Conveccion libre y forzada.

1. Convección libre o natural.
En convección natural el flujo resulta solamente 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. En un campo gravitacional, dichas diferencias en densidad
causadas por las diferencias originan fuerzas de flotación. Por lo tanto, 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.
La fuerza hacia arriba ejercida por un fluido sobre un cuerpo sumergido completa o
parcialmente en él se llama fuerza de flotabilidad, o de empuje hidrostático, o de flotación.
La magnitud de esta fuerza es igual al peso del fluido desplazado por dicho cuerpo; es decir,
Fuerza de flotabilidad = ρ fluido g Vcuerpo.
En donde ρ fluido es la densidad promedio del fluido (no la del cuerpo),
g es la aceleración gravitacional y
V cuerpo es el volumen de la parte del cuerpo sumergida en el fluido (para cuerpos
sumergidos por completo en el fluido, es el volumen total del propio cuerpo).
A falta de otras fuerzas, la fuerza vertical neta que actúa sobre un cuerpo es la diferencia
entre su peso y la fuerza de flotabilidad; es decir,
Fuerza neta = W – Fuerza de flotabilidad
= ρ cuerpo g Vcuerpo - ρ fluido g Vcuerpo.
= (ρ cuerpo – ρ fluido) g Vcuerpo
Note que esta fuerza es proporcional a la diferencia entre las densidades del fluido y del
cuerpo sumergido en él. Por lo tanto, un cuerpo sumergido en un fluido experimentará una
“pérdida de peso” de magnitud igual al peso del fluido que desplaza. Esto se conoce como
principio de Arquímedes.
Muchas aplicaciones conocidas de la transferencia de calor comprenden la convección
natural como el mecanismo principal. Se tienen algunos ejemplos en el enfriamiento de
equipo electrónico como los transistores de potencia, las televisiones y las reproductoras
de DVD; la transferencia de calor desde los calentadores eléctricos o los radiadores de
vapor de agua; la transferencia de calor desde los serpentines de refrigeración y de las
líneas de transmisión de energía eléctrica, y la transferencia de calor desde los cuerpos de
los animales y los seres humanos. La convección natural en los gases suele estar
acompañada por radiación de magnitud similar, excepto para las superficies de baja
emisividad.

2. Convección forzada.
Convección Forzada: el movimiento del fluido es generado por fuerzas impulsoras externas.
Por ejemplo: aplicación de gradientes de presión con una bomba, un soplador, 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.
Los datos experimentales para la transferencia de calor a menudo se representan de
manera conveniente con precisión razonable mediante una simple relación de la ley de las
potencias de la forma:
Donde m y n son exponentes constantes y el valor de la constante C depende de la
configuración geométrica y del flujo.
La temperatura del fluido en la capa límite térmica varía desde Ts, en la superficie, hasta
alrededor de T∞, en el borde exterior de esa capa. Las propiedades del fluido también
varían con la temperatura y, por consiguiente, con la posición a lo largo de la capa límite.
Para tomar en consideración la variación de las propiedades con la temperatura, las
propiedades del fluido suelen evaluarse a la llamada temperatura de película, definida
como:

3. La cual es el promedio aritmético de las temperaturas de la superficie y del flujo libre. De
esta forma, se supone que las propiedades del fluido se mantienen constantes en esos
valores a lo largo de todo el flujo. Una manera alternativa de considerar la variación de las
propiedades con la temperatura es evaluar todas esas propiedades a la temperatura del
flujo libre y multiplicar el número de Nusselt obtenido de la ecuación por (Pr∞/Prs)r o
(μ∞/μs)r, donde r es una constante determinada en forma experimental.
Caída de presión.
Otra cantidad de interés asociada con los bancos de tubos es la caída de presión,
ΔP, la cual es la diferencia entre las presiones en la admisión y a la salida del banco. Es
una medida de la resistencia que los tubos ofrecen al flujo sobre ellos y se expresa como:
Donde f es el factor de fricción y χ es el factor de corrección, las gráficas de ambos se dan
en la figura 7-27a) y b), contra el número de Reynolds, con base en la velocidad máxima
Vmáx. El factor de fricción de la figura 7-27a) es para un banco cuadrado de tubos alineados
(ST = SL) y el factor de corrección dado en el inserto se usa para tomar en cuenta los
efectos de la desviación de las configuraciones rectangulares alineadas con respecto a la
configuración cuadrada. De manera análoga, el factor de fricción de la figura 7-27b) es para
un banco equilátero de tubos escalonados (ST = SD) y el factor de correcciónes para tomar
en cuenta los efectos de la desviación con respecto a la configuración equilátera.
Nótese que χ = 1 tanto para la disposición cuadrada como para la de triángulo equilátero.
Asimismo, la caída de presión se presenta en la dirección del flujo y, como consecuencia,
en la relación de ΔP se usa NL (el número de filas).

4. REFERENCIAS:
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lim/lopez_s_ja/capitulo3.pdf
Transferencia de calor y masa. 4ta.
Ed. Yunus çengel.