Antecedentes

ANTECEDENTES

1. Transferencia de calor.

La transferencia de calor es la energía que se transfiere de un

sistema a otro con menor temperatura, debido únicamente a la

diferencia de temperaturas. Ejemplos de transferencia de calor son:

nuestros cuerpos cuando transfieren calor a los alrededores, el

sistema de enfriamiento en el motor de un automóvil cuando

transfiere el calor de los cilindros al aire del ambiente mediante el

radiador, los hogares calurosos en verano y fríos en invierno,

etc.

En transferencia de calor los conceptos fundamentales son: el

tipo o índice de transferencia de calor y la distribución de

temperaturas.

La transferencia de calor es un fenómeno en superficies, es

decir, la transferencia de calor ocurre de o hacia una superficie.

Son dos los modos de transferencia de calor: difusión y radiación.

La difusión en una superficie requiere un medio material adyacente

a ella y el efecto en el cambio de temperatura se propaga

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 Antecedentes

lentamente comparado con la radiación. La conducción y

convección son dos mecanismos de transferencia de calor de la

difusión. La conducción se lleva a cabo a través de sólidos o fluidos

estacionarios, mientras que la convección se da entre una superficie

sólida y un fluido en movimiento. En contraste, la radiación se lleva

a cabo entre dos superficies cualquiera y no requiere de un medio

para transferir el calor.

TRANSFERENCIA DE CALOR
Requiere una diferencia de temperaturas

DIFUSIÓN RADIACIÓN
Requiere un medio material No requiere un medio material
para el transporte de energía para el transporte de energía

CONDUCCIÓN CONVECCIÓN
Sólidos y fluidos Fluidos en movimiento
estacionarios

Figura 1 Diagrama que muestra los mecanismos de

transferencia de calor.

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 Antecedentes

2. Convección.

La transferencia de calor por convección se presenta por la

energía transferida debido al movimiento aleatorio de las moléculas

y al movimiento de bulto o volumen del fluido. El flujo de calor de

o hacia la superficie sólida es proporcional a la diferencia de

temperaturas entre la superficie sólida y el fluido. El coeficiente de

proporcionalidad se conoce como coeficiente de convección y es

definido por la ecuación (ley Neutoniana de enfriamiento) :

q = h(Ts -T ) (1)
f

donde,

q : transferencia de calor por unidad de área [W/m2]

Ts : temperatura de la superficie sólida [°C]

Tf : temperatura del fluido [°C]

h : coeficiente de convección [W/m2°C]

Tf , h
q

Ts> Tf

Ts

Figura 2. Placa horizontal adyacente a un fluido.

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 Antecedentes

El coeficiente de convección no es una propiedad del fluido y

depende de varios factores, principalmente la velocidad del fluido,

el régimen de flujo, la geometría y las propiedades del fluido.

La transferencia de calor por convección es subdividida en

convección forzada y convección natural. En la transferencia de

calor por convección forzada, el movimiento del fluido es causado

por una agencia externa, como una bomba o ventilador; el

movimiento no depende en la diferencia de temperaturas de la

superficie sólida y el fluido. En la mayoría de los casos las

velocidades de los fluidos en convección forzada son mucho

mayores a los que se presentan en convección natural. En la

transferencia de calor por convección natural, el movimiento del

fluido es causado por la diferencia en densidades que originan las

fuerzas de flotación.

Tabla 1. Magnitud de coeficientes de transferencia de calor por

convección [W/m2°C] [6].

Convección natural

Gases 2-25

Líquidos 50-10,000

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 Antecedentes

Convección forzada

Gases 25-250

Líquidos 50-20,000

Convección por cambio de fase

2,500-100,000

Como se aprecia en la tabla, los coeficientes de convección en

convección forzada, son usualmente mucho mayores que los que se

presentan en convección natural debido a que la velocidad es uno

de los principales factores que afectan a dicho coeficiente.

3. Números adimensionales.

Número de Nusselt: (Nu)

Es el gradiente de temperatura adimensional en la superficie que

provee una mediada de la transferencia de calor convectiva en la

superficie.

h L
Nu = (2)
k

donde,

h : coeficiente de convección [W/m2°C]

L : longitud característica [m]

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 Antecedentes

k : coeficiente de conducción [W/m°C].

