Suposición
La solución conjunta de las ecuaciones de movimiento y energía es posible bajo la suposición de que la viscosidad cinemática y la difusividad térmica son equivalentes
Analogía de Reynolds
La analogía de Reynolds establece una relación entre los fenómenos de transferencia de calor y fricción en la capa límite
Utilidad
La analogía de Reynolds es útil para calcular el coeficiente de transferencia de calor utilizando mediciones de la fuerza de arrastre en ausencia de transferencia de calor
El régimen laminar se caracteriza por un flujo ordenado y una transferencia de calor y cantidad de movimiento predominantemente por difusión molecular
El régimen turbulento se caracteriza por un flujo desordenado y una transferencia de calor más eficiente debido a las mezclas y remolinos del fluido
Utilidad
Las correlaciones empíricas proporcionan métodos para estimar el coeficiente de transferencia de calor en ambos regímenes
Flujo Turbulento
En el flujo turbulento, el coeficiente de transferencia de calor suele ser superior al del flujo laminar debido a la mayor mezcla del fluido
El proceso de calentamiento o enfriamiento de un fluido al fluir a través de un ducto circular es fundamental en muchas aplicaciones de ingeniería
Perfiles de Temperatura Plenamente Desarrollados
Se presentan ecuaciones para determinar el coeficiente de transferencia de calor en flujo laminar con perfiles de temperatura plenamente desarrollados
Fórmulas Empíricas
Se presentan fórmulas empíricas para el flujo turbulento que dependen del número de Nusselt y consideran las propiedades físicas del fluido y las condiciones específicas del flujo
Las fórmulas empíricas son herramientas vitales para el diseño de sistemas de transferencia de calor en la ingeniería
Flujo alrededor de cilindros
Las fórmulas empíricas se aplican en situaciones como el flujo alrededor de cilindros
Ductos de formas no circulares
Las fórmulas empíricas también se aplican en ductos de formas no circulares utilizando el concepto de diámetro hidráulico
Las fórmulas empíricas permiten a los ingenieros predecir el comportamiento térmico en una amplia gama de configuraciones y condiciones de flujo, facilitando el diseño de equipos térmicos más eficientes y efectivos
00
El coeficiente de ______ de calor, representado por la letra h, es esencial para entender cómo un sistema transfiere calor.
transferencia
01
El capítulo explica cómo calcular el coeficiente h en casos de ______ forzada.
convección
02
En análisis térmicos, el valor del coeficiente h a menudo se ______ de antemano.
presupone
