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CONVECCIÓN FORZADA EN EL INTERIOR DE TUBOS Y DUCTOS DUCTOS El calentamiento y el enfriamiento de los fluidos al interior de ductos, son procesos de transferencia de calor importantes en la ingeniería. Las dimensiones de los tubos y ductos a usar dependen en gran medida del coeficiente de transferencia de calor entre el tubo y el fluido.
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La razón de transferencia de calor respecto a la diferencia de temperatura esta dada por la ecuación:
El coeficiente de calor puede calcularse a partir del número de Nusselt
Diámetro Hidráulico
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Área sección transversal
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Perímetro humedecido
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El número de Nusselt para transferencia de calor por convección forzada para ductos largos esta dada por la ecuación:
Donde los símbolos y denotan funciones del número Reynolds. Para ductos cortos la ecuación es modificada, incluyendo asi:
TEMPERATURA DEL FLUIDO DE REFERENCIA •
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El valor numérico de , depende de la elección de la temperatura de referencia en el fluido. Durante la transferencia de calor por un ducto, la temperatura del fluido no se estabiliza. En una sección transversal, podría elegirse como temperatura de referencia la temperatura central, pero es difícil de medir, por lo tanto se usa la temperatura de masa de fluido promedio Tb.
EFECTO DEL NÚMERO DE REYNOLDS •
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Para flujos por ductos largos, la longitud característica en el número de Reynolds, es el diámetro hidráulico, y la velocidad usada es la promedio, Re<2100 210010000
Flujo Laminar Flujo Transitorio Flujo Turbulento
EFECTO DEL NÚMERO DE PRANDTL •
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Se define como la relación que existe entre la viscosidad cinemática y la difusividad térmica del fluido. Cuando el número de Prandtl es más pequeño, el gradiente de temperatura cerca de una superficie es menos pronunciado que el gradiente de velocidad, y para fluidos con número de Prandtl mayor que 1, el gradiente de temperaturas es más pronunciado que el gradiente de velocidad.
EFECTOS DE ENTRADA
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Para un flujo laminar en un tubo circular, la longitud de entrada hidráulica en la que el perfil de velocidad alcanza su forma totalmente desarrollada se obtiene: Mientras que la distancia de la entrada en la que el perfil de la temperatura alcanza su forma totalmente desarrollada se obtiene:
VARIACIÓN PROPIEDADES FÍSICAS •
Un factor que influye considerablemente en la transferencia de calor y la fricción es la variación de las propiedades físicas con la temperatura. Cuando un fluido que circula por un ducto se calienta o enfría, su temperatura y, por ende, sus propiedades físicas varían a lo largo del ducto y en cualquier sección transversal dada.
CONDICIONES TÉRMICAS LÍMITE Y EFECTO DE COMPATIBILIDAD •
Para aquellos fluidos cuyo número de Prandtl es unitario o menor, el coeficiente de transferencia de calor también depende de la condición térmica límite.
