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Transferencia de calor por convección (3): convección natural y convección forzada

2014-08-18

La transferencia de calor por convección suele ser notablemente más efectiva que la transferencia de calor por conducción pura. Ahora bien, esta eficacia depende del movimiento del fluido que sirve para transportar calor por convección. Solemos hacer distinción entre dos tipos de convección: la convección natural y la convección forzada.

Convección natural

La convección natural sucede en el seno de un fluido que originalmente se encuentra estático, pero que empieza a moverse como mera consecuencia de la aparición de diferencias de temperatura. Este movimiento se debe a cambios en las propiedades locales del fluido como función de la temperatura, cambios que modifican las fuerzas a las que está sometido. Puede suceder, por ejemplo, que el fluido se vuelva menos denso al aumentar la temperatura; cuando el calentamiento no es uniforme, la densidad tampoco lo es y se rompe el equilibrio bajo la acción gravitatoria, con lo que el fluido empieza a circular (se dice que el aire caliente asciende…).

La convección natural está limitada por las diferencias de temperaturas: el movimiento se hace más enérgico conforme crecen las diferencias térmicas. Esta fuerte dependencia puede limitar notablemente la utilidad de la ley del enfriamiento de Newton como modelo predictivo, puesto que la «constante» de proporcionalidad que va multiplicada con la diferencia de temperatura para dar la potencia calorífica transferida puede depender tan fuertemente de la propia diferencia de temperatura en sí que la división en dos factores puede ser algo inútil. Podemos dejar el problema en evidencia con una notación semiformal. Asumamos que tenemos un cuerpo en el seno de un fluido. Hay una ΔT entre una temperatura característica del cuerpo y una temperatura característica del fluido. La potencia transferida del fluido al cuerpo es

P ≡ −h(ΔT) ⋅ ΔT

de acuerdo con el modelo de la ley de Newton. Hemos dejado escrita de forma explícita la dependencia funcional que tiene la «constante» de proporcionalidad h con la diferencia de temperaturas. En cuanto esta dependencia es medianamente importante relativa al factor lineal, la forma de la ley de Newton deja de tener interés práctico.

Un ejemplo de la convección natural es lo que sucede en el interior de un cazo donde se cuece algo de comida. El agua caliente de la parte inferior del cazo, mientras que el agua relativamente más fría de la superfice desciende. Este movimiento circulante permite un calentamiento más eficaz que el que habría si no se produjera y hubiera que contar solamente con la conducción.

La convección natural solamente puede darse cuando hay algún campo de fuerza cuyo efecto se ve modificado de alguna manera como consecuencia de los cambios de temperatura. El caso habitual es el del campo gravitatorio, que atrae con más intensidad las partes del fluido más densas y con menos intensidad las menos densas; como la densidad varía con la temperatura, tenemos ahí un mecanismo desencadenante de la convección natural. La convección natural deja debida a la gravedad deja de ser efectiva en las condiciones de microgravedad de un cuerpo en caída libre; tal es el caso que se da en los experimentos realizados en órbita, por ejemplo.

Convección forzada

Si en vez de partir de un fluido estacionario que se agita por el mero efecto de las diferencias de temperatura, forzamos el movimiento relativo con otros medios (con un ventilador en marcha, por ejemplo), tenemos lo que se conoce como convección forzada. Si la velocidad relativa de partida es lo bastante grande, la que sería provocada por los cambios de temperatura se hace irrelevante. La «constante» de convección del modelo del enfriamiento de Newton se hace muy insensible a la temperatura. Además de esto, como la velocidad relativa puede ser muy grande, la eficacia de la convección forzada puede ser mucho mayor que la de la convección natural. Esto es algo que se tiene en cuenta, por ejemplo, al diseñar sistemas de refrigeración para dispositivos electrónicos: cuando la refrigeración es por convección natural —refrigeración pasiva—, la superficie necesaria para disipar el calor puede ser muchísimo mayor que la necesaria con un sistema de refrigeración por convección forzada —refrigeración activa—.

La refrigeración por convección forzada puede funcionar cuando la convección natural ni siquiera es una opción, bien por cuestiones geométricas (quizá sería necesario un disipador enorme), bien por cuestiones físicas (como sucede en las cargas de pago de la Estación Espacial Internacional, donde la convección natural no es una opción por el entorno de microgravedad).

Categorías: Física

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