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Ejemplos de Convección

La Convección es el mecanismo de transferencia de Calor en que la energía cinética se va transportando de un punto a otro gracias al movimiento de un fluido.

Dependiendo del movimiento del fluido, puede tratarse de Convección Natural, que es producida solo por las diferencias de densidades de la materia; ó Convección Forzada, en que la materia es obligada a moverse de un lugar a otro, por ejemplo el aire convertido en viento con un ventilador o el agua convertida en una fuerte corriente mediante una bomba centrifuga.

La convección sólo se produce en líquidos y gases donde los átomos y moléculas son libres de moverse en el medio. En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmósfera por Conducción y Radiación cerca de la superficie, es transportado a otras capas de la atmósfera por Convección.

Modelo Matemático de la Convección

Un modelo de transferencia de calor por Convección H, llamado Ley de Enfriamiento de Newton, es:

H = h*A*(TA – T) 

Donde “h” es el Coeficiente de Convección, en W/(m2K), A es la superficie que entrega calor con una temperatura TA al fluido adyacente, que se encuentra a la Temperatura T.

Si el fluido gana calor desde la superficie, el flujo de calor por convección es positivo (H > 0). Esto pasaría en el caso en que la Temperatura de la Superficie TA fuera mayor que la del fluido (TA > T).

Si el fluido pierde calor hacia la superficie, el flujo de calor por Convección es negativo (H < 0). Esto pasaría en el caso en que la Temperatura de la Superficie TA fuera menor que la del fluido (TA < T).

El valor del Coeficiente de Convección h varía dependiendo del tipo de fluido y del tipo de convección.

El aire es el fluido que transporta el calor por convección desde el punto calorífico hacia el ambiente

Coeficiente de Convección

Cuando hay Convección Natural, habrá para los Gases coeficientes de convección con valores entre h = 2 W/(m2K) y h = 25 W/(m2K).

Cuando hay Convección Natural, habrá para los Líquidos coeficientes de convección con valores entre h = 50 W/(m2K) y h = 1000 W/(m2K).

Cuando hay Convección Forzada, habrá para los Gases coeficientes de convección con valores entre h = 25 W/(m2K) y h = 250 W/(m2K).  

Cuando hay Convección Forzada, habrá para los Líquidos coeficientes de convección con valores entre h = 50 W/(m2K) y h = 20000 W/(m2K).

Características de la Convección

El fluido que está en contacto con la superficie del sólido puede estar en movimiento laminar o en movimiento turbulento, y éste movimiento puede ser causado por fuerzas externas, es decir, ser convección forzada; o por gradientes de densidad inducidos por las diferencias de temperatura, y será convección natural. Además, puede estar cambiando de fase (ebullición o condensación).

La Convección es, por concepto, energía transferida de una superficie sólida a un fluido en movimiento. La Convección es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masa o circulación dentro de la sustancia, es una combinación de transferencia de energía por movimiento molecular aleatorio (conducción) y movimiento volumétrico del fluido (advección).

En un horno de convección, el aire es el fluido que circula para transportar el calor

Ejemplos de Convección

1.- El vidrio de una ventana se encuentra a 10°C y su área es 1.2m2. Si la temperatura del aire exterior es 0°C, calcular la energía que se pierde por convección cada segundo. Considerar que el coeficiente es h = 4 W/(m2K).

Los datos son:

TA = 10°C = 283 K

T = 0°C = 273 K

A = 1.2 m2

Usando la ley de enfriamiento de Newton:

H = h*A*(TA – T)

H = [4 W/(m2K)]*(1.2 m2)*(283 K – 273 K)

H = 48 W = 48 J/s

2.- El vidrio de una ventana se encuentra a 20°C y su área es 1.5m2. Si la temperatura del aire exterior es 14°C, calcular la energía que se pierde por convección cada segundo. Considerar que el coeficiente es h = 4.2 W/(m2K).

Los datos son:

TA = 20°C = 293 K

T = 14°C = 287 K

A = 1.5 m2

Usando la ley de enfriamiento de Newton:

H = h*A*(TA – T)

H = [4.2 W/(m2K)]*(1.5 m2)*(293 K – 287 K)

H = 37.8 W = 37.8 J/s

3.- El vidrio de una ventana se encuentra a 40°C y su área es 2.0 m2. Si la temperatura del aire exterior es 10°C, calcular la energía que se pierde por convección cada segundo. Considerar que el coeficiente es h = 5 W/(m2K).

