TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONVECCIÓN CONCEPTOS FUNDAMENTALES Y RESUMEN DE CORRELACIONES

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Felipe Lucas Revuelta Alvarado
hace 7 años
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1 GRAO EN INGENIERÍA MECÁNICA (GR. 1, 4) CURSO TRANSMISIÓN E CALOR POR CONVECCIÓN CONCEPTOS FUNAMENTALES Y RESUMEN E CORRELACIONES CONVECCIÓN FORZAA 1. Salvo indicaciones expresas en algunas correlaciones, en general se evalúan las propiedades del fluido a la temperatura media de película, definida como: 2 2. El número de Reynolds (Re) es el parámetro que permite identificar el régimen de flujo en convección forzada. FLUJO EXTERNO Placas a. La longitud característica es la dimensión de la placa en la dirección del flujo, L. b. Para placas planas, el Nusselt y el coeficiente de película convectivo medios son el doble que sus respectivos valores locales. c. La transición de laminar a turbulento se va a producir para valores del Reynolds crítico entre 10 5 y Normalmente se considera un Reynolds crítico de transición de la capa límite de Flujo laminar Pohlhausen (Solución de similitud) / / Pr > 0.6 Solución de similitud para metales líquidos / Pr < 0.05 // Pe x > 100 Churchill y Ozoe / / / / / Pr cualquiera // Pe x > 100 Flujo turbulento Analogía de Prandtl < Re x < 10 7 Analogía de Chilton-Colburn / 0.6 < Pr < 60

2 GRAO EN INGENIERÍA MECÁNICA (GR. 1, 4) CURSO Colburn (capa límite mezclada, x c < x < L) / 0.6 < Pr < 60 // < Re x < 10 8 // Re cr = Colburn (capa límite turbulenta, L >> x c ) La expresión anterior se reduce a: / 0.6 < Pr < 60 // < Re x < Otras geometrías Flujo exterior normal a cilindros y prismas a. La longitud característica es el diámetro exterior del cilindro,. En el caso de geometrías no cilíndricas (prismas) será la dimensión mayor de la sección perpendicular al flujo. b. La transición de laminar a turbulento se considera que tiene lugar para un valor del Re crítico igual a Zhukauskas. 0.7 < Pr < 500 // 1 < Re < 10 6 n = 0.37 si Pr < 10; n = 0.36 si Pr > 10. excepto Pr s a T s Los valores de C y m se obtienen en función del número de Reynolds con la siguiente tabla: Re C m Churchill-Bernstein Cubre todo el rango de Re: / / 1 0.4/ / 1 / 100 < Re < 10 7 // Re Pr > 0.2 Jakob Correlación aplicable a gases sobre geometrías no circulares. / El valor de las constantes C y n se toman de la siguiente tabla: /

3 GRAO EN INGENIERÍA MECÁNICA (GR. 1, 4) CURSO Geometría Reynolds C m ,261 0,222 0,624 0, ,160 0,092 0,699 0, ,144 0,035 0,638 0, ,138 0, ,205 0, ,224 0, ,085 0, Esfera Whitaker 0,71 < Pr < 380 // 3,5 < Re < 7, // 1 < (μ/μ s ) < 3,2 Propiedades evaluadas a T m excepto μ s a T s Banco de tubos En estas geometrías, la longitud característica va a ser también el diámetro de tubo. Existen dos posibles configuraciones: alineada o al tresbolillo : u max es la velocidad de paso máxima, que modela la velocidad que tendrá el fluido a su paso entre los tubos; mayor que la del fluido libre a la entrada debido a la disminución de la sección de paso. Asociado a esta velocidad se considera un número de Reynolds según:

4 GRAO EN INGENIERÍA MECÁNICA (GR. 1, 4) CURSO Grimison 1.13, / 2000 < Re,max < // Pr 0.7 Propiedades evaluadas a T m. El valor de los coeficientes C 1 y m se obtienen de la siguiente tabla en función de la geometría de la configuración de tubos: C 2 es un factor de corrección que sólo aplica cuando el número de tubos de la configuración es inferior a 10. Si N L 10, su valor es 1; si N L < 10, su valor se obtiene de la tabla siguiente:

5 GRAO EN INGENIERÍA MECÁNICA (GR. 1, 4) CURSO FLUJO INTERNO EN CONUCTOS Conductos de sección circular d. La longitud característica es el diámetro interior del tubo. e. El número Re crítico en flujos internos completamente desarrollados es f. Para régimen laminar es posible obtener soluciones analíticas de aplicación. En cambio, en régimen turbulento se recurre a correlaciones empíricas. Flujo laminar Flujo de calor constante en zona de flujo completamente desarrollado Flujo de temperatura superficial constante en zona de flujo completamente desarrollado Hausen Se emplea poco porque supone una determinada longitud de entrada térmica / / / 100< (/L) Pr Re < 1500 excepto μ s a T s Sieder-Tate 1.86 /. 0.48< Pr < // (/L) Pr Re > 10 // < (μ/μ s ) < 9.75 excepto μ s a T s (*) Whitaker recomienda además utilizar esta expresión sólo cuando: /. 2 excepto μ s a T s Mijeev-Mijeeva (L/) < Pr 5/6 Re // 0.06 < (Pr/Pr s ) < (L/) > Pr 5/6 Re // 0.06 < (Pr/Pr s ) < 10 excepto Pr s a T s

6 GRAO EN INGENIERÍA MECÁNICA (GR. 1, 4) CURSO Flujo turbulento Las siguientes correlaciones se adecúan a las condiciones de flujo de calor o de temperatura superficial constante Colburn ittus-boelter /. 0,7 < Pr < 160 // Re > // (L/) > si enfriamiento (T s < T m ) 0.4 si calentamiento (T s > T m ) 0,7 < Pr < 160 // Re > // (L/) > 10 Solo para diferencias de T moderadas: 6 º para líquidos 60 º para gases Esta restricción permite utilizar la expresión como herramienta aproximada, evaluando las propiedades a la temperatura del fluido sin perturbar, lo cual resulta de interés en aquéllos casos en los que se desconozca la temperatura de la superficie interior del conducto. Sieder-Tate Petukhov /.. 0,7 < Pr < // Re > // (L/) > 10 excepto μ s a T s / /8. / < Pr < 2000 // 10 4 < Re < El factor de fricción se obtiene del diagrama de Moody para tuberías rugosas y de la siguiente expresión para tuberías lisas o de rugosidad suave: < Re < Correlaciones para metales líquidos Skupinski (para condición de flujo de calor constante) ,0185, < Pr < 0.05 (metales líquidos) // 100 < Re Pr < // L/ > 30 Seban & Shimazaki (para condición de temperatura superficial constante) 5 0,025, < Pr < 0.05 (metales líquidos) // Re Pr > 100 // L/ > 30

7 GRAO EN INGENIERÍA MECÁNICA (GR. 1, 4) CURSO Conductos de sección diversa a. Para Pr > 0.7 y flujo turbulento pueden utilizarse las correlaciones de conductos circulares teniendo en cuenta que: b. La longitud característica es el diámetro hidráulico definido como: 4 c. El número de Re crítico sigue siendo d. Para flujo laminar se puede obtener la solución analítica dando lugar a los siguientes coeficientes:

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