Número de Prandtl: (Pr)

Mide la efectividad relativa del transporte de momento y energía

por difusión en la capa frontera de velocidad y térmica. Relación de

la viscosidad y la difusividad térmica.

n
Pr = (3)
a

donde,

n : viscosidad cinemática [m2/s]

a : difusividad térmica [m2/s]

Número de Grashoft: (Gr)

Indica la relación de las fuerzas de flotación y viscosidad que actúan

en un fluido.

gbr 2 DTL3
Gr = (4)
n2

donde,
†
g : gravedad [m/s2]

b : coeficiente de expansión volumétrica termal [1/K].

r : densidad [Kg/m3]

n : viscosidad [m2/s]

DT : diferencia de temperatura [°C]

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Capítulo 2 Antecedentes

L : longitud de la placa [m]

Número de Rayleigh: (Ra)

Refleja la transición en la capa límite .

Ra = Gr Pr (5)

4. Interferometría.

“ La interferometría es una técnica por la cual deformaciones y

pequeños movimientos de los objetos del orden de la longitud de

onda de la luz (~0.5 micras) pueden detectarse a partir del análisis

de interferencias luminosas. Sin embargo, en la interferometría

clásica sólo es posible analizar superficies muy simples y pulidas lo

que limita mucho sus posibilidades”. La interferometría

holográfica es una técnica muy poderosa y no es destructiva.

Surge por la combinación de la interferometría y holografía; al

verse cuando al hacer un holograma el objeto se movía durante la

exposición, la imagen reconstruida estaba surcada por un conjunto

de líneas oscuras. Pronto se descubrió que la forma de estas líneas

estaba relacionada con el movimiento que había tenido lugar y que

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 Antecedentes

simplemente eran franjas de interferencia producidas al

reconstruirse simultáneamente dos imágenes ligeramente distintas

del objeto (aunque la diferencia entre ellas es tan pequeña que es

imperceptible para el ojo) con luz coherente. De esta forma se

pueden estudiar deformaciones en cualquier tipo de objetos y

comparar estados de un objeto que tienen lugar en tiempos

diferentes, lo que es imposible en la interferometría clásica. Otra

ventaja es que no es necesario utilizar lentes y espejos de gran

calidad óptica, como ocurre en la interferometría clásica. La

interferometría holográfica es la aplicación técnica más importante

de la holografía, ya que supone un método muy poderoso de

análisis no destructivo. Debemos considerar, sin embargo que esta

técnica es solamente útil cuando los desplazamientos estén

comprendidos entre 1 y 100 micras y muchas veces no será

aplicable precisamente por su elevada sensibilidad.

Tiempo real. En esta técnica se compara una imagen del objeto,

generalmente en un estado no deformado, con el propio objeto en el

que se van introduciendo diversos grados de deformación. Así, es

posible investigar la dinámica de un proceso al mismo tiempo que

se produce (tiempo real) y de forma continua. La principal

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 Antecedentes

dificultad reside en que una vez revelada la placa fotográfica debe

ser colocada exactamente en la misma posición que ocupaba

durante la exposición. Por ello, se han desarrollado dispositivos que

permiten revelar la placa y en la actualidad se utilizan otros medios

de registro que no necesitan revelado tales como los foto polímeros.

Este método es por ejemplo muy útil para estudiar corrientes de

convección. En este caso a lo largo de las líneas que aparecen en el

interferograma la temperatura es constante.

5. Capa límite térmica.

Es la región en donde los gradientes de temperatura están

presentes en el flujo; estos gradientes de temperatura serán el

resultado de un proceso de intercambio de calor entre el fluido y la

pared.

A la región en donde la temperatura de un fluido cambia, de

la temperatura en superficie de un sólido a la temperatura libre del

torrente se le conoce como capa límite térmica.

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 Antecedentes

6. ¿Qué longitud característica se debe tomar?

De los trabajos hechos sobre transferencia de calor, por

convección natural sobre una placa horizontal se observa que la

longitud característica, usada para obtener los coeficientes de

convección, fue tomada en distintas formas por varios autores.

Estas longitudes características que han sido tomadas carecen de un

significado físico. Fujii e Imura (1972) tomaron como unidad

característica el ancho de la placa, el cual sería la dimensión más

pequeña [3]. ¿Porqué utilizar la dimensión mas pequeña de la placa

como longitud característica? Por otro lado, McAdams (1954), Lloyd

y Mora (1974), y Goldstein et al. (1973) utilizaron como longitud

característica la relación del área de la superficie de la placa entre

su perímetro. ¿La relación de área y perímetro de la

placa? Un significado más físico es tomar el espesor de la capa

límite térmica como longitud característica.

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