Análisis de la transferencia de calor conjugada en un flujo entre dos planos paralelos considerando efectos convectivos

Abstract

Se realiza el análisis de la transferencia de calor conjugada para un sistema en el cual existe el movimiento de un fluido viscoso entre dos planos paralelos de espesor finito. Primeramente se obtienen los comportamientos dinámico y térmico del sistema que se analiza, para ello se resuelven las ecuaciones de balance de momento y energía para el fluido y de balance de energía para las paredes. Esto permite obtener los campos de velocidad y temperatura del fluido y los campos de temperatura para las paredes, respectivamente. La ecuación de balance de momento se resuelve utilizando condiciones de frontera de no deslizamiento en las paredes y para el análisis de la transferencia de calor conjugada se utilizan condiciones de frontera de continuidad de temperatura y flujo de calor en las interfases pared-fluido y condiciones de frontera de tercer tipo en la superficie exterior de las paredes que están en contacto con el medio. Finalmente, se estudia el efecto que sobre la temperatura y la transferencia de calor interna del sistema tienen tanto parámetros geométricos como físicos del sistema. Concretamente se estudiará el efecto que tienen parámetros tales como espesor de las paredes, conductividades térmicas de las paredes, viscosidad del fluido y distancia de separación entre paredes. En tal sentido se podrán obtener los diferentes perfiles de temperatura y valores del coeficiente adimensional de transferencia de calor interna o Número de Nusselt para variaciones de estas magnitudes.

The influence of the geometric parameters, material properties and flow conditions on heat transfer for a viscous flow between infinite parallel walls of finite thickness is studied by solving the momentum and energy conservation equations. The conjugate heat transfer problem in the fluid and solid walls is solved analytically using thermal boundary conditions of the third kind at the outer surfaces of the walls and continuity of temperature and heat flux across the fluid-wall interfases, while the momentum equation is solved using non-slip boundary conditions. The temperature of the system and the internal heat transfer coefficient, namely the local Nusselt number, are explored for certain suitable combination of geometric parameters, material properties and flow conditions of the system. It was found that the temperature of the system decreases with both the thermal conductivity of the walls and the Biot numbers since the heat transfer to the surroundings is higher; however, when the thickness of the walls is high the temperature of the system increases since the thermal resistance of the walls is higher. Consequently, the heat transfer to the ambient is lower.