conveccion natural ok.ppt

7/23/2019 CONVECCION NATURAL ok.ppt

http://slidepdf.com/reader/full/conveccion-natural-okppt 1/65

CONVECCIÓN NATURALUNIVERSIDAD NACIONAL SAN ANTONIO ABAD DEL

CUSCO

ESCUELA PROFECIONAL DE INGENIERIA MECANICA

ALUMNOS:ALUMNOS:

-RODRIGUES SANCHEZ, JaimeRODRIGUES SANCHEZ, Jaime

-CHAVEZ DIAZ, Christian E. 00!0CHAVEZ DIAZ, Christian E. 00!0

-ORELLANA, "entiORELLANA, "enti

-MAMANI, A#$%MAMANI, A#$%

-ES&RADA A'ARCA, (i#)re$% OmarES&RADA A'ARCA, (i#)re$% Omar 111636

-CHU*UICHAM+I (ARA, R%#-CHU*UICHAM+I (ARA, R%#-



CONVECCIÓN NATURAL

Se ha estudiado anteio!ente e"!e#anis!o de tans$een#ia de #a"o %o#on&e##i'n $o(ada #u)a %in#i%a"#aa#te*sti#a ea "a i!%u"si'n de un

+uido !ediante !edios e,tenos En estao#asi'n a.odae!os "o #on#eniente a "a#on&e##i'n natua" en donde "atans$een#ia de #a"o se "o/a /a#ias a

!edios natua"es #o!o "a fotación "a#ua" se %odu#e de.ido en este #aso a "adi$een#ia de densidades en un +uido



E" #oe0#iente de tans$een#ia de#a"o %o #on&e##i'n de%ende

.astante de "a &e"o#idad1 ente!as a"ta sea esta !as a"to es e"#oe0#iente

Po "o tanto2 "os #oe0#ientes detans$een#ia de #a"o 3ue seen#uentan en "a #on&e##i'nnatua" son !as .a4os 3ue "osha""ados en "a #on&e##i'n $o(ada

smnVconveccio /1≤



APLICACIONES

En$ia!iento de e3ui%oe"e#t'ni#o2 tans$een#iade #a"o desde "os#a"entadoes e"5#ti#os2

adiadoes de &a%o dea/ua2 se%entines dee$i/ea#i'n2 et#La #on&e##i'n natua" en

"os /ases sue"e esta

a#o!%a6ada %o adia#i'nde !a/nitud si!i"a2e,#e%to en "as su%e0#iesde .a4a e!isi&idad



COMO SE DA LA CONVECCI/NNA&URAL

Las #oientes de #on&e##i'n natua" su/ende.ido a 3ue "a #a%a de +uido 3ue odea a"o.4eto e,%ei!enta un #a!.io de su densidad

7"a densidad de un /as es in&esa!ente%o%o#iona" a su te!%eatua8 "o 3ue #on""e&aa 3ue este su.a o .a4e de%endiendo de si e"o.4eto !oti&o de "a tans$een#ia esta !as $i'

o !as #a"iente 3ue este +uido #i#undante



EFECTO DE FLOTACIONBa4o e" e$e#to de un #a!%o /a&ita#iona"

e,iste una $ue(a neta 3ue e!%u4a ha#iaai.a un +uido !as "i/eo en uno !as%esado La $ue(a ha#ia ai.a e4e#ida %oun +uido so.e un #ue%o su!e/ido#o!%"eta o %a#ia"!ente en e" se ""a!a

$ue(a de e!%u4e La !a/nitud de esta$ue(a es i/ua" a" %eso de" +uido des%"a(ado

P Paa e" #aso de" .a#otene!os1



En "os estudios de "a tans$een#ia de #a"o "a&aia."e %in#i%a" es "a te!%eatua ) esu"ta#on&eniente e,%esa "a $ue(a neta de e!%u4e ente!ino de "as di$een#ia de te!%eatua %o ta"!oti&o se e3uiee de una %o%iedad 3ue

e%esente "a &aia#i'n de "a densidad de un +uido#on "a te!%eatua a %esi'n #onstante

