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convección forzada dentro de tubos y ductos

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Transcript of convección forzada dentro de tubos y ductos

Convección forzada dentro de tubos y ductos
Analogia entre transferencia de calor y transferencia de cantidad de movimiento
Coeficientes de transferencia de calor para flujo turbulento
Introducción
El calentamiento y enfriamiento de los fluidos que fluyen dentro de conductos, están en el proceso de transferencia de calor más importantes en ingeniería.
Conveccion forzada en flujo laminar
Convección forzada en el flujo de transición
Problemas
Presentado por:
JAIRO SMITH TRIVIÑO PINEDA
JOSE CONTRERAS GARCIA
ALEXANDER POLO TRUJILLO
JUAN DAVID NARVAEZ MENA

ingeniería Agrícola V semestre
USCO
Garzón-Huila
Numero de Nusselt
Diametro hidraulico
SELECCIÓN DE LA TEMPERATURA DE
REFERENCIA DEL FLUIDO
la rapidez del fluido de calor por unidad de area en un fluido, puede relacionarse con el gradiente de temperatura
El esfuerzo cortante causado por la acción cambiada de la fuerza de viscosidad y la transferencia turbulento de la cantidad de movimieto
Para fluidos turbulentos dentro de un tubo, el esfuerzo cortante disminuye linealmente con la distancia radial r
Donde el subindice s indicacondiciones en la superficie interior del tubo
La diferencia de presion ejerce la fuerza que esta balanceada, en el flujo estable, por la fuerza de corte en la pared
Por la fuera de corte en la pared por unidad de area, se obtiene
L a caida de presion de un coeficiente f de arrastre por rozamiento
el coeficiente de rozamiento f esta dado por:
Usando esta relacion
se supuso que era la unidad
Para fluidos que tienen numero de PRANDTL en el dominio de 0,5 a 100, COLBURN recomendada que el numero de STANTON sea multiplicado por
Donde se conoce como el factor j de COLBURM. temperatura promedio de pelicula del fuido, que se define como
indicando con el subindice ,las propiedades evaluadas en
la ecuacion para gases que fluyen dentro de conductos largos
la ecuacion para liquidos es
El exponente del factor de corrección de temperatura es:
n= 0.575 para gas de calefacción
n=0.15 para gas de refrigeración
Para líquidos que tienen números de Prandtl mayor que 1.0, el exponente en la razón de viscosidades en la ecuación es:
n=0.36 para líquidos de calefacción
n=0.20 para líquidos de refrigeración
El efecto de entrada para números de Reynolds que corresponden al flujo turbulento, se da por la ecuación:

