Capítulo 13
CALCULO DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Cuando existe flujo turbulento o la geometría del sistema es complicada, no es posible obtener ecuaciones teóricas para calcular el coeficiente de transferencia de calor, como la obtenida para la placa plana (Ec.12.6). El coeficiente de transferencia es calculado entonces mediante ecuaciones obtenidas experimentalmente. Si las variables que afectan el fenómeno son conocidas, pueden ser arregladas en grupos adimensionales con los cuales se puede formar ecuaciones tal y como se ilustró en el Cap.4. El trabajo experimental permite entonces calcular las constantes en la ecuación. En algunos casos de flujo laminar se dispone de ecuaciones teóricas obtenidas con base en modelos simplificados. El transporte de calor por convección puede estar o no acompañado de cambio de fase. La convección puede ser forzada o natural. En el primer caso el movimiento es producido por un agente externo mientras que en el segundo son las variaciones de densidad debidas a la misma transferencia de calor las que producen la convección. En cada caso la forma de las ecuaciones será diferente. Existen en la literatura innumerables correlaciones para múltiples casos, de las cuales se verán algunas importantes. El objeto del presente capítulo es familiarizar al estudiante con su uso en la solución de problemas, dejándole la tarea de indagar sobre otras. Siempre es necesario definir la temperatura a que deben evaluarse las propiedades que aparecen en una ecuación. Igualmente necesaria es la definición de parámetros arbitrarios en la misma, como la longitud característica o la velocidad. Es necesario conocer las condiciones en que fueron obtenidas las correlaciones, es decir, el intervalo de valores de las variables en el cual las ecuaciones son aplicables, sin ser recomendable su extrapolación. Normalmente se especifican dichas condiciones y también las sustancias con las que se realizó la experimentación. Esta última información no es estrictamente necesaria supuesto que las ecuaciones serán empleadas en condiciones similares a las de su obtención, lo cual valida su uso. Es conveniente conocer la precisión esperada de una correlación; este dato no siempre está disponible. Por último debe tomarse en consideración que las correlaciones para tubos son, a menos que otra cosa sea especificada, para perfiles perfectamente desarrollados de velocidad y de temperatura. Variación de las propiedades La temperatura hace variar la viscosidad de los fluidos. En los gases hace variar adicionalmente en forma significativa la densidad y la conductividad. La variación de la viscosidad influye en el perfil de velocidad, de manera que es necesario especificar en cada caso la temperatura a la que se tomarán las propiedades. Así por ejemplo, en el caso de convección forzada de fluidos dentro de tubos se usa normalmente la temperatura media adiabática o de mezcla o simplemente temperatura del fluido (T) que es la misma empleada en el balance de entalpía. Es la temperatura que resulta de extraer el líquido contenido en una rebanada de tubo y mezclarlo. La