Mate!9ti#a!ente esta de0nido #o!o1

Paa e" #aso de estudios de Con&e##i'n

natua" "o e,%esa!os #o!o1

COE1ICIEN&E DE E2+ANSI/NVOLUME&RICA



MEDICIONES EN LA CONVECCIONNATURAL E" instu!ento 3ue no!a"!ente

se usa en "os e,%ei!entose"ati&os a "a #on&e##i'n es e"inte$e'!eto de Ma#h :ehnde2e" #ua" da una /a0#a de "asisote!as en "a su%e0#ie E"%in#i%io de !edi#i'n de este se.asa en e" he#ho de 3ue a .a4a%esi'n "as "*neas de te!%eatua#onstante %aa un /as#oes%onden #on "as "*neas dedensidad #onstante2 ) 3ue e"*ndi#e de e$a##i'n de "a "u( ena"/;n %unto en un /as es $un#ion

de su densidad Este %odu#e un !a%a de

!9/enes de inte$een#ia 3uese %ueden inte%eta #o!o"*neas de te!%eatua #onstante



ECUACION DE MOVIMIENTO <NUMERO DE GRAS=OF I/ua" 3ue en "a

#on&e##i'n $o(adae" es%eso de "a #a%a"i!ite au!enta en "a

die##i'n de" +u4o2%eo2 "a &e"o#idad de"+uido se ha#e #eoen "a %ate e,teiode "a #a%a de.ido a

3ue e" +uido 3ue seen#uenta !as a""9de "a #a%a "i!ite estain!'&i"



EL NUMERO DE GRASHOF



Con&e##i'n Natua" So.eCon&e##i'n Natua" So.e

Su%e0#iesSu%e0#ies

La tans$een#ia de #a"o %o #on&e##i'nnatua" so.e una su%e0#ie de%ende tantode "a #on0/ua#i'n /eo!5ti#a de di#hasu%e0#ie #o!o de "a &aia#i'n de

te!%eatua 3ue ha""a so.e esta ) de "as%o%iedades te!o $*si#as de" +uido 3ueinte&iene en este %o#eso



Po "a #o!%"e4idad de" !o&i!iento de"+uido se ha#e di$*#i" "a o.ten#i'n de

e,%esiones ana"*ti#as sen#i""as %aa "atans$een#ia de #a"o en #on&e##i'nnatua"2 %eo %o !edio de estudiose,%ei!enta"es se ""e/an a unas

e,%esiones sen#i""as %aa "as !asusadas

"as #oe"a#iones e!%*i#as %aa e"nu!eo %o!edio de Nusse"t es1



donde RaL es e" n;!eo de

Ra)"ei/h

Los &a"oes de "as #onstantes C ) nde%enden de "a #on0/ua#i'n/eo!5ti#a de "a su%e0#ie ) de"5/i!en de +u4o

E" &a"o de n sue"e se de >?@ %aa+u4o "a!ina >? %aa e" tu.u"ento2) C no!a"!ente es !eno de >



P"a#as Veti#a"es 7Ts P"a#as Veti#a"es 7Ts #onstante8#onstante8

A3u* se %esentan e" n;!eo deNusse"t %o!edio #on su#oes%ondiente inte&a"o de nu!eoRa)"ei/h

Nu Ra

%aa todo e" inte&a"o

Todo esto #on L i/ua" a L#



P"a#as Veti#a"es #on +u4o deP"a#as Veti#a"es #on +u4o de#a"o #onstante#a"o #onstante

Paa este #aso se %ueden uti"i(a"as !is!as e"a#iones 3ue %aa%"a#as isot5!i#as sie!%e )

#uando se use "a te!%eatua TL?

< TL? e" #ua" es en e" %unto !ediode "a %"a#a ) se dete!ina %oitea#i'n



P"a#as In#"inadasP"a#as In#"inadas

Se uti"i(an "as !is!ase#ua#iones 3ue %aa %"a#as&eti#a"es %aa "a su%e0#ie

su%eio de una %"a#a $*a ) "asu%e0#ie in$eio de una %"a#a#a"iente



P"a#a =oi(onta"P"a#a =oi(onta"

