Se usan tuberías circulares generalmente para transportar
fluidos, porque hay menor fricción y por lo tanto menor caída de presión y
mayor transferencia de calor.
La velocidad del fluido en un tubo cambia de cero en la
superficie, debido a la condición de no deslizamiento, hasta un máximo en el
centro del mismo. En el flujo de fluidos, resulta conveniente trabajar con una
velocidad promedio, Vprom, la cual se mantiene constante en el flujo incompresible,
cuando el área de la sección transversal del tubo es constante.
Región de entrada
Capa límite de
velocidad: región del flujo en la cual se sienten
los efectos de las fuerzas cortantes viscosas causadas por la viscosidad del
fluido.
Región del flujo
irrotacional (central): los efectos de la
fricción son despreciables y la velocidad permanece esencialmente constante en
la dirección radial.
La región que existe desde la entrada del tubo hasta el punto en
donde la capa límite se une en la línea central se llama región de entrada
hidrodinámica, y la longitud de esta región se conoce como longitud de entrada
hidrodinámica, Lh.
NOTA: el espesor de la capa limite se incrementa en la dirección de
flujo hasta que esa capa llega al centro del flujo y como consecuencia, llena
éste por completo.
Región de entrada
térmica: La región del flujo sobre la cual se
desarrolla la capa límite térmica y alcanza el centro del tubo.
Longitud de entrada
térmica: la longitud de esta región.
Región térmica
completamente desarrollada térmicamente:
La zona que se encuentra más allá de la región de entrada térmica, en la que el
perfil de temperaturas adimensionales, expresado como (Ts – T)/(Ts – Tm),
permanece inalterado.
El coeficiente local de fricción fx (el cual
está relacionado con el esfuerzo cortante en la pared) y el coeficiente local
de convección hx permanecen constantes en las regiones completamente
desarrolladas hidrodinámica y térmicamente, respectivamente.
Note que el perfil de temperaturas en la región completamente
desarrollada térmicamente varía con x en la dirección del flujo. Es decir, a
diferencia del perfil de velocidades, el perfil de temperaturas puede ser
diferente en secciones transversales diferentes del tubo en la región desarrollada
y, por lo común, lo es.
El esfuerzo cortante en la pared y el coeficiente de transferencia
de calor son los más altos en la entrada del tubo, en donde el espesor de las
capas límite es el más pequeño, y decrecen en forma gradual hasta los valores
del flujo completamente desarrollado.
Longitudes de entrada
La longitud de entrada hidrodinámica suele tomarse como la
distancia desde la entrada al tubo hasta aquella sección transversal donde el
esfuerzo cortante en la pared (y, por consiguiente, el factor de fricción) se
aproxima al valor del flujo completamente desarrollado dentro de 2% de
diferencia.
Analisis termico
Las condiciones térmicas en la superficie por lo común se pueden
aproximar con razonable precisión como temperatura superficial constante (Ts=constante)
o flujo constante de calor en la superficie (qs=constante).
