Número de Reynolds
El número de Reynolds (Re) es un parámetro adimensional cuyo valor indica si el flujo sigue un módelo láminar o turbulento.
El número de Reynolds depende de la velocidad del
fluido, del diámetro de tubería, o diámetro equivalente si la
conducción no es circular, y de la viscosidad cinemática o en su defecto
densidad y viscosidad dinámica.
El una tubería circular se considera:
• Re < 2300 El flujo sigue un comportamiento laminar.
• 2300 < Re < 4000 Zona de transición de laminar a turbulento.
• Re > 4000 El fluido es turbulento.
Diámetro equivalente
En las conducciones no circulares, se cálcula un
diámetro equivalente a partir del área de la sección de paso (A) y su
perímetro mojado (P). En las conducciones circulares, el diámetro
equivalente coincide con el diámetro de la propia tubería.
Ejemplo: Sección conducción rectangular
Dispositivos experimentales
El dispositivo experimental consta de un frasco de Mariotte de 27.4 cm de diámetro y 57.5 cm de altura, que desagua a través de un tubo horizontal de longitud L y diámetro D, que se inserta en un orificio situado en la parte inferior del frasco.
Regímenes de flujo en el intercambio térmico
Uno de los factores más importantes que rigen la transferencia térmica
es la resistencia al flujo térmico a través de las diferentes 'capas'
que forman la barrera entre los dos fluidos.
La fuerza motríz del intercambio térmico es la diferencia entre los
niveles de temperatura de los fluidos frío y caliente, cuanto mayor la
diferencia de temperatura, mayor será el ratio al que el calor fluirá
entre ellos y el diseñador debe optimizar los niveles de temperatura en
cada tramo del intercambiador para maximizar el ratio total de
transferencia de calor.
La resistencia a la transferencia de calor se forma por 5 'capas', a saber
La 'capa límite' interna, formada por el fluido moviéndose en contacto cercano con la superficie interna del tubo.
Las capas límite
Cuando un producto viscoso fluye en contacto con un tubo a una baja
velocidad lo hace de modo que no se produce ningún tipo de mezclado del
fluido, la capa límite, la parte del fluido en contacto con el tubo,
verá disminuida su velocidad ligeramente por una resistencia viscosa y
el calor fluirá hacia (o desde) la pared del tubo mediante conducción
y/o convección.
Conforme la velocidad del fluido se vea incrementada, se alcanzará un punto en el que el fluido empezará a formar turbulencias, punto en el que la capa límite se rompe y se separa de la pared del tubo, y el fluido se mezcla con la parte más interna del mismo, más alejada de la pared del tubo.
Conforme la velocidad del fluido se vea incrementada, se alcanzará un punto en el que el fluido empezará a formar turbulencias, punto en el que la capa límite se rompe y se separa de la pared del tubo, y el fluido se mezcla con la parte más interna del mismo, más alejada de la pared del tubo.
Flujo laminar
Mediante la experiencia se ha determinado que para números de Reynolds
de menos de 1200, se dan las condiciones en las que el flujo no se
separa de la pared del tubo, lo que se denomina 'flujo laminar'. Las
propiedades físicas del fluido son los factores determinantes para un
intercambiador de calor funcionando de este modo, lo cual es ineficiente
en términos de intercambio térmico.
La línea azul de la gráfica pertenece a una configuración de tubo liso,
mientras que la roja corresponde a un intercambiador de tubo corrugado
hard. Puede observarse que, independientemente de que los tubos estén
corrugados o no, al operar en un régimen de flujo laminar, la
corrugación no tiene ningún efecto positivo hasta que el número de
Reynolds sube por encima de 1000.
Flujo turbulento
Para números de Reynolds por encima de 2000 existen perturbaciones en el
flujo y esta condicón se describe como 'flujo turbulento', en el que la
capa límite se mezcla significativamente con el grueso del fluido. Este
es el modo más eficiente de trabajar para un intercambiador de calor.
Este gráfico muestra que la corrugación en régimenes turbulentos
proporciona una mejora significativa para números de Reynolds por encima
de 2000 cuando se compara con los tubos lisos equivalentes.
Se han intentado numerosas técnicas para reducir el valor del número de
Reynolds crítico (valor al que se empieza a producir el flujo
turbulento), pero la mayoría tienen la desventaja de que también
aumentan la resistencia del fluido a fluir, aumentando también la
pérdida de carga, a un ratio que crece más rápidamente de lo que decrece
la resistencia de la capa límite. Algunas no son utilizables cuando el
fluido presenta sólidos en suspensión, otras tampoco cuando el fluido es
muy viscoso.
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