A3u* se %esentan e" n;!eo deNusse"t %o!edio #on su#oes%ondiente inte&a"o de

nu!eo Ra)"ei/h Nu Ra



Ci"indos Veti#a"esCi"indos Veti#a"es

En este #aso se %ueden tata#o!o %"a#as &eti#a"es #uando e"di9!eto de" #i"indo es

su0#iente!ente /ande E" #ua"de.e satis$a#e esta #ondi#i'n1



Ci"indos =oi(onta"esCi"indos =oi(onta"es



) se to!a D #o!o "a L#



Es$easEs$eas





CONVECCIÓN NATURALCONVECCIÓN NATURAL

DESDE SUPERFICIES CONDESDE SUPERFICIES CONALETAS < PCBALETAS < PCB

En$ia!iento %o #on&e##i'n

natua" de su%e0#ies #on a"etas 7ts te8En$ia!iento %o #on&e##i'n natua"de PCB &eti#a"es 73 te8

Gasto de !asa %o e" es%a#io ente%"a#as



CONVECCIÓN NATURAL DESDECONVECCIÓN NATURAL DESDESUPERFICIES CON ALETAS < PCBSUPERFICIES CON ALETAS < PCB



En$ia!iento Po Con&e##i'nEn$ia!iento Po Con&e##i'nNatua" De Su%e0#ies ConNatua" De Su%e0#ies ConA"etas 7Ts te8A"etas 7Ts te8

N3mer% $e ra-#ei4h

Dimensiones de unasuperficie

Con aletas orientadaverticalmete

Numero de Nusselt

Espaciamiento óptimo



En$ia!iento %o #on&e##i'nEn$ia!iento %o #on&e##i'nnatua" de PCB &eti#a"es 73 te8natua" de PCB &eti#a"es 73 te8

Nu!eo de Nusse"t

Diversas dimensiones de una

superficie con aletas, orientada

verticalmente

Espaciamiento óptimo

La velocidad de la trasferencia de calor



CONVECCIÓN NATURAL DESDE

SUPERFICIES CON ALETAS < PCB

En$ia!iento %o #on&e##i'n natua"

de su%e0#ies #on a"etas 7ts te8En$ia!iento %o #on&e##i'n natua"de PCB &eti#a"es 73 te8Gasto de !asa %o e" es%a#io ente

%"a#as



CONVECCIÓN NATURAL DESDE

SUPERFICIES CON ALETAS < PCB



En$ia!iento Po Con&e##i'n Natua"De Su%e0#ies Con A"etas 7Ts te8

Nu!eo de Ra)"ei/h

Nu!eo de Nusse"t

Es%a#ia!iento O%ti!o



En)riamient% 5%r 6%n7e66i8nnat3ra# $e +C' 7erti6a#es 9 ;<te=N3mer% $e N3sse#t

Es5a6iamient% O5tim%

La 7e#%6i$a$ $e #a trans)eren6ia $e 6a#%r



Con&e##i'n Natua" DentoCon&e##i'n Natua" DentoDe Re#intos CeadosDe Re#intos Ceados

Se ha."a de e#intos #eadossie!%e 3ue se ten/a un&o"u!en 3ue en#iee a"/;n /as

Es i!%otante #ono#e "os$en'!enos 3ue en e""os o#uenduante "a tans$een#ia de #a"o

%ues e,isten !u#hos #asos%9#ti#os en "os #ua"es e""os sona%"i#a."es



Caa#te*sti#asCaa#te*sti#as

B9si#a!ente se %ueden #"asi0#aen1

Re#intos #eados &eti#a"es



Re#intos #eados hoi(onta"es

La $o!a de #e"das 3ue se a%e#ia

desa%ae#e #uando Ra es !a)o3ue >H2 %aa &a"oes !a)oes a,>HJ e" !o&i!iento de" +uido se&ue"&e tu.u"ento



E" nu!eo de Ra)"ei/h %aa une#into #eado se %uede #a"#u"a#o!o1

En donde "as %o%iedades de"

+uido se de.en "ee a "ate!%eatua %o!edio de"!is!o



Condu#ti&idad T5!i#aCondu#ti&idad T5!i#aE$e#ti&aE$e#ti&a En un e#into #eado e" +u4o de

#a"o se %uede e,%esa #o!o1

La a('n de #ondu##i'nesta#ionaia de #a"o de una a

oto "ado de una #a%a de es%esoL# es1



Co!%aando "as dos e#ua#ionesanteioes %ode!os nota 3ue1

e" +uido en un e#into #eado se#o!%ota #o!o un +uido #u)a#ondu#ti&idad t5!i#a es Nu

