Introducción a la convección natural y forzada
¿Qué es la convección?
Dentro del curso hemos mencionado que existen tres principales mecanismos por los cuales se transfiere el calor, la conducción, convección y la radiación.
Tanto los líquidos como los gases son considerados fluidos,
y el movimiento molecular es el responsable de transferir el calor.
Sin embargo, en la convección tenemos un apartado especial
por así decirlo, ya que dentro de la convección se puede dividir en dos
subramas la convección natural o también llamada libre y la convección forzada.
En la convección natural el flujo resulta de la diferencia
de temperaturas del fluido en la presencia de una fuerza gravitacional. La
densidad de un fluido disminuye con el incremento de temperatura. De manera
sencilla en la convección natural las fuerzas de “flotación” generan el
movimiento del fluido. Sin una fuerza gravitacional la convección natural no es
posible. En convección natural una velocidad característica no es fácilmente
disponible.
A esta fuerza que genera el desplazamiento sobre un cuerpo
total o parcialmente sumergido se le conoce como “Fuerza de flotabilidad”, o de
empuje hidrostático.
La fuerza de empuje que se obtiene de este movimiento es
igual al peso de la masa de fluido desplazado.
Un ejemplo bastante común puede ser un globo aerostático, ya
que el aire que se encuentra dentro de él tiene la misma composición química
que la que se encuentra en el exterior, diferenciándose únicamente en que la
temperatura del aire “encerrado” dentro es superior a la de fuera, lo que se
traduce en una diferencia de densidades por ende la parte más liviana asciende.
Otro ejemplo que podemos emplear es imaginar a dos personas
en un cuarto cerrado cada una en un extremo y una de ellas se coloca perfume,
si no existe ningún movimiento en el aire y tampoco hay algo que mueva mecánicamente
el aire, como un ventilador o similar, el olor llegara a la otra persona en el
extremo opuesto, esto se debe a un movimiento de convección natural.
Ahora toca la otra rama de la convección.
CONVECCIÓN
FORZADA.
Es el movimiento del fluido que es generado por diferencia
de presiones. En este caso existen infinidad de ejemplos palpables tales como
una bomba de agua, un soplador, un ventilador, etc. Los fenómenos que afectan
la fuerza de resistencia al movimiento también afectan la transferencia de
calor y este efecto aparece en el número de Nusselt.
En convección se emplean los siguientes números
adimensionales: Número de NUSSELT (Nu) Representa la relación que existe entre
el calor transferido por convección a través del fluido y el que se
transferiría si sólo existiese conducción. Se considera una capa de fluido de
espesor L con sus superficies a diferentes temperaturas T1 y T2, T1 > T2, DT
= T1 - T2
Cuanto mayor es el número de Nusselt más eficaz es la
convección.
En la convección existen números adimensionales importantes. Y aunque el Nusselt está en ambos mecanismos se calcula de manera distinta, en la
convección se utiliza el número de Grashof que relaciona las fuerzas de flotación
y las viscosas. También en la forzada se utiliza el número de Prandtl que relaciona la difusividad
de la cantidad de movimiento molecular a la difusividad térmica
