Convección forzada y natural combinadas

En termodinámica de fluidos , la convección mixta , o convección forzada combinada con convección natural , se produce cuando los mecanismos de convección natural y forzada actúan conjuntamente para transferir calor . Esto también se define como situaciones en las que interactúan tanto las fuerzas de presión como las de flotación . ^[¹^] La contribución de cada forma de convección a la transferencia de calor está determinada en gran medida por el flujo , la temperatura , la geometría y la orientación. La naturaleza del fluido también influye, ya que el número de Grashof aumenta en un fluido a medida que aumenta la temperatura, pero alcanza un valor máximo en un gas . ^[²^]

Caracterización

Los problemas de convección mixta se caracterizan por el número de Grashof (para la convección natural) y el número de Reynolds (para la convección forzada). El efecto relativo de la flotabilidad en la convección mixta se puede expresar mediante el número de Richardson :

\mathrm {Ri} ={\frac {\mathrm {Gr} }{\mathrm {Re} ^{2}}}

Las escalas de longitud respectivas para cada número adimensional deben elegirse en función del problema, por ejemplo, una longitud vertical para el número de Grashof y una escala horizontal para el número de Reynolds. Los números de Richardson pequeños caracterizan un flujo dominado por la convección forzada. Los números de Richardson superiores a $\mathrm {Ri} \aproximadamente 16$ indican que el problema del flujo es de convección natural pura y que la influencia de la convección forzada puede despreciarse. ^{[ 3 ]}

Al igual que en la convección natural, la naturaleza de un flujo de convección mixta depende en gran medida de la transferencia de calor (ya que la flotabilidad es uno de los mecanismos impulsores) y los efectos de la turbulencia desempeñan un papel importante. ^{[ 4 ]}

Casos

Debido a la amplia gama de variables , se han publicado cientos de artículos sobre experimentos que involucran diversos tipos de fluidos y geometrías. Esta variedad dificulta la obtención de una correlación integral, y cuando se logra, suele ser para casos muy limitados. ^{[ 2 ]} Sin embargo, la convección forzada y natural combinada puede describirse generalmente de tres maneras.

Convección mixta bidimensional con flujo auxiliar

El primer caso se da cuando la convección natural favorece la convección forzada. Esto se observa cuando el movimiento de flotabilidad se produce en la misma dirección que el movimiento forzado, acelerando así la capa límite y mejorando la transferencia de calor. ^{[ 5 ]} Sin embargo, la transición a la turbulencia puede retrasarse. ^{[ 6 ]} Un ejemplo de esto sería un ventilador que sopla hacia arriba sobre una placa caliente. Dado que el calor asciende de forma natural, el aire que se fuerza hacia arriba sobre la placa aumenta la transferencia de calor.

Convección mixta bidimensional con flujo opuesto

El segundo caso se da cuando la convección natural actúa en sentido contrario a la convección forzada. Consideremos un ventilador que impulsa aire hacia arriba sobre una placa fría. ^{[ 5 ]} En este caso, la fuerza de flotación del aire frío provoca que este caiga, pero el aire que se impulsa hacia arriba se opone a este movimiento natural. Dependiendo del número de Richardson, la capa límite en la placa fría presenta una velocidad menor que la del flujo libre, o incluso se acelera en sentido contrario. Por lo tanto, este segundo caso de convección mixta experimenta una fuerte cizalladura en la capa límite y transita rápidamente a un estado de flujo turbulento.

convección mixta tridimensional

El tercer caso se denomina convección mixta tridimensional. Este flujo se produce cuando el movimiento de flotación actúa perpendicularmente al movimiento forzado. Un ejemplo de este caso es una placa plana vertical caliente con un flujo horizontal, por ejemplo, la superficie de un receptor central solar térmico. Mientras que la corriente libre continúa su movimiento en la dirección impuesta, la capa límite en la placa se acelera hacia arriba. En este caso de flujo, la flotación juega un papel fundamental en la transición laminar-turbulenta, mientras que la velocidad impuesta puede suprimir la turbulencia (laminarización) ^{[ 4 ].}

Cálculo de la transferencia total de calor

Simplemente sumar o restar los coeficientes de transferencia de calor para la convección forzada y natural dará como resultado datos inexactos para la convección mixta. Además, como la influencia de la flotabilidad en la transferencia de calor a veces incluso supera la influencia de la corriente libre, la convección mixta no debe tratarse como convección forzada pura. En consecuencia, se requieren correlaciones específicas para cada problema. Los datos experimentales han sugerido que

\mathrm {Nu} =(\mathrm {Nu} _{\mathrm {forzado} }^{n}+\mathrm {Nu} _ {\mathrm {natural} }^{n})^{1/n}

puede describir la transferencia de calor promediada en el área. ^{[ 7 ]} Para el caso de una superficie vertical grande en un flujo horizontal $n=3.2$ proporcionó la mejor opción dependiendo de los detalles de cómo $\mathrm {Nu} _ {\mathrm {forzado} }$ está instalado. ^{[ 7 ]}

Aplicaciones

La convección forzada y natural combinadas se observan con frecuencia en dispositivos de muy alta potencia donde la convección forzada no es suficiente para disipar todo el calor necesario. En este caso, la combinación de convección natural y forzada suele proporcionar los resultados deseados. Ejemplos de estos procesos son la tecnología de reactores nucleares y algunos aspectos de la refrigeración electrónica. ^{[ 2 ]}

Referencias

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[Garbrecht-4] 1 2 Garbrecht, Oliver (23 de agosto de 2017). "Simulación de grandes remolinos de convección mixta tridimensional en una placa vertical" (PDF) . Universidad RWTH Aachen .

[Heat_Transfer-5] 1 2 Cengal, Yunus A.; Afshin J. Ghajar (2007). Transferencia de calor y masa (4 ed.). McGraw-Hill. págs. 548– 549. ISBN 978-0-07-339812-9.

[Abedin-6] Abedin, MZ; Tsuji, T.; Lee, J. (2012). "Efectos del flujo libre en las características de las capas límite impulsadas térmicamente a lo largo de una placa plana vertical calentada". International Journal of Heat and Fluid Flow . 36 : 92–100 . Bibcode : 2012IJHFF..36...92A . doi : 10.1016 /j.ijheatfluidflow.2012.03.003 .

[Siebers-7] 1 2 Siebers, DL (1983). Transferencia de calor por convección mixta experimental desde una gran superficie vertical en un flujo horizontal . Tesis doctoral, Universidad de Stanford. pp. 96–101 .

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