#o!o esu"tado de "as #oientesde #on&e##i'n

e$ Nu a "a #antidad Nu se "e ""a!a

#ondu#ti&idad t5!i#a e$e#ti&a



Re#intos CeadosRe#intos CeadosRe#tan/u"aes =oi(onta"esRe#tan/u"aes =oi(onta"esDe a#uedo a esu"tados

e,%ei!enta"es se #uentan #on"as si/uientes e"a#iones dento

de sus es%e#ti&os inte&a"os1



Re#intos CeadosRe#intos CeadosRe#tan/u"aes In#"inadosRe#tan/u"aes In#"inados

Paa %"a#as in#"inadas #onta!os#on "as si/uientes e"a#ionese,%ei!enta"es1

Paa e"a#iones de =?LK> sea%"i#an "as si/uientes e"a#iones

teniendo en #uenta e" #iti#o



Re#intos CeadosRe#intos CeadosRe#tan/u"aes Veti#a"esRe#tan/u"aes Veti#a"es



CILINDROS CONCENTRICOS

La a('n ente "a tans$een#ia de#a"o en e" es%a#io anu"a ente e""os )"a unidad de #on&e##i'n natua" see,%esa #o!o1

)(

)ln(

20

0

.

i

i

ef T T

D

D

k Q −=

π



La e"a#i'n e#o!endada %aa "a

#ondu#ti&idad t5!i#a e$e#ti&aes1

En donde e" $a#to /eo!5ti#o

%aa "os #i"indos #on#5nti#os2F#i"2 es1

553

05

33

4

0

)(

)ln(

−−+

= D D L

D D

F

ic

i

cil

( ) 414

1

*Pr 861.0

Pr 386.0 aLcil

ef R F

k

k

+=



ESFERAS CONCENTRICAS

Paa es$eas #on#5nti#as isot5!i#as "a &e"o#idad de"a tans$een#ia de #a"o a ta&5s de "a .e#ha entee""as %o #on&e##i'n natua" se e,%esa #o!o1

( )0

0.

T T L

D Dk Q i

c

i

ef −

= π



en donde es "a"on/itud #aa#te*sti#a Lae"a#i'n e#o!endada %aa "a#ondu#ti&idad t5!i#a e$e#ti&aes1

En donde e" $a#to /eo!5ti#o %aa"as es$eas #on#5nti#as2 Fes$2 es1

−

=2

0 i

c

D D L

( ) 4/1

4/1

861.074.0 t esf

r

r ef Ra F

P

P

K

K

+

=

557

05

74

0 )()( −−

+

=

D D D D

Lc F

ii

esf



CONVECCION NATURAL <RADIACION COMBINADA

Los /ases son #asi tans%aentes%aa "a adia#i'n )2 #o!o#onse#uen#ia2 "a tans$een#ia de

#a"o a ta&5s de una #a%a de/as2 es %o #on&e##i'n 7o#ondu##i'n2 si e" /as esta

in!'&i"8 ) adia#i'n si!u"tanea2as*1rad convtotal

QQQ...

+=

L $ i d "



La tans$een#ia de #a"o %oadia#i'n desde una su%e0#ie Ts odeada %o una su%e0#ie a una

Ta"ed se dete!ina a %ati de1

Cuando "os e$e#tos en "os

e,te!os son des%e#ia."es2 "atans$een#ia de #a"o %oadia#i'n ente dos %"a#as/andes %aa"e"as 3ue seen#uenta en "as te!%eatuasa.so"utas T> ) T se e,%esa#o!o1

)( 44.

alred s s T T AQ −= εσ

)(111

)( 4

2

4

1

21

4

2

4

1.

