5.1. Conveccin forzada. la transferencia de calor a travs de un lquido o gas puede ser por conduccin o conveccin, dependiendo de la presencia de algn movimiento masivo del uido. La transferencia de calor a travs de un uido es por conveccin cuando se tiene un movimiento masivo de este lti- mo y por conduccin cuando no existe dicho movimiento. or lo tanto, la conduccin en un uido se puede conce!ir como el caso lmite de la conveccin, correspondiente al caso de uido en reposo La experiencia muestra que la transferencia de calor por conveccin depende con intensidad de las propiedades viscosidad din"mica m, conductividad trmica #, densidad r y calor espec$co cp del uido, as como de la veloci- dad del uido . %am!in %am!in depende de la con$guracin geomtrica y aspere- &a de la super$cie slida, adem"s del tipo de u'o del uido (el que sea laminar o tur!ulento). or tanto, se espera que las relaciones de la transferen- cia de calor por conveccin sean un tanto comple'as de!ido a su dependencia de tantas varia!les * pesar de la comple'idad de la conveccin, se o!serva que la ra&n de la trans- ferencia de calor por este mecanismo es proporcional a la diferencia de tempera- tura y se expresa de manera conveniente por la ley de +eton de enfriamiento como
el coe$ciente de transferencia de calor por con- veccin h se puede de$nir como la ra&n de la transferencia de calor entre una super$cie slida y un uido por unidad de "rea super$cial por unidad de diferencia en la temperatura.
Capa Limite Hidrodinamica onsidere el u'o paralelo de un uido so!re una placa plana, como se mues- tra en la $gura -/0. Las super$cies que est"n torneadas de manera ligera, co- mo los "la!es de las tur!inas, tam!in se pueden considerar como placas planas con precisin ra&ona!le. La coordenada x se mide a lo largo de la su- per$cie de la placa, desde el !orde de ataque de esta ltima, en la direccin del u'o y la y se mide desde esa super$cie, en la direccin perpendicular. 1l uido se aproxima a la placa en la direccin x con una velocidad uniforme superior 2, la cual es pr"cticamente idntica a la velocidad de la corriente li!re so!re la placa,
le'os de la super$cie (ste no sera el caso para el u'o cru&a- do so!re o!'etos romos, como un cilindro).
La región del flujo arriba de la placa y limitada por δ, en la cual se sienten los efectos de las fuerzas cortantes viscosas causadas por la viscosidad del liquido se llama capa limite de la velocidad. El espesor de la capa limite, δ, por lo común se define como la distancia y tomada desde la superficie, a partir de la cual u=0.99V La recta hipotetica de u =.99V divide el flujo sobre una placa en dos re- giones: la region de la capa limite, en la cual los efectos viscosos y los cambios de la velocidad son significativos, y la region del flujo no viscoso, en la cual los efectos de la friccion son despreciables y la velocidad permanece esencialmente constante.
Capa Limite Termica 3e ha visto que se desarrolla una capa lmite de la velocidad cuando un uido uye so!re una super$cie como resultado de que la capa de uido adyacente a la super$cie tome la velocidad de sta (es decir, velocidad cero en relacin con la super$cie). *simismo, se de$ne la capa lmite de la velocidad como la regin en la cual la velocidad del uido vara desde cero hasta 4.552. 6e modo seme'ante, se desarrolla una capa lmite trmica cuando un uido a una temperatura espec$ca uye so!re una super$cie que est" a una temperatura diferente, como se muestra en la $gura /7. onsidere el u'o de un uido a una temperatura uniforme de % so!re una placa plana isotrmica a la temperatura %s. Las partculas de uido en la capa adyacente a la super$cie alcan&an el equili!rio trmico con la placa y tomar"n la temperatura super$cial %s. 1ntonces, estas partculas de uido intercam!iar"n energa con las partculas que est"n en la capa de uido ad'unta, y as sucesivamente. omo resultado, se desarrolla un per$l de temperaturas en el campo de u'o que va desde % s, en la super$cie, hasta %∞, su$cientemente le'os de sta. La regin del u'o so!re la super$cie en la cual la variacin de la temperatura en la direccin normal a la super$cie es signi$cativa es la capa lmite trmica. La regin del u'o so!re la super$cie en la cual la variacin de la temperatura en la direccin normal a la super$cie es signi$cativa es la capa lmite trmica. 1l espesor de la capa lmite trmica dt en cualquier lugar a lo largo de la super$cie se de$ne como la distancia, desde la super$cie, a la cual la diferencia de temperatura % - % s es igual a 4.55(% ∞ - %s). +tese que para el caso especial de % s 84, se tiene % 84.55 % ∞ en el !orde exterior del lmite trmico, lo cual es an"logo a u 8 4.552 para la capa lmite de la velocidad. 1l espesor de la capa lmite trmica aumenta en la direccin del u'o, ya que, corriente m"s a!a'o, se sienten los efectos de la transferencia de calor a distancias m"s grandes de la super$cie.
5.1.3. Conveccin forzada en placa plana en rgimen laminar y turbulento. onsidere el u'o paralelo de un uido so!re una placa plana de longitud L en la direccin del u'o, como se muestra en la $gura 9-. La coordenada x se mi- de a lo largo de la super$cie de la placa, desde el !orde de ataque, en la direc- cin del u'o. 1l uido se aproxima a la placa en la direccin x con una velocidad uniforme 2, y temperatura % . 1l u'o en la capa lmite de velocidad se inicia como laminar, pero si la placa es su$cientemente larga, el u'o se volver" tur!ulento a una distancia xcr a partir del !orde de ataque, donde el nmero de :eynolds alcan&a su valor crtico para la transicin La transicin de u'o laminar hacia tur!ulento depende de la con$guracin geomtrica de la super$cie, de su aspere&a, de la velocidad corriente arri!a, de la temperatura super$cial y del tipo de uido, entre otras cosas, y se le caracte- ri&a de la me'or manera por el nmero de :eynolds. 1l nmero de :eynolds a una distancia x desde el !orde de ataque de una placa plana se expresa como
1l coe$ciente de friccin promedio so!re la placa completa se determina por la sustitucin, en la ecuacin 9-9, de las relaciones antes dadas y median- te las integraciones ($gura 9-9). 3e o!tiene
1l nmero de +usselt promedio so!re la placa completa se determina me- diante la sustitucin de las relaciones antes dadas en la ecuacin 9; y al efec- tuar la integracin. 3e o!tiene
La primera relación da el coeficiente de transferencia de calor promedio para la placa completa cuando el flujo es laminar sobre toda la placa. La segunda relación lo da para la placa completa s ólo cuando el flujo es turbulento sobre toda la placa, o cuando la región del flujo laminar de esta última es demasia- do pequeña en relación con la región del flujo turbulento.
Cuando se prescribe el flujo de calor q·s, la razón de la transferencia de calor hacia la placa, o desde ésta, y la temperatura superficial a una distancia x se determinan a partir de