Los datos son:

TA = 40°C = 313 K

T = 10°C = 283 K

A = 2.0 m2

Usando la ley de enfriamiento de Newton:

H = h*A*(TA – T)

H = [5 W/(m2K)]*(2.0 m2)*(313 K – 283 K)

H = 300 W = 300 J/s

4.- El vidrio de una ventana se encuentra a 60°C y su área es 1.9 m2. Si la temperatura del aire exterior es 45°C, calcular la energía que se pierde por convección cada segundo. Considerar que el coeficiente es h = 2 W/(m2K).

Los datos son:

TA = 60°C = 333 K

T = 45°C = 318 K

A = 1.9 m2

Usando la ley de enfriamiento de Newton:

H = h*A*(TA – T)

H = [2 W/(m2K)]*(1.9 m2)*(333 K – 318 K)

H = 57 W = 57 J/s

5.- El vidrio de una ventana se encuentra a 80°C y su área es 1.55m2. Si la temperatura del aire exterior es 40°C, calcular la energía que se pierde por convección cada segundo. Considerar que el coeficiente es h = 3 W/(m2K).

Los datos son:

TA = 80°C = 353 K

T = 40°C = 313 K

A = 1.55 m2

Usando la ley de enfriamiento de Newton:

H = h*A*(TA – T)

H = [3 W/(m2K)]*(1.55 m2)*(353 K – 313 K)

H = 186 W = 186 J/s

6.- El vidrio de una ventana se encuentra a 35°C y su área es 1.8m2. Si la temperatura del aire exterior es 20°C, calcular la energía que se pierde por convección cada segundo. Considerar que el coeficiente es h = 5.4 W/(m2K).

Los datos son:

TA = 35°C = 308 K

T = 20°C = 293 K

A = 1.8 m2

Usando la ley de enfriamiento de Newton:

H = h*A*(TA – T)

H = [5.4 W/(m2K)]*(1.8 m2)*(308 K – 293 K)

H = 145.8 W = 145.8 J/s

7.- El vidrio de una ventana se encuentra a 65°C y su área es 2.3m2. Si la temperatura del aire exterior es 15°C, calcular la energía que se pierde por convección cada segundo. Considerar que el coeficiente es h = 4.8 W/(m2K).

Los datos son:

TA = 65°C = 338 K

T = 15°C = 288 K

A = 2.3 m2

Usando la ley de enfriamiento de Newton:

H = h*A*(TA – T)

H = [4.8 W/(m2K)]*(2.3 m2)*(338 K – 288 K)

H = 552 W = 552 J/s

8.- El vidrio de una ventana se encuentra a 75°C y su área es 0.80 m2. Si la temperatura del aire exterior es 30°C, calcular la energía que se pierde por convección cada segundo. Considerar que el coeficiente es h = 4.3 W/(m2K).

Los datos son:

TA = 75°C = 348 K

T = 30°C = 303 K

A = 0.80 m2

Usando la ley de enfriamiento de Newton:

H = h*A*(TA – T)

H = [4.3 W/(m2K)]*(0.80 m2)*(348 K – 303 K)

H = 154.8 W = 154.8 J/s

9.- El vidrio de una ventana se encuentra a 25°C y su área es 0.60 m2. Si la temperatura del aire exterior es 0°C, calcular la energía que se pierde por convección cada segundo. Considerar que el coeficiente es h = 3.9 W/(m2K).

Los datos son:

TA = 25°C = 298 K

T = 0°C = 273 K

A = 0.60 m2

Usando la ley de enfriamiento de Newton:

H = h*A*(TA – T)

H = [3.9 W/(m2K)]*(0.60 m2)*(298 K – 273 K)

H = 58.5 W = 58.5 J/s

10.- El vidrio de una ventana se encuentra a 10°C y su área es 1.3m2. Si la temperatura del aire exterior es -10°C, calcular la energía que se pierde por convección cada segundo. Considerar que el coeficiente es h = 4.7 W/(m2K).

Los datos son:

TA = 10°C = 283 K

T = -10°C = 263 K

A = 1.3 m2

Usando la ley de enfriamiento de Newton:

H = h*A*(TA – T)

H = [4.7 W/(m2K)]*(1.3 m2)*(283 K – 263 K)

H = 122.20 W = 122.20 J/s

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Por : Morris

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