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Sin lugar a dudas que el mecanismo de transferencia de calor que tiene mayor importancia en la ventilación natural es la convección, por ello a continuación se desarrollan los fundamentos básicos de la convección.

La convección es el proceso en el cual la transmisión del calor está asociada al movimiento de materia. Esta se caracteriza por el movimiento de un fluido, mediante el cual se transporta calor asociado a un transporte de masa. Por lo tanto se habla de convección cuando al menos uno de los cuerpos involucrados en el intercambio calórico es un fluido.

En resumen, el intercambio de calor por convección se produce cuando un fluido a cierta temperatura barre una superficie con distinta temperatura, arrastrando una determinada cantidad de energía. Partiendo de la ley de enfriamiento de Newton es posible escribir este flujo de calor como:

qc = hc . A. ∆∆∆∆T

donde ∆∆∆∆T es la diferencia de temperaturas entre el fluido y la superficie, y A es el área de contacto

entre el fluido y la superficie, hc es el coeficiente convectivo, éste último no es una constante física sino un parámetro del fluido que depende de las condiciones a que se ve sometido.

Dicho coeficiente convectivo se determina generalmente en forma empírica, partiendo de su forma adimensional dada por el número de Nusselt Nu (Nu=hcD/k) donde D es una dimensión característica y k la conductividad térmica del fluido, con errores de hasta un 20%.

Se puede distinguir entre convección natural y forzada. La convección natural es provocada por la diferencia de densidad del fluido debida a la diferencia de temperaturas, mientras que la forzada es provocada por factores externos que imprimen movimiento al fluido, como por ejemplo bombas y ventiladores. El orden de magnitud del coeficiente convectivo varía mucho. Para convección natural de aire va de alrededor de 2 Wm2/K hasta 30 Wm2/K aproximadamente, y para convección forzada superando los 30 Wm2/K hasta alrededor de 300 Wm2/K.

En los sistemas fluidodinámicos pueden diferenciarse dos tipos de flujos, laminar y turbulento. Para velocidades suficientemente pequeñas, el movimiento se dice que es laminar y el fluido escurre paralelo a las paredes del sólido, sólo en este caso la distribución de velocidades

basada en promedios temporales puede dibujarse como una curva continua. Para el caso de velocidades altas el flujo se dice turbulento, en este caso la distribución de velocidades se basa en promedios temporales con fluctuaciones alrededor del valor promedio.

El tipo de flujo se determina principalmente por el valor de un parámetro adimensional, el número de Reynolds Re, que se define como el cociente entre las fuerzas inerciales, proporcionales a la energía cinético _ρw2 _{y las fuerzas viscosas de la}

forma _µw/D, donde ρ es la densidad del fluido, w su velocidad, _µ la viscosidad dinámica y D una dimensión característica del sistema. El número de Reynolds, puede escribirse de la siguiente manera:

Re = wDρρρρ/µ µ µ µ = wD/ν ν ν ν

donde

ν=µ/ρν=µ/ρν=µ/ρν=µ/ρ

es la viscosidad cinemática. Un flujo se dice laminar cuando el número de Reynolds Re es menor a 2100 y turbulento cuando Re es mayor a 6000, entre estos límites se dice que está en la zona de transición

La transmisión de calor por convección depende de la conductividad térmica del fluido k, del calor específico Cp, de la densidad _ρρρρ y de la viscosidad cinemática

νννν

. Otra magnitud fundamental es la difusividad térmica, que caracteriza la velocidad de variación de la temperatura en un medio, en condiciones no estacionarias, y se define:

αααα = k / Cp.ρρρρ

La forma del cuerpo sólido en contacto con el fluido y sus dimensiones influyen en el intercambio convectivo. La ley física que describe el fenómeno de convección puede escribirse como una función de los parámetros mencionados anteriormente, tomando una forma general:

hc= f(D, w, k, µµµµ, Cp, ρ ρ ρ ρ, β, β, β, β, g, ∆ ∆ ∆ ∆T) ó

g ( hc, D, w, k, µµµµ, Cp, ρ ρ ρ ρ, β, β, β, β, g, ∆ ∆ ∆ ∆T)=0 Pudiéndose hacer la siguiente distinción:

gn ( β β β β, hc, v, g, ∆∆∆∆T, D, k)=0

para convección natural;

gf (D, w, hc, µ, Cp, k)=0

para convección forzada; donde:

hc coeficiente convectivo (W/m² ºC).

ββββ coeficiente de expansión volumétrica (1/ K).

αααα difusividad térmica (m2/s).

w velocidad del fluido (m/s).

D una dimensión característica (m).

νννν viscosidad cinemática (1/s).

k conductividad térmica del fluido (W/mºC). Cp calor específico (J/kgºC).

ρρρρ densidad (kg/m3).

g aceleración de la gravedad (m/s²).

∆∆∆∆T diferencia de temperaturas (ºC). µ viscosidad dinámica (kg/m.s)

Debido a la gran cantidad de variables intervinientes, estas funciones no pueden ser definidas en forma clara, ya sea por vía exclusivamente analítica o solamente por vía experimental. Generalmente, para algunos casos geométricamente sencillos y para

reducir la complejidad ligada a la definición del coeficiente convectivo, este problema se resuelve recurriendo al análisis dimensional, de modo de establecer una forma general válida para sistemas similares, determinando experimentalmente los factores numéricos y exponentes para cada caso particular.

Este método se basa en el teorema de Buckingham, el cual afirma que una función de n magnitudes físicas, se puede expresar como función de m magnitudes fundamentales y de (n-m) parámetros adimensionales.También llamado Teorema , que demuestra además que cuando una cantidad adimensional está relacionada con una función de cantidades dimensionales, estas sólo pueden presentarse en forma de productos adimensionales. Más aún, cualquier relación con significado físico entre cantidades dimensionales puede transformarse a otra entre cantidades adimensionales sin perder su significado físico.

Si bien la elección de las magnitudes fundamentales que describen el fenómeno es relativamente arbitraria, dependiendo de las condiciones del fluido y de la geometría de cada sistema en particular, considerando un caso general las magnitudes fundamentales elegidas pueden ser básicamente cinco: la masa m, una dimensión característica D, el tiempo ττττ, la temperatura T y la cantidad de calor Q siempre que no se tenga conversión de calor en trabajo o viceversa. En este caso, las magnitudes derivadas, es decir aquellas indicadas en la definición de hc y enumeradas anteriormente son nueve. A continuación en la Tabla 4.15 se presentan las dimensiones de estas nueve magnitudes derivadas respecto de las nueve magnitudes fundamentales elegidas. Por lo tanto se tienen cuatro parámetros adimensionales para definir la ley física que describe al coeficiente convectivo:

hc = f(D, w, k, µµµµ, Cp, ρρρρ, β, β, β, β, g, ∆ ∆ ∆ ∆T).

In document Microbiological Control and Mechanisms of Action of High Voltage Atmospheric Cold Plasma (Page 90-96)