Coeficiente convectivo en paredes de estructuras (edificaciones)

1.1.1 Transferencia de calor en una edificación:

Una parte importante en el cálculo de un sistema de acondicionamiento de aire para viviendas implica el cálculo de las cargas térmicas que fluyen por las paredes de las estructuras. Este proceso involucra distintos tipos de mecanismos de transferencia de calor, en el exterior, parte de la radiación solar incide directa o indirectamente a través de los rayos solares en las paredes, parte del flujo de viento que proviene del exterior chocara con la superficie de las edificaciones y en el interior, debido a la baja velocidad del aire, el proceso de transferencia de calor se da por la diferencia de densidades en el volumen de aire.

Ilustración 1. Transferencia de calor en un volumen de control.

  1.1.1.1 Obtención de los coeficientes convectivos:

En ambos casos, existe un coeficiente convectivo, tanto en la pared externa como en la pared interna, pero la convección se da en condiciones distintas.

  1.1.1.2 Coeficiente convectivo externo:

En el exterior, el proceso de convección se produce por el flujo de aire que choca con la superficie de la pared. La mayor parte de las investigaciones se basan en el estudio de la convección en láminas verticales sometidas a una corriente de aire, como lo exponen los trabajos de Chilton-Colburn. Resulta que existe una correlación que permite obtener el número de Nutselt para láminas en presencia de un proceso de convección forzada, la cual se indica en la expresión (1).

Los valores de a, b y c son coeficientes experimentales, los otros coeficientes son descritos a continuación:

El número de Nutsselt (Nu) esta basado en la transferencia de calor que ocurre a una distancia x de la lámina, de ahí el sufijo x.

El número de Reynolds y Prandtl son parámetros adimensionales que dependen de las características del proceso, la geometría del cuerpo, etc. Se obtienen con las expresiones (2) y (3).

Donde:

V: velocidad del fluido que choca con la superficie.

L: longitud de la superficie que está en contacto con la corriente de flujo.

ρ: densidad del fluido.

μ: Viscosidad dinámica del fluido.

Donde:

Cp: Es la capacidad calorifica

k: Conductividad térmica del material

μ: Viscosidad dinámica del fluido.

Sin embargo la correlación de Jurgen es plenamente usada para el diseño de un sistema de acondicionamiento de aire, el intenta relacionar el coeficiente convectivo con la velocidad del aire, debido a que el fluido es conocido. Esta correlación sigue siendo utilizada cuando existe corrientes de aire a baja velocidad (4)

Donde:

U_∞: Velocidad de la corriente de aire.