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TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA
Universidad de GuadalajaraCiclo 2015-A
Conveccin-Mecnica de fluidos
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La transferencia de calor porconveccin es complicada por el
hechode que comprende movimiento delfluido as como conduccin del
calor.
Mecanismo de transferencia de calor atravs de un fluido, en
presencia deun movimiento masivo de ste.
Conveccin
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La transferencia de calor por conveccin est ntimamenteligada a
la mecnica de fluidos, que es la ciencia que trata
delcomportamiento de los fluidos en reposo o en movimiento yde su
interaccin con slidos o con otros fluidos en lasfronteras.
La experiencia muestra que la transferencia de calor
porconveccin depende con intensidad de las propiedadesviscosidad
dinmica, conductividad trmica, densidad y delcalor especfico del
fluido, as como de la velocidad del fluido.
Tambin depende de la configuracin geomtrica y asperezade la
superficie slida, adems del tipo de flujo del fluido (elque sea
laminar o turbulento).
Conveccin Mecnica de Fluidos
Imagen tomada de: 1)
http://hendrix2.uoregon.edu/~imamura/102/section3/chapter15.html4
Mecnica, ciencia fsica que trata de loscuerpos en reposo as como
de aquellosen movimiento bajo la influencia defuerzas.
EstticaDinmica
Mecnica de fluidos, estudia elcomportamiento de los fluidos yla
interaccin de stos con slidos ycon otros fluidos.
HidrulicaAerodinmicaDinmica de gases
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1)
Los fluidos
Imagen tomada de: 1)
http://blogs.tn.com.ar/desmitificador/2012/05/25/el_milagro_de_la_sangre_de_san_jenaro/
2)
http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/labdemfi/fluidos/html/fluidos.html
3) http://www.arqhys.com/arquitectura/tuberias-para-industrias.html
4) http://cienciadesofa.com/category/matematicas
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2)
4)
3)
Imagen tomada de: 1)
http://www.sciencelearn.org.nz/Science-Stories/Strange-Liquids/Sci-Media/Images/Three-states-of-matter
2) Mecnica de fluidos. Fundamentos y aplicaciones. Yunnus Cengel,
John Cimbala.
1)
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Qu es un fluido?
Diferencia entre un slido yun fluido se hace con base enla
capacidad de la sustanciapara oponer resistencia a unesfuerzo
cortante.2)
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reas de aplicacin1)
Imagen tomada de: 1)
http://ongecuador.blogspot.mx/2013/05/reflexion-en-torno-algunas-herramientas.htm
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reas de aplicacin
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reas de aplicacin
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Condicin de no deslizamiento
La propiedad responsable es la viscosidad.
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Regiones viscosas regiones no viscosas
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Flujo interno flujo externo
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LIMITADO POR SUPERFICIES SLIDAS
NO LIMITADO POR UNA SUPERFICIE
Flujo compresible flujo incompresible
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Depende del nivel de variacin de la densidad del fluidodurante
ese flujo.
Flujo laminar flujo turbulento
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Laminar = flujo suave y ordenado (bajas velocidades)
Turbulento = flujo catico y ordenado (altas velocidades)
Flujo natural flujo forzado
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Dependiendo de cmo se inicia el movimiento delfluido:
NaturalEfecto de flotacin: elevacin delfluido caliente y cada
del fluido msfro.
ForzadoEl fluido se obliga a fluir por mediosexternos.
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Flujo estacionario flujo no estacionario
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Estacionario, no hay cambio en un punto con el tiempo.
Las propiedades del fluidopueden cambiar de puntoa punto dentro
de unequipo, pero en cualquierpunto fijo permanecenconstantes.
Flujo unidimensional, bidimensional, tridimensional
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Un campo de flujo se caracteriza de la mejor manera por la
distribucinde velocidades y, de este modo, se dice que un flujo es
unidimensional,bidimensional o tridimensional si la velocidad del
mismo vara en una,dos o tres direcciones de coordenadas espaciales,
respectivamente.
Capa lmite de velocidad
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Coeficiente de friccin (Cf )
Capa lmite de velocidad: Se produce siempre que hay un flujo
defluido sobre una superficie.
viscosidad dinmica(N s /m^2 , kg/ m s, Pa s, poise)
Fluido Newtoniano
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NO-FLUIDO NEWTONIANO
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Capa lmite trmica
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La regin del flujo sobre la
superficie en la cual la variacin de
la temperatura en la direccin
normal a la superficie es
significativa es la capa lmite
trmica.
En el flujo sobre una superficie calentada (o enfriada), tanto
la capa lmite de lavelocidad como la trmica se desarrollan en forma
simultnea.
Dado que la velocidad del fluido tendr una fuerte influencia
sobre el perfil detemperaturas, el desarrollo de la capa lmite de
la velocidad en relacin con latrmica tendr un fuerte efecto sobre
la transferencia de calor por conveccin.
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Conveccin
El coeficiente de transferencia decalor por conveccin h se
puededefinir como la razn de la transferenciade calor entre una
superficie slida y unfluido por unidad de rea superficial porunidad
de diferencia en la temperatura.
Una implicacin de la condicin de no deslizamiento es que la
transferencia decalor de la superficie del slido hacia la capa de
fluido adyacente a esa superficiese da por conduccin pura, ya que
la capa de fluido est inmvil, y se puedeexpresar como:
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Coeficiente convectivo local y global
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Flujo Laminar y Turbulento
Re transicin, 10^5 a 3x10^6
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Ecuacin de conservacin de masa
El fluido fluye sobre la superficie con una velocidad uniforme
de la corriente libre V,pero la velocidad dentro de la capa lmite
es bidimensional: la componente x de lavelocidad es u y la
componente y es v.
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Ecuacin de conservacin de masa
Aceleracin de un objeto es directamente proporcional a la
fuerzaneta que acta sobre l, e inversamente proporcional a su
masa.
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Aproximaciones de capa lmite
La componente de la velocidad en la direccin del flujo es mucho
mayor que la
que se encuentra en la direccin perpendicular.
u vara mucho con y en la direccin perpendicular, en tanto que la
variacin de
u con x, a lo largo del flujo, por lo comn es pequea.
Si el fluido y la pared estn a temperaturas diferentes y aqul se
calienta o se
enfra durante el flujo, se tendr conduccin de calor
principalmente en la
direccin perpendicular a la superficie.
Los gradientes de velocidad y de temperatura perpendiculares a
la superficie
son mucho mayores que aquellos a lo largo de esta ltima
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Ecuacin de la conservacin de energa
Edo. Estacionario
Energa neta transferida por conveccinpor el fluido hacia afuera
del volumen decontrol es igual a la energa netatransferida hacia
este volumen por laconduccin de calor.
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Ecuacin de la conservacin de energa
La disipacin viscosa puede desempear un papel dominante en los
flujos aalta velocidad, en especial cuando la viscosidad del fluido
es elevada (comoel flujo del aceite en las chumaceras).Esto se
manifiesta como una elevacin significativa en la temperatura
delfluido debida a la conversin de la energa cintica de este ltimo
en energatrmica. La disipacin viscosa tambin es significativa para
los vuelos a altavelocidad de los aviones.
Funcin de disipacin viscosa
