Ejemplo de Convección

La Convección es junto con la Conducción y la Radiación, uno de los mecanismos de transferencia de calor. Es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y el líquido o gas adyacentes que están en movimiento y comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento de fluidos. Mientras más rápido es el movimiento de un fluido, mayor es la transferencia de calor por convección. En ausencia de cualquier movimiento masivo de fluido, la transferencia de calor entre una superficie sólida y el fluido adyacente es por conducción pura. La presencia de movimiento masivo del fluido incrementa la transferencia de calor entre la superficie sólida y el fluido, pero también complica la determinación de las velocidades de esa transferencia.

Para comprender mejor este concepto, se puede considerar el enfriamiento de un bloque caliente al soplar aire frío sobre su superficie expuesta. La energía se transfiere primero a la capa de aire adyacente al bloque, por conducción. Enseguida, esta energía es acarreada alejándola de la superficie, por convección; es decir, por los efectos combinados de la conducción dentro del aire, que se debe al movimiento aleatorio de moléculas de éste, y del movimiento masivo o macroscópico de ese aire que remueve el aire calentado cercano a la superficie y lo reemplaza por otro más frío.

La convección recibe el nombre de Convección forzada si el fluido es forzado a fluir sobre la superficie mediante medios externos como un ventilador, una bomba o el viento. Como contraste, se dice que es Convección natural (o libre) si el movimiento del fluido es causado por las fuerzas de empuje que son inducidas por las diferencias de densidad debidas a la variación de la temperatura en ese fluido.

Los procesos de transferencia de calor que comprenden cambio de fase de un fluido también se consideran como convección a causa del movimiento de ese fluido inducido durante el proceso, como la elevación de las burbujas de vapor durante la ebullición o la caída de las gotitas de líquido durante la condensación.

A pesar de la complejidad de la convección, se observa que la rapidez de la transferencia de calor por convección es proporcional a la diferencia de temperaturas y se expresa en forma conveniente por la Ley de Newton del Enfriamiento, como:

Donde h es el Coeficiente de transferencia de calor por convección, en [W/(m²*°C)] o [Btu/(h*ft²*°F)], A es el Área superficial a través de la cual tiene lugar la transferencia de calor por convección, T_s es la temperatura de la superficie y T∞ es la temperatura del fluido suficientemente alejado de esa superficie. Hay que notar que, en la superficie, la temperatura del fluido es igual a la del sólido.

A juzgar por las unidades, el Coeficiente de transferencia de calor por convección h se puede definir como la velocidad de la transferencia de calor entre una superficie sólida y un fluido por unidad de área superficial por unidad de diferencia de temperatura.

El coeficiente de transferencia de calor por convección h no es una propiedad del fluido. Es un parámetro que se determina en forma experimental y cuyo valor depende de todas las variables que influyen sobre la convección, como la configuración geométrica de la superficie, la naturaleza del movimiento del fluido, las propiedades de éste y la velocidad masiva del mismo.

Hay veces que no se considera a la convección como un mecanismo fundamental de transferencia de calor, por la razón de que, en esencia, es conducción de calor en presencia de un movimiento de fluido. Dadas las implicaciones de la inclusión del movimiento del fluido, se ha decidido manejarlo como un mecanismo separado.

La experiencia muestra que la transferencia de calor por convección depende con intensidad de las propiedades viscosidad dinámica μ, conductividad térmica k, densidad ρ, y calor específico Cp del fluido, así como de la velocidad del fluido V. También depende, como se mencionó previamente, de la configuración geométrica y aspereza de la superficie sólida, además del tipo de flujo del fluido (el que sea laminar o turbulento). Por tanto, se espera que las relaciones de la transferencia de calor por convección sean un tanto complejas debido a su dependencia de tantas variables. Esto no es sorprendente, ya que la convección es el mecanismo más complejo de transferencia de calor.

Cuando un fluido se fuerza a fluir sobre una superficie sólida que no es porosa (es decir, impermeable al fluido), se observa que ese fluido en movimiento llega a detenerse por completo en la superficie y toma una velocidad cero en relación con esta última. Es decir, la capa de fluido en contacto directo con una superficie sólida “se adhiere” a ésta y no resbala. En el flujo de fluidos, este fenómeno se conoce como Condición de no deslizamiento y se debe a la viscosidad del fluido. La condición de no deslizamiento es responsable del desarrollo del perfil de velocidades para el flujo.

Un fenómeno semejante ocurre con la temperatura. Cuando se ponen en contacto dos cuerpos a temperaturas diferentes, se tiene transferencia de calor hasta que adquieren la misma temperatura en el punto de contacto. Esto se conoce como Condición de no salto en la temperatura.

Una implicación de las condiciones de no deslizamiento y de no salto en la temperatura, es que la transferencia de calor de la superficie sólida a la capa de fluido adyacente es por conducción pura, puesto que la capa de fluido está inmóvil.

Número de Nusselt

En los estudios sobre convección, es práctica común quitar las dimensiones a las ecuaciones que rigen y combinar las variables, las cuales se agrupan en números adimensionales, con el fin de reducir el número de variables totales. También es práctica común quitar las dimensiones del coeficiente de transferencia de calor h con el Número de Nusselt, que se define como:

Donde k es la conductividad térmica del fluido y Lc es la longitud característica. Este número recibió el nombre en honor de Wilhelm Nusselt, quien realizó contribuciones significativas a la transferencia de calor por convección durante la primera mitad del siglo XX, y se concibió como el coeficiente adimensional de transferencia de calor por convección.

Para comprender el significado físico del número de Nusselt, hay que considerar una capa de fluido de espesor L y diferencia de temperatura ΔT=T₂-T₁. La transferencia de calor a través de la capa de fluido será por convección cuando esta última tenga algún movimiento, y por conducción cuando esté inmóvil. En cualquiera de los dos casos, el flujo de calor (la velocidad de transferencia de calor por unidad de tiempo y por unidad de área superficial será:

Al dividir ambas ecuaciones, numerador y denominador respectivamente, el resultado es:

Lo cual es el número de Nusselt. Por lo tanto, el número de Nusselt representa el mejoramiento de la transferencia de calor a través de una capa de fluido como resultado de la convección en relación con la conducción a través de la misma capa. Mientras mayor sea el número de Nusselt, más eficaz es la convección. Un número de Nusselt Nu=1 para una capa de fluido representa transferencia de calor a través de esta por una conducción pura.

Ejemplos de Convección

El fenómeno de convección se utiliza muy frecuentemente en la vida diaria, por ejemplo en la activación de un ventilador para facilitar la disipación de calor durante los días de verano; en la agitación de los alimentos o bebidas calientes, en los que a veces se sopla para acelerar el enfriamiento; en el radiador de los automóviles, en que se hace fluir agua a temperatura ambiente para, por proximidad, evitar el sobrecalentamiento del motor.