formulario convección forzada - Dariel Isai Soria Cordova

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Transferencia de Calor 
Formulario Convección Forzada 
 
• Flujo laminar (𝑅𝑒 < 2100) 
• Flujo totalmente turbulento (𝑅𝑒 > 6000) y 
• La región de transición (2100 ≤ 𝑅𝑒 ≤ 6000). 
 
3.1 Coeficiente de transferencia de calor para el flujo laminar dentro de una 
tubería 
Modelo de Sieder y Tate para Re < 2 100 
 
 
 
 
 
 
Todas las propiedades físicas se determinan a la temperatura general del fluido, excepto 𝜇𝑤. El 
número de Reynolds es 
 
Modelo de Sieder y Tate para Re < 2 100 
 
 
 
 
Donde: 
• 𝑑 es diámetro de la tubería en metros, 
• 𝐿 es la longitud de tubería en metros antes de que se verifique el mezclado, 
• 𝜇𝑏 es viscosidad del fluido a la temperatura de volumen promedio en 𝑃𝑎 ∙ 𝑠 (ó 𝑘𝑔/𝑚𝑠), 
• 𝜇𝑤 es la viscosidad a la temperatura de la pared, 
• 𝑁𝑢 es número adimensional de Nusselt. 
Transferencia de Calor 
 
Otras ecuaciones: 
Hagen 
 
𝑁𝑢𝑑̅̅ ̅̅ ̅̅ = 4.36 para flujo laminar completamente desarrollado en tubos largos con flujo de calor 
uniforme, 𝑃𝑟⁡ > 0.6 
𝑁𝑢𝑑̅̅ ̅̅ ̅̅ = 3.36 para flujo laminar completamente desarrollado en tubos largos con temperatura de 
pared uniforme, 𝑃𝑟⁡ > 0.6 
 
3.2 Coeficiente de transferencia de calor para el flujo turbulento dentro de 
una tubería 
 
Flujo turbulento completamente desarrollado 
Dittus y Boelter ( Tubos Lisos) 
 
 
 
 
Válida para fluidos con números de Prandtl que varían de 0.6 a 100 y con diferencias moderadas 
de temperatura entre las condiciones de pared y fluido. 
 
 
 
 
 
 
 
Transferencia de Calor 
Flujo turbulento completamente desarrollado 
Tubos lisos 
Gnielinski 
 
 
 
 
 
 
 
Se pueden obtener mejores resultados para el flujo turbulento en tubos lisos 
 
 
Flujo turbulento completamente desarrollado 
 
Tubos lisos 
Sieder y Tate 
 
 
 
Todas las propiedades se evalúan en condiciones de temperatura promedio Tb, a excepción de 𝝁𝒘, 
que se evalúan a la temperatura de la pared. 
 
 
 
 
 
 
 
Transferencia de Calor 
 
Flujo turbulento NO completamente desarrollado 
Tubos lisos 
 
 
Flujo turbulento 
 
Pethukov 
 
 
Todas las propiedades se estiman a la temperatura 𝑇𝑓 
 
Con excepción de que 𝜇𝑤⁡𝑠𝑒⁡𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑎⁡𝑎⁡𝑇𝑊 y 𝜇𝑏 se estima a Tb promedio del fluido (entrada 
y salida) 
𝑻𝒃𝒑𝒓𝒐𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐 =
𝑻𝒃𝟏 + 𝑻𝒃𝟐
𝟐
 
 
 
 ∆𝑝 = 𝑓
𝐿
𝑑
𝜌
𝑢𝑚
2
2𝑔𝑐
 
 
±25% 𝑑𝑒 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 
Transferencia de Calor 
 
 
 
 
Para tubos lisos 
 
 
3.3 Coeficiente de transferencia de calor para el flujo de 
transición dentro de una tubería 
 
 
 
con Re = 2 100 a la ecuación con Re = 6 000. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Transferencia de Calor 
3.4 Coeficiente de transferencia de calor para conductos no 
circulares 
 
 
A es el área de sección transversal del flujo y P el perímetro húmedo 
 
3.8 Coeficiente de transferencia de calor de metales 
líquidos 
Flujo turbulento completamente desarrollado en tubos con un flujo de calor uniforme: 
 
 
𝐿/𝑑 > 60 
100 < 𝑃𝑒 < 104 
 
Número de Peclet 𝑃𝑒 = 𝑅𝑒𝑃𝑟 
Para temperaturas constantes de la pared: 
 
𝑁𝑢 =
ℎ𝑑
𝑘
= 5.0 + 0.025𝑃𝑒0.8 
 
𝐿/𝑑 > 60 
𝑃𝑒 > 100 
 
 
𝑁𝑢 =
ℎ𝑑
𝑘
= 0.625𝑃𝑒0.4 
Transferencia de Calor 
3.9 Variación del gradiente de temperatura y media 
logarítmica de la diferencia de temperatura 
 
Contracorriente 
 
 
 
Paralelo 
 
∆𝑇𝑙𝑚 =
(𝑇1 − 𝑡1) − (𝑇2 − 𝑡2)
ln (
𝑇1 − 𝑡1
𝑇2 − 𝑡2
)
 
 
3.10 Transferencia de calor por convección forzada en el 
exterior de diferentes geometrías 
 
 
Placa plana de longitud 𝐿 y el fluido, el valor de Nu es, para un 𝑅𝑒𝐿 inferior a 
3 × 105 en la región laminar y un 𝑃𝑟⁡ > 0.7: 
 
 
Para la región completamente turbulenta con 𝑅𝑒𝐿 superior 3 × 10
5 y 
𝑃𝑟 > 0.7: 
 
 
 
∆𝑇𝑙𝑚 =
(𝑇1 − 𝑡2) − (𝑇2 − 𝑡1)
𝑙𝑛 (
𝑇1 − 𝑡2
𝑇2 − 𝑡1
)
 
𝑁𝑢 = 𝐶𝑅𝑒𝑚𝑃𝑟1/3 
𝑁𝑢 = 0.664𝑅𝑒𝐿
0.5𝑃𝑟1/3 
𝑁𝑢 = 0.0366𝑅𝑒𝐿
0.8𝑃𝑟1/3 
Transferencia de Calor 
Cilindro con el eje perpendicular al flujo 
𝑁𝑢 = 𝐶𝑅𝑒𝑚𝑃𝑟1/3 
 
 
Flujo que pasa por una sola esfera 
 
𝑅𝑒 =
𝜌𝑑𝑢∞
𝜇
 entre 1 a 70 000 y Pr de 0.6 a 400: 
𝑁𝑢 = 2.0 + 0.60𝑅𝑒𝑑
0.5𝑃𝑟1/3 
Las propiedades del fluido se evalúan a la temperatura de película (Tf)