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.
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).
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