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guia laboratorio de operaciones con transferencia de calor universidad de antioquiaTRANSCRIPT
UNIVERSIDAD DE ANTIOQUÍAFACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICAGUÍA DE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS
TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN
1. OBJETIVOS
General
Estudiar los fenómenos de transferencia de calor por convección libre y forzada, sus características y diferencias, empleando diferentes unidades de calentamiento.
Específicos
Verificar el aumento o disminución en la transferencia de calor con el uso de las diferentes superficies.
Determinar los coeficientes de convección libre y forzada para las unidades de calentamiento usadas, a través de los datos obtenidos experimentalmente.
Evaluar las características de operación de superficies extendidas.
2. MARCO TEÓRICO
Redactar
3. EQUIPOS Y MATERIALES
EQUIPOS
Equipo de transferencia de calor por convección Consola eléctrica de alimentación.
MATERIALES
Anemómetro Termocupla tipo K Pie de rey Guantes de cuero
El equipo de transferencia de calor por convección consta de un tubo vertical rectangular por el cual se hace circular aire, como se muestra en la figura 1, una consola eléctrica con la cual podemos controlar algunos parámetros, como se ve en la figura 2 y tres módulos metálicos, con o sin extensiones como se muestra en las figuras 3, 4 y 5; que pueden ser instalados en el punto 4 que se muestra en la figura 1.
La toma de datos de temperaturas puede realizarse a través de los agujeros en los puntos 1, 2 y 3 como se muestra en la figura 1.
En la consola tenemos el switch de alimentación de los módulos, el controlador de revoluciones del ventilador, el controlador de potencia aplicada a los módulos; de la cual podemos realizar un seguimiento en la pantalla digital y tenemos otra pantalla digital con la cual podemos realizar un seguimiento de la temperatura alcanzada por cada módulo como se puede ver en la figura 2.
Figura 2. Equipo de transferencia de calor por convección.
Figura 3. Consola eléctrica del módulo de convección.
Figura 4. Modulo de superficie plana Figura 5. Modulo de aletas cilindricas
Figura 6. Modulo de aletas de placas.
Con el anemómetro se realizará la toma de datos de la velocidad del fluido a la entrada y a la salida del ducto rectangular.
Tabla 1. Dimensiones del ductoParámetro ValorLado pequeño base (m) 0.073Lado largo base (m) 0.123Área base m2 0.008979
4. PROCEDIMIENTO
Precaución
Nunca operar el equipo a la máxima potencia:
Convección Libre: 20W.
Convección Forzada: 45W.
Para convección forzada trabajar el ventilador de la posición 2 en adelante.
Convección Libre:
1. Medir las dimensiones de la placa plana, (registrar datos en tabla 2) 2. Colocar la unidad de calentamiento de placa plana.3. Conectar el cable de energía al equipo.4. Energizar el equipo encendiendo ON.5. Con el regulador de potencia ajustar en 60W.6. Esperar a que la temperatura de la placa de calentamiento suba a 60ºC y
bajar la potencia a 16W hasta que se estabilice la temperatura de calentamiento.
7. Fijar la velocidad del aire con el regulador del ventilador, de manera que el valor marcado por el anemómetro sea de la menor magnitud posible pero mayor que cero y menor que 0,15, con el fin de desarrollar una convección libre.
8. Medir la temperatura de la superficie (consola) 9. Medir la temperatura del aire a la entrada y a la salida del calentador con la
termocupla. La salida se mide en el orificio del centro. 10.Medir las dimensiones de la placa con superficie extendida cilíndrica 11.Registrar los datos en las tablas correspondientes12.Cambiar la unidad de placa plana por la unidad de superficies extendidas
cilíndricas, esperar que se estabilice el sistema y repetir el paso 8 y 9.
