El cálculo de transferencia de calor por convección sin cambio de fase depende de la geometría, el régimen del flujo, las propiedades del fluido y las condiciones térmicas de la superficie. A continuación se distinguen los casos de convección forzada externa, convección natural y flujo interno en tuberías. No existe un coeficiente de convección único que pueda aplicarse a todos estos problemas.
Metodología de cálculo para intercambio de calor sin cambio de fase en fluidos laminar
1- Determinar que es un Fluido Laminar.
En un flujo laminar el movimiento presenta una estructura ordenada, con mezcla transversal relativamente limitada frente al flujo turbulento. El régimen no depende únicamente de que el fluido sea viscoso o de que circule despacio; debe comprobarse el número de Reynolds, Re = ρ·v·D/μ = v·D/ν para flujo interno en tubo circular, donde ρ es la densidad, v la velocidad media, D el diámetro interior, μ la viscosidad dinámica y ν la cinemática. Como orientación, en una tubería circular el régimen suele considerarse laminar para Re inferior a aproximadamente 2.300. Ese umbral no debe aplicarse sin más al flujo exterior alrededor de placas o cilindros.
2- Comprobar que no existe Cambio de Fase.
Existe cambio de fase en un fluido cuando este pasa de un estado a otro, como de sólido a líquido o de líquido a gas. Esto ocurre cuando se produce un cambio en las condiciones ambientales del fluido, como la presión o la temperatura. Por ejemplo, el agua se solidifica cuando se enfría y se convierte en vapor cuando se calienta. Los cambios de fase también pueden ocurrir debido a la adición o eliminación de energía en forma de calor o trabajo.
3- Determinar el tipo de transferencia por convección que existe. (Forzada o Libre).
La convección es un modo de transferencia de calor en el que el calor se transporta a través de un fluido en movimiento. La convección puede ser forzada o natural. La convección forzada se produce cuando un fluido es forzado a moverse mediante la acción de una fuente externa, como un ventilador o una bomba. La convección natural, también conocida como convección libre, se produce cuando el fluido se mueve debido a la diferencia de densidad que se produce como resultado de la variación de temperatura.
Antes de aplicar una correlación, identifica si el flujo es interno o externo, si la convección es natural o forzada y si el régimen térmico e hidrodinámico está completamente desarrollado. Las expresiones representadas en las figuras siguientes corresponden a geometrías distintas y no son intercambiables.
Transferencia de calor por Convección sin cambio de Fase.
Transferencia de calor por convección forzada en placa plana (sin cambio de fase).
Transferencia de calor por convección forzada en cilindro (sin cambio de fase).
Transferencia de calor por convección forzada exterior en banco de tubos (sin cambio de fase).
Transferencia de calor por convección libre (sin cambio de fase).
Ejemplo de correlación para flujo laminar en tubería circular
Para un fluido monofásico que circula en régimen laminar totalmente desarrollado dentro de un tubo circular, con propiedades aproximadamente constantes y sin efectos significativos de convección mixta, el número de Nusselt medio adopta los siguientes valores teóricos según la condición en la pared:
- Nu = 3,66: temperatura de pared uniforme.
- Nu = 4,36: flujo de calor uniforme en la pared.
Con una de esas condiciones y una geometría adecuada puede estimarse el coeficiente convectivo mediante h = Nu·k/D, donde h está en W/(m²·K), k es la conductividad térmica del fluido (W/(m·K)) y D es el diámetro interior (m). La potencia térmica para un intercambio con diferencia de temperatura adecuada se estima mediante Q̇ = h·A·ΔT; si la temperatura del fluido cambia a lo largo del intercambiador debe emplearse la diferencia de temperatura apropiada y realizar un balance energético.
Limitaciones: estos valores de Nusselt no son válidos para cualquier flujo laminar. En la región de entrada térmica, placas planas, flujo exterior sobre cilindros, bancos de tubos o convección natural se requieren correlaciones y longitudes características diferentes, con sus propios límites de Reynolds, Prandtl o Rayleigh. Referencia: ASHRAE Handbook, capítulo 4: Heat Transfer, tabla de correlaciones de convección.