T T AT T A

Q sefectiva

s −=−+

−= σ ε

ε ε

σ

E d d " i i id d



En donde ) son "as e!isi&idadesde "as %"a#as ) es "a e!isi&idade$e#ti&a de0nida #o!o1

1ε 2ε

efectivaε

1111

21

−+

=

ε ε

ε efectiva



CONVECCION NATURAL < FOR:ADACONVECCION NATURAL < FOR:ADACOMBINADASCOMBINADAS

Vaia#i'n de" nu!eo "o#a" de nusse"t2 Un2 %aa #on&e##i'n natua" ) $o(a



Las #on&e##i'n natua" %uede !e4oa o inhi.i "a tans$een#ia de#a"o2 de%endiendo de "as die##iones e"ati&as de" !o&i!ientoindu#ido %o "a +ota#i'n ) e" !o&i!iento de #on&e##i'n $o(ada



Siste!a de %u/aSiste!a de %u/a



DatosDatos



+r%>#ema 0?: &rans)eren6ia+r%>#ema 0?: &rans)eren6ia



$e 6a#%r a tra7@s $e 3n$e 6a#%r a tra7@s $e 3nre6int% 6erra$% es)@ri6%.re6int% 6erra$% es)@ri6%.

Las dos es$eas #on#5nti#as deLas dos es$eas #on#5nti#as dedi9!etosdi9!etos DiDi H #! )H #! ) DoDo HH#!2 !ostadas en "a 0/ua2#!2 !ostadas en "a 0/ua2

est9n se%aadas %o aie a unaest9n se%aadas %o aie a una%esi'n de > at! Las%esi'n de > at! Las

te!%eatuas su%e0#ia"es dete!%eatuas su%e0#ia"es de"as dos es$eas 3ue en#iean e""as dos es$eas 3ue en#iean e"aie sonaie son TiTi H )H ) ToTo H 2H 2es%e#ti&a!ente Dete!ine "aes%e#ti&a!ente Dete!ine "a

a('n de "a tans$een#ia dea('n de "a tans$een#ia de

#a"o desde "a es$ea inteio#a"o desde "a es$ea inteioha#ia "a e,teio %o #on&e##i'nha#ia "a e,teio %o #on&e##i'n

natua"natua"

So"u#i'nSo"u#i'n



So"u#i'nSo"u#i'n

La conductividad térmica efectiva es



La conductividad térmica efectiva es

la razón de la transferencia de calor entre las dos esferasqueda

el calor se perderá de la esfera interior hacia la exterior

a"u!inio anodi(ado en ne/o ) !ont9ndo"a so.ea"u!inio anodi(ado en ne/o ) !ont9ndo"a so.e" d d 9



"a %aed de un #uato 3ue est9 a HC La"a %aed de un #uato 3ue est9 a HC Lae!isi&idad de "as su%e0#ies de" tansisto ) de "ae!isi&idad de "as su%e0#ies de" tansisto ) de "a%"a#a es de H Su%oniendo 3ue "a tans$een#ia%"a#a es de H Su%oniendo 3ue "a tans$een#ia

de #a"o desde e" "ado %osteio de "a %"a#a esde #a"o desde e" "ado %osteio de "a %"a#a esdes%e#ia."e ) 3ue "a te!%eatua de "asdes%e#ia."e ) 3ue "a te!%eatua de "assu%e0#ies #i#undantes es "a !is!a 3ue "a de"su%e0#ies #i#undantes es "a !is!a 3ue "a de"

aie a!.iente de" #uato2 dete!ine e" ta!a6o deaie a!.iente de" #uato2 dete!ine e" ta!a6o de

di#ha %"a#a si "a te!%eatua su%e0#ia" %o!ediodi#ha %"a#a si "a te!%eatua su%e0#ia" %o!ediode "a !is!a no de.e so.e%asa "os JHC ta!.i5nde "a !is!a no de.e so.e%asa "os JHC ta!.i5n

su%oniendo 3ue "a %"a#a se &a a #o"o#asu%oniendo 3ue "a %"a#a se &a a #o"o#ahoi(onta"!ente #on a8 "os tansistoes dandohoi(onta"!ente #on a8 "os tansistoes dandoha#ia ai.a ) .8 "os tansistoes dando ha#iaha#ia ai.a ) .8 "os tansistoes dando ha#ia

a.a4oa.a4o

Solución

di i d f i i bl



1. condiciones de funcionamiento estable.

. !l aire es un "as ideal con propiedades constante.

#. La presión atmosférica local es de 1 atm

$. La transferencia de calor de la parte posterior no seconsidera en este problema.