C=0.020, Para temperatura constante de la pared del conducto.
C=0.021, Para una entrada constante de calor por unidad de longitud del tubo.
Cuando 2 < < 20
METALES LÍQUIDOS
Lyon encontró que la ecuación se aplica para entrada de calor uniforme a lo largo del tubo.
esta ecuación se aplica cuando la temperatura de la pared del tubo es constante.
Esta ecuación relaciona mejor los datos del flujo constante de calor dentro de un flujo de régimen turbulento completamente desarrollado.
Pero Rohsenow y choi recomiendan la siguiente ecuación para Re > 10,000
La diferencia de la tempratura promedio de la masa principal entre dos secciones del conducto, es una medida directa de la rapidez de transferencia de calor, o sea:
= rapidez de transferencia de calor hacia el fluido, en
= rapidez de flujo, en
= calor específico a presión constante, en
= diferencia de temperatura promedio de la masa principal entre las dos secciones transversales en cuestión.
EFECTO DEL NÚMERO DE REYNOLDS SOBRE LA TRANSFERENCIA DE CALOR Y LA CAÍDA DE PRESIÓN DENTRO DE UN FLUJO COMPLETAMENTE ESTABLECIDO.
Para flujo dentro de conductos largos, la longitud característica, tanto en el número de Reynolds como en el número de Nusselt, es el diámetro hidráulico, o sea:
Efecto del número de Prandlt
La viscosidad cinemática , o sea , frecuentemente se refiere a la difusividad cantidad de movimiento molecular.
A la difusividad térmica de un fluido , se le conoce como difusividad
molecular del calor.
Los metales líquidos, tienen una alta conductividad térmica y un calor específico pequeño, sus números de Prandtl son pequeños y comprendidos de 0.005 a 0.001.
Los números de Prandtl están comprendidos de 0.6 a 0.9.
EFECTOS DE ENTRADA
Cuando un fluido entra a un conducto con una velocidad uniforme,
el fluido inmediatamente adyacente a la pared del tubo queda en reposo
y a una distancia corta desde la entrada, se forma a lo largo de la pared del tubo,
una capa frontera laminar.
Si el número de Reynolds del tubo para flujo completamente desarrollado es inferior a 2,100, los efectos de entrada pueden ser apreciables para una longitud hasta de 50 diámetros medidos desde la entrada.
Para velocidades que corresponden a números de Reynolds para flujo turbulento en el tubo, los efectos de entrada desaparecen a unos 10 diámetros de distancia medidos desde la entrada.
VARIACIÓN DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS
La
temperatura
es otro factor que puede influenciar considerablemente la transferencia de calor y el rozamiento.
Cuando un fluido dentro de un conducto se calienta o se enfría, su temperatura al igual que sus propiedades físicas, varían a lo largo del conducto, así como también sobre cualquier sección transversal dada.
Para líquidos la dependencia de la viscosidad con la temperatura es de principal importancia.
Para los gases, además de la viscosidad, la conductividad térmica y la densidad varían significativamente con la temperatura. En ambos casos, el valor numérico del número de Reynolds depende de la posición donde se evalúa la viscosidad.
CONDICIONES TÉRMICAS DE FRONTERA Y EFECTOS DE COMPRESIBILIDAD
Para fluidos que tienen un número de Prandtl de la unidad o menor, el coeficiente de transferencia de calor depende de la condición térmica de frontera.
Cuando el calor se transfiere hacia o desde gases que fluyen a muy altas velocidades, los efectos de compresibilidad influencian al flujo y a la transferencia de calor.
LÍMITE DE PRECISIÓN EN LA PREDICCIÓN DE VALORES PARA COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN
En la aplicación de problemas prácticos para convección forzada, los valores del coeficiente de transferencia de calor no son exactos.
En flujo turbulento y laminar, la precisión del coeficiente de transferencia de calor , obtenido a partir de cualquier ecuación o gráfica disponible, puede tener hasta de 30%.
En la región de transición, donde los datos experimentales son escasos, la precisión del número de Nusselt obtenido de la información disponible, puede aún ser inferior.
Los mecanismos de transferencia de calor y flujo de fluido en la región de transición ( entre 2,100 y 10,000), varían considerablemente de sistema a sistema. En esta región se ha observado que el flujo puede ser inestable y que existen fluctuaciones de caída de presión y en la transferencia de calor.
Para fluidos con números de Prandtl muy grandes, tales como aceites,
el perfil de velocidad llega a estar completamente establecido mucho más rápidamente que el perfil de temperatura, usualmente a una distancia entre 20 a 80 diámetros desde la entrada.
EFECTO DE LA CONVECCIÓN LIBRE
Surge una complicación en al determinación del coeficiente de transferencia de calor en flujo laminar, cuando las fuerzas de flotación son del mismo orden de magnitud que las fuerzas externas debidas a la circulación forzada.
Las fuerzas debido a la convección libre llegan a ser tan grandes que no pueden despreciarse sus efectos sobre el patrón de velocidad, aun en flujo de alta velocidad.
RELACIONES Y ECUACIONES EMPÍRICAS
Es más conveniente presentar los resultados en términos del número de Nusselt, definido de manera convencional como:
La unidad de conductancia de convección varía a lo largo del tubo, para aplicaciones practicas, es más importante el valor promedio de la conductancia.
Se usará el número de Nusselt medio , promediado con respecto a las longitud del conducto , o sea:
donde el subíndice se refiere a la condiciones locales en . Frecuentemente este número medio de Nusselt, porque puede usarse en las ecuaciones rapidez media logarítmica para cambiadores de calor.
Para tubos muy largos y de temperatura uniforme, el número de Nusselt se aproxima al valor límite mínimo de 3.66. Cuando en vez de la temperatura del tubo lo que es uniforme es la rapidez del calor, el valor límite de es 4.36.
Para tubos cortos y conductos rectangulares, con distribución de velocidad y de temperatura inicialmente uniforme, las condiciones de flujo a lo largo de la pared, se aproximan a aquéllas a lo largo de una placa plana y el análisis de Pohlhausen, se supone que conduce a resultados satisfactorios, para líquidos que tienen números de Prandtl entre 1.0 y 15.0.
La solución de Pohlhausen se aplica cuando:
< 0.0048 para tubos.
< 0.0021 para conductos de sección transversal rectangular.
La ecuación de Pohlhausen para flujo sobre una placa plana es:
También se usa una ecuación empírica sugerida por Sieder y Tate. Esta ecuación puede escribirse en la forma.
Donde se introduce el factor empírico de correlación , para tomar en cuenta el efecto de variación de la temperatura sobre las propiedades físicas.
Kays y London sugieren que para gases, en número de Nusselt se multiplique por un factor de corrección de temperatura. Si todas las propiedades del fluido se evalúan a la temperatura promedio de la masa principal, el número de Nusselt corregido es:
Donde = 0.25 para gas de calefacción de un tubo y 0.08 para gas de refrigeración dentro de un tubo.
EFECTO DE TRANSFERENCIA DE CALOR SOBRE EL COEFICIENTE DE ROZAMIENTO
La variación de las propiedades físicas afecta también el coeficiente de rozamiento. Para evaluar el coeficiente de rozamiento de fluidos que están siendo calentados o enfriados, se sugiere que, para líquidos, se modifique el coeficiente de rozamiento isotérmico por:
Para gases, por:
Para los gases, los perfiles de temperatura y de velocidad se desarrollan aproximadamente con igual rapidez a los largo del tubo y debe considerarse el comportamiento real de ambos, en el análisis de transferencia de calor.
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