Advección dentro de la hidráulica térmica

¿Qué es?

Al hablar de transferencia de cualquier propiedad física en general se consideran tres conceptos básicos de transporte: molecular, advectivo y convectivo. El concepto convectivo es considerado como una combinación de transporte molecular con el transporte advectivo.

Las definiciones concretas de cada uno serían:

Transporte molecular: Transferencia de una propiedad física debida al comportamiento de las moléculas en un sistema.

Transporte advectivo: Transferencia de una propiedad física atribuible únicamente al movimiento global de un fluido, que lleva consigo dicha propiedad.  El transporte advectivo es por lo tanto directamente proporcional a la velocidad del fluido.

Transporte convectivo: También requiere un fluido en movimiento pero involucra una interfase.  En la mayoría de los casos es una combinación del transporte molecular con el transporte advectivo. A diferencia del transporte advectivo, normalmente no es proporcional a la velocidad del fluido.

Vamos a exponer todos estos puntos de vista, centrándonos en la transferencia de calor o energía.

Un poco de historia

Históricamente se han considerado tres tipos básicos de transferencia de calor:

• Conducción: Es la transferencia de calor por comportamiento de las moléculas del sistema o su interacción directa – seria por tanto transporte molecular -. En una región a mayor temperatura, las moléculas vibran o se mueven con una mayor velocidad.  Al chocar o interactuar con las moléculas vecinas de menor temperatura, les transfieren parte de su energía.Debe por tanto existir contacto directo entre los dos medios que intercambian calor.

  Este tipo de transferencia se asocia generalmente con sólidos como los metales.

  Por ejemplo, en una barra metálica introducida en unas brasas. Los metales son muy conductores – su coeficiente de conductividad térmica es del orden de 50 W/mºK -, así que las moléculas del extremo caliente vibran más rápido, interactúan con las moléculas vecinas y les transfieren bastante parte de su energía cinética. También es posible una transferencia de calor por conducción en líquidos o gases, pero al tener bajos valores de conductividad térmica – aire 0,024 W/mºK,, agua 0,58 W/mºK – sus intercambios térmicos  se realizan básicamente por otros tipos de transferencia.

• Radiación: Es la transferencia de calor que se realiza a través de ondas electromagnéticas. Se podría catalogar como transporte molecular, al menos en su origen, ya que la energía es producida por los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivos y transportada por las ondas electromagnéticas o fotones.No existe contacto directo entre los dos medios y el intermedio o interfase no participa en las funciones de intercambio – en la mayoría de ocasiones es el aire, aunque también hay transferencia de calor a través del vacío -.

  El calor que recibe la Tierra desde el Sol, se transmite por radiación a través del espacio vacío.  El calor que se siente al estar frente a una fogata también  es por radiación.

• Convección: Es la transferencia de calor en la que un fluido en movimiento recibe o cede energía a otro, ya sea éste el receptor final o simplemente una interfase. Se presenta cuando una superficie a cierta temperatura está en contacto – molecular/conducción – con un fluido en movimiento a temperatura diferente – advección -. Es por tanto mezcla de ambos.Se pueden considerar dos grandes tipos en función del origen del movimiento del fluido:

  • Convección libre – también llamada natural -, en la que el movimiento del fluido se debe exclusivamente a las diferencias en la densidad del fluido por la variación de temperatura entre dos puntos.

  • Convección forzada en la que el movimiento del fluido se debe a algún factor externo.

  El calor se transfiere más rápidamente cuando hay convección forzada que cuando hay convección libre.

  El enfriamiento de una taza de café se trata de un proceso de transferencia de calor  por convección.  Es convección libre si no hay corrientes de viento, el aire alrededor y encima de la taza se calienta, disminuye su densidad y tiende a subir, llevándose consigo el calor que recibió de la taza.  Una vez que el café está a la misma temperatura que la habitación, deja de haber diferencia de densidades y el aire deja de moverse.  Por otro lado, si se le sopla a la taza, o se coloca un ventilador, el aire se mueve debido a ese agente externo, y se trata de convección forzada.

Advección

De todos estos conceptos básicos, sin duda el de advección es el menos conocido. Vamos a intentar familiarizarnos con él.

Advección:  Del latín advectiō, transporte, es un término muy empleado en meteorología y su definición más genérica indica que se trata de un desplazamiento de una masa que provoca transferencias de calor u otras propiedades entre distintas zonas. La transferencia de una propiedad es atribuible únicamente al movimiento global de un fluido. El transporte advectivo será pues directamente proporcional a la velocidad del fluido.Matemáticamente la advección sería el producto escalar del vector velocidad por el gradiente escalar, que se obtiene dividiendo la diferencia del valor de una magnitud en dos puntos distintos entre la distancia entre estos.