Tprom%&Ts'T()* % &+,'#,)* % $,- propiedades

!l n/mero de 0alei"h se puede determinar en términos dela lon"itud caracter2stica & lon"itud de la placa )



La relación n/mero de 3usselt es4

!l coe5ciente de transferencia de calor es

Tomando nota de que tanto la super5cie temperaturas

circundantes son conocidos 6 la tasa de convección transferencia de calor por radiación se expresan como

La tasa de transferencia de calor total se expresa como4



La tasa de transferencia de calor total se expresa como4

Sustituendo n/mero de 3usselt expresión anterior resolviendo para L6 la lon"itud de la placa se determina que es.

L%,.$7m

La lon"itud caracter2stica el n/mero de 0alei"h para el casohorizontal se determina que

A) Supercie caliente hacia arriba : 8sumimos 0a 9 1,: por lo tanto L 9 ,6:$ m por lo que podemos determinar eln/mero de 3usselt la convección coe5ciente de transferenciade calor se convierta



La tasa de transferencia de calor por convección es

la lon"itud de la placa se determina que es L % ,.$,: mdonde L 9 ,6:+ m6 por lo tanto la asunción de 0a 9 1,:es corecto.

B) Supercie caliente hacia abajo : el n/mero de3usselt en este caso se determina a partir

La tasa de transferencia de calor por convección total es4



La tasa de transferencia de calor por convección total es4

la lon"itud de la placa se determina que es L% ,.$7$ m

se #a"ienta #on$o!e +u)e %o e" tu.o2 ) e" es%a#iose #a"ienta #on$o!e +u)e %o e" tu.o2 ) e" es%a#io



) % ) %anu"a ente "os tu.os de a"u!inio ) de &idio est9anu"a ente "os tu.os de a"u!inio ) de &idio est9""eno #on aie a "a %esi'n de > at! Duante un d*a""eno #on aie a "a %esi'n de > at! Duante un d*a#"ao2 "a .o!.a 3ue ha#e #i#u"a e" a/ua $a""a ) "a#"ao2 "a .o!.a 3ue ha#e #i#u"a e" a/ua $a""a ) "a

te!%eatua de esta ;"ti!a 3ue se en#uenta en e"te!%eatua de esta ;"ti!a 3ue se en#uenta en e"tu.o se e!%ie(a a e"e&a E" tu.o de a"u!iniotu.o se e!%ie(a a e"e&a E" tu.o de a"u!inio

a.so.e "a adia#i'n so"a a a('n de H Btu?h %oa.so.e "a adia#i'n so"a a a('n de H Btu?h %o%ie de "on/itud ) "a te!%eatua de" aie a!.iente%ie de "on/itud ) "a te!%eatua de" aie a!.iente

en e" e,teio es de HF Des#atando #ua"3uieen e" e,teio es de HF Des#atando #ua"3uie%5dida de #a"o %o adia#i'n2 dete!ine "a%5dida de #a"o %o adia#i'n2 dete!ine "ate!%eatua en e" tu.o de a"u!inio #uando sete!%eatua en e" tu.o de a"u!inio #uando seesta."e#e "a o%ea#i'n esta#ionaia 7es de#i2esta."e#e "a o%ea#i'n esta#ionaia 7es de#i2

#uando "a a('n de "a %5dida de #a"o de" tu.o es#uando "a a('n de "a %5dida de #a"o de" tu.o esi/ua" a "a #antidad de ene/*a so"a /anada %o e"i/ua" a "a #antidad de ene/*a so"a /anada %o e"

!is!o8!is!o8

1 !xisten condiciones estacionarias de operación. !l tubo su cubierta son isotérmicos



!l tubo su cubierta son isotérmicos.

# !l aire es un "as ideal.

$ La pérdida de calor por radiación es despreciable.

Tprom% &:, '11,)* %;,-< = propiedades

la cual es más de #, >tu*h. ?or lo tanto6 la temperatura



supuesta de 11,-< para la cubierta de vidrio es alta.0epitiendo los cálculos con temperaturas más ba@as6 sedetermina que la temperatura de esa cubiertacorrespondiente a #, >tu*h es de 1,7-<.

La temperatura del tubo de aluminio se determina demanera seme@ante6 usando las relaciones de convecciónnatural para dos cilindros concéntricos horizontales. !neste caso6 la lon"itud caracter2stica es la distancia entre losdos cilindros6 la cual es

conveccion natural ok.ppt

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