COEFICIENTES DE FRICCION Y TRANSFERENCIA DE CALOR

Parcial 2. Clase 3

Convección forzada externa

Índice

La fuerza de resistencia al movimiento y transferencia de calor en el flujo externo

La resistencia al movimiento debida a la fricción y la presión

Los coeficientes de fricción y de transferencia de calor en paredes planas

Flujo alrededor de esferas y cilindros

Flujo sobre banco de tubos

La fuerza de resistencia al movimiento y transferencia de calor en el flujo externo

Fuerza de resistencia al movimiento o arrastre

La fuerza en la dirección del flujo que ejerce un fluido cuando se desplaza sobre un cuerpo se llama arrastre.

¿Cómo se analiza?

Los campos de flujo y las configuraciones geométricas para la mayor parte de los problemas de flujo externo son demasiado complicados para ser resueltos analíticamente y, por lo tanto, se tiene que confiar en las correlaciones basadas en datos experimentales.

Resistencia al movimiento debida a la fricción y la presión

Arrastre debido a la fricción y presión

Fuerza de fricción

Fuerza de presión

Fuerzas cortantes tangenciales a la superficie debido a la condición de no deslizamiento causada por los efectos viscosos

Fuerzas en dirección perpendicular al flujo

Arrastre debido a la fricción y presión

Para una placa plana se coloca perpendicularmente a la dirección del flujo, la fuerza de resistencia depende sólo de la presión y es independiente de la fuerza cortante

Para una placa plana delgada, alineada paralelamente a la dirección del flujo, la fuerza de resistencia al movimiento depende sólo de la fuerza cortante en la pared y es independiente de la presión

Sustentación

Las componentes de la presión y de las fuerzas cortantes en la pared en la dirección perpendicular al flujo tienden a mover al cuerpo en esa dirección y su suma se llama sustentación

Fuerza de resistencia al movimiento

La fuerza de resistencia al movimiento FD* depende de la densidad del fluido, la velocidad corriente arriba, y del tamaño, forma y orientación del cuerpo, entre otras cosas. Las características de resistencia al movimiento de un cuerpo se representan por el coeficiente de resistencia al movimiento, o de arrastre, adimensional CD definido como;

Coeficientes de fricción y de transferencia de calor en paredes planas

Coeficiente de fricción para una placa plana

La resistencia por la fricción depende fuertemente de la viscosidad, y un fluido “idealizado” con viscosidad cero produciría resistencia cero por la fricción. La resistencia al movimiento por la presión también sería cero en el flujo estacionario, sin importar la forma del cuerpo, ya que no habría pérdidas de presión

Transferencia de calor

Las ecuaciones de la capa límite los números local y promedio de Nusselt tienen la forma funcional;

Los datos experimentales para la transferencia de calor indican que se puede representar mediante;

Se pueden determinar los coeficientes de fricción y de convección promedio por integración a partir de

Para tomar en consideración la variación de las propiedades con la temperatura, las propiedades del fluido suelen evaluarse a la llamada temperatura de película;

Flujo paralelos sobre placas planas

El número de Reynolds a una distancia x desde el borde de ataque de una placa plana se expresa como

la transición del flujo de laminar a turbulento empieza alrededor de;

Coeficiente de fricción locales

El espesor de la capa límite y el coeficiente de fricción local en la ubicación x para el flujo laminar sobre una placa plana, son;

Coeficiente promedio de fricción

Coeficiente locales de transferencia de calor

El coeficiente de transferencia de calor local en la ubicación x para el flujo laminar sobre una placa plana, es;

Coeficiente promedio de transferencia de calor

Coeficientes locales de fricción y transferencia de calor

Coeficiente promedio de transferencia de calorcon desarrollo laminar y turbulento

Placa plana con tramo inicial no calentado

Los números de Nusselt locales para una placa con un tramo inicial no calentado, tanto para los flujos laminares como para los turbulentos, son;

Los números de Nusselt promedio son;

Flujos alrededor de cilindros y esferas

Flujo alrededor de un cilindro circular

Coeficiente promedio de arrastre para un flujo cruzado

Efecto de la aspereza en el coeficiente resistencia en una esfera de resistencia

Coeficiente de transferencia de calor local a lo largo de la circunferencia de un cilindro circular en flujo cruzado de aire.

Coeficientes de transferencia de calor promedio para un cilindro y una esfera

El número de Nusselt promedio en lo relativo al flujo cruzado sobre un cilindro, se presenta la propuesta por Churchill y Bernstein:

Para RePr>0.2 Las propiedades se determinan a la temperatura de la película.

Para el flujo sobre una esfera, Whitaker recomienda la correlación:

3.5 ≤ Re ≤ 8 x 104 , 0.7 ≤ Pr ≤ 380 y 1.0 ≤ (µ∞/µs) ≤ 3.2. En este caso, las propiedades del fluido se evalúan a la temperatura del flujo libre T∞ excepto para µs, la cual se evalúa a Ts.

Flujo sobre banco de tubos

Flujo alineado y escalonado

Banco de tubos alineados

ST: paso transversalSL: paso longitudinal A1=STxLAT=(ST-D)L

El número de Reynolds se define sobre la base de la velocidad máxima;

La velocidad máxima se determina con base en el requisito de conservación de la masa para el flujo incompresible estacionario

Banco de tubos escalonado

ST: paso transversal SL: paso longitudinal SD= paso diagonal A1=STxL AT=(ST-D)L AD=(SD-D)L

Para la velocidad máxima en tubos escalonados, cuando 2AD>AT, es;

Pero si 2AD<AT, la velocidad máxima será;

Nusselt promedio para el flujo cruzado sobre bancos de tubos (Zukauskas )

Correción del Nusselt promedio para el flujo cruzado sobre bancos de tubos (Zukauskas )

Las relaciones del número de Nusselt promedio de la tabla 7-2 son para bancos de tubos con 16 o más filas. También se pueden usar esas correlaciones para bancos de tubos con NL < 16, siempre que se modifiquen como;

Correción del Nusselt promedio para el flujo cruzado sobre bancos de tubos (Zukauskas )

Las relaciones del número de Nusselt promedio de la tabla 7-2 son para bancos de tubos con 16 o más filas. También se pueden usar esas correlaciones para bancos de tubos con NL < 16, siempre que se modifiquen como;

Temperaturata media logarítimica en la ley de enfriamiento

La razón de la transferencia de calor se puede determinar a partir de ;

donde As= NпDL y m= ρпv(STxNTxL) y ΔTlm= es la temperatura media logarítmica y se determina;

También se puede determinar la temperatura de salida del fluido, Te;

Caída de presión y potencia

La razón de la transferencia de calor se puede determinar a partir de ;

donde f es el factor de fricción y X es el factor de corrección y se determinana a partir de los siguientes gráficos;

La potencia requerida para mover un fluido a través de un banco de tubos es proporcional a la caída de presión y, por lo tanto, se puede determinar con la siguiente relación;

donde V=v(NTxSTxL) es el gasto volumétrico y m=ρV=v(NTx STx L)

Factor de correción en un banco alineado

Factor de correción en un banco escalonado

Ponente

Profesora

Marcela Giovana García Domínguez

¡Gracias!