Para los ejemplos más esclarecedores debemos recurrir a la meteorología. Un iceberg arrastrado por una corriente marina, realizará un intercambio de calor por advección con la propia corriente marina que transporta de esa masa de hielo.

Llegado a este punto podríamos considerar la advección, como una parte de la transmisión de calor por convección, en la que la velocidad del fluido no se encuentra determinada por la temperatura y en el seno del mismo existe un transporte de masa, que es la que conlleva un intercambio de energía. Por tanto podría ser asimilable al término convección forzada.

Sin embargo, hay corrientes de opinión que consideran que la convección ya sea natural o forzada, está formada siempre por una parte de transferencia debida al movimiento molecular aleatorio o movimiento de Brown – llamada transferencia por difusión –  y la transferencia de energía por movimiento macroscópico o masivo del fluido –transferencia por advección-.

Otras transferencias de calor

La diferencia de los dos enfoques sobre la convección, la podemos ver en un ejemplo clásico que además ilustra sobre los demás tipos de transferencia de calor:

Tenemos un fuego sobre el que colocamos un recipiente con agua. La transferencia de energía del fuego a las paredes del recipiente se realiza básicamente por radiación. De la pared exterior del recipiente a través de sus paredes la transferencia es por conducción. Obviamente si agarramos con nuestras manos cualquier parte del recipiente, estaremos “sufriendo” una transferencia por conducción del mismo a nuestras manos.

Finalmente desde la pared interior del recipiente al agua que contiene el mismo se realiza una transferencia por…

Inicialmente no hay dudas, todos estamos de acuerdo, el proceso de transferencia es por conducción hasta que se alcanza un umbral de inestabilidad – ver convección de Bénard-Rayleigh y número de Rayleigh -.

Procesos de convección

Los procesos que siguen a continuación son los que provocan diferencias de puntos de vista.

Un enfoque sería decir que claramente hay una transferencia por una convección sin advección – la convección “tradicional” -, ya que es evidente que el movimiento del agua dentro del recipiente es debido a la diferente densidad del fluido en la parte inferior – más caliente y menos densa -, y la superior – más fría y de mayor densidad -. Puesto que la velocidad del fluido es función de la temperatura, no existe advección.  Si existiría una transferencia por advección según esta corriente de opinión, si instaláramos un agitador en el recipiente que hiciera circular el agua dentro del mismo. Al apagar el agitador, la transferencia -, es exclusivamente por convección “tradicional”.

Sin embargo, hay autores que defienden que dado que existe un movimiento masivo del fluido en el agua aún  sin agitador, existe advección. Este enfoque consideraría que después de alcanzar el umbral de inestabilidad, se produce una transferencia básicamente por advección cuando la diferencia de densidades ya produce un movimiento generalizado. Con el agitador en funcionamiento desde el inicio del proceso, también existiría advección en esta fase inicial.

No olvidemos de todas formas, que la diferencia de densidades está producida por una diferencia de temperatura.

Casos prácticos

Extrapolando estas consideraciones al campo de las instalaciones de transferencia de calor industriales, habitualmente con el empleo de fluidos de interfase – vapor, agua sobrecalentada, fluidos térmicos – entre la fuente principal de energía – caldera – y los puntos consumidores – intercambiadores, reactores, .. -, podemos concluir en que el intercambio térmico es en la mayoría de las ocasiones por advección – convección forzada -.

En efecto, el fluido primario – fluido que cede la energía -, debe ser vehiculado por medios mecánicos – bomba centrífuga en la mayoría de las ocasiones -, siendo por tanto la velocidad independiente de la temperatura. El fluido secundario – el que recibe la energía -, circulará en los intercambiadores gracias asimismo a una bomba de proceso, con independencia de la temperatura. Es en los reactores donde tendremos la diferencia importante entre los dos enfoques anteriormente citados

El tema es complejo y sin duda permite un debate extenso y reflexiones profundas.

Vapor

¿Qué ocurre con las instalaciones de vapor? La velocidad del vapor será función de la presión y la presión, de la temperatura. ¿Son por tanto las transferencias de calor en un intercambiador vapor/proceso de convección natural en el lado fluido primario y de advección en el lado fluido secundario?

Las conclusiones más claras a las que creemos se puede llegar desde un punto práctico, son: la transferencia de calor por convección ya sea natural o forzada es sin duda la de mayor relevancia en las instalaciones de proceso de la industria. La convección forzada puede considerarse como advección ya que la velocidad del fluido no depende de la temperatura y por tanto existe un transporte de masa que es independiente del intercambio térmico.