Convección forzada:
13.Regular la posición del ventilador en tres14.Esperar que se estabilice la temperatura15.Medir la temperatura de la superficie (consola) y de las aletas16.Medir la temperatura del aire a la entrada y a la salida del calentador con la
termocupla. La salida se mide en el orificio del centro.17.Regular la posición del ventilador en cuatro18.Repetir paso 12, 13 y 1419.Regular la posición del ventilador en cinco20.Repetir paso 12, 13 y 1421.Cambiar la unidad de superficies extendidas cilíndricas por la unidad de
placa plana y repita los pasos anteriores (12-18)
5. DATOS
Tabla 2. Dimensiones placa plana
Parámetro ValorLongitudAnchoÁrea
Tabla 3 Dimensiones unidad de superficies extendidas cilíndricas
Tabla 4. Convección libre (placa plana)
T entrada de aire (ºC)
T superficie (ºC)
T salida de aire (ºC)
Vel. aire entrada (m/s)
Vel. aire salida (m/s)
Parámetro ValorLongitudDiámetroÁreaNº de unidades
Tabla 5. Convección libre (unidad de superficies extendidas)
T entrada de aire (ºC)
T superficie (ºC)
T de las aletas a diferentes distancias (ºC)
T salida de aire (ºC)
Vel. aire entrada (m/s)
Vel. aire salida (m/s)
Tabla 6. Convección forzada (placa plana)
T entrada de aire (ºC)
T superficie (ºC)
T salida de aire (ºC)
Vel. aire entrada (m/s)
Vel. aire salida (m/s)
Tabla 7. Convección forzada (unidad de superficies extendidas)
T entrada de aire (ºC)
T superficie (ºC)
T de las aletas a diferentes distancias (ºC)
T salida de aire (ºC)
Vel. aire entrada (m/s)
Vel. aire salida (m/s)
6. MODELO DE CÁCULO
Convección libre y forzada
Para determinar el calor que se transfiere al sistema (aire) de manera experimental, se debe proceder a realizar un balance de energía y analizar las diferentes consideraciones como se citan a continuación para un desarrollo más práctico.
El sistema es un Sistema abierto. Se encuentra en estado estacionario. El aire se asumirá como gas ideal
La transferencia de energía a los alrededores es despreciable. Los efectos de la energía cinética y potencial son despreciables.
Donde, es el área de la sección transversal de la tubería (ducto que
atraviesa el aire), v es la velocidad del aire, y H es la entalpia del aire a la entrada y salida respectivamente las cuales se encuentran tabuladas.Utilizando la ecuación de continuidad para determinar la velocidad a la que el aire atraviesa el ducto.
= área del anemómetro.
= velocidad registrada por el anemómetro.
= área del ducto.
Para calcular los coeficientes convectivos para cada una de las unidades utilizando la ecuación del enfriamiento de Newton:
Donde es la superficie de transferencia de energía calculada como
sigue:
n = Número de aletas en la placaA0 = Área de la placa baseAf =Área de aleta As=Área de superficie de contactoDespejando de la ecuación 3 el coeficiente de convección obtenemos:
Donde Q se determinó con la ecuación del balance de energía hecho al
viento de forma experimental, son las temperaturas de la superficie y
del ambiente respectivamente.
6.1 Cálculo teórico.
Cálculo teórico.
Convección forzada placa plana
Para determinar estos coeficientes teóricamente, se utilizan los números adimensionales, tales como, Reynolds, Nusselt y Prandtl, es necesario hacer la distinción si el fluido viaja en régimen turbulento o laminar.
Flujo Laminar: 𝑅𝑒<2100;
Para Pr = 1.
Para Pr < 1.
Para Pr > 1.
Flujo Turbulento: 0.6≤𝑃𝑟≤60, Re>3000
K=conductividad térmica del fluido
Para saber si el flujo es laminar o turbulento necesitamos el número de Prandtl y Reynolds:
Para realizar los cálculos anteriores, es necesario conocer propiedades, tales
como; difusividad térmica ( ), la viscosidad cinemática ( ) y la conductividad
térmica k, las cuales se encuentran para un valor de temperatura de película para
el aire ( ).
Convección libre o natural placa plana
El número de Nusselt es función del número de Grashof, de esta forma tenemos que:
Numero de Grashof
Donde, es el coeficiente de expansión térmica, Tfilm está en Kelvin, es la
viscosidad cinemática, L es la longitud, y g es la gravedad.
Donde g(Pr) es el gradiente de temperatura adimensional en la superficie, la cual es función del número de Prandtl.
convección forzada en flujo cruzado banco de cilindros alineados.
El número de nusselt es calculado a partir de la correlación de zukauskas de la siguiente forma:
Nu= h*D/k= C* Pr/ ^0.25
Disposicion Re correlacion
Alineadas 0 - 100 Nu== 0.9* *(Pr/ ^0.25
100 - 1000 Nu= 0.52* *(Pr/ ^0.25
1000 - 2*10^5 Nu= 0.27* *(Pr/ ^0.25
2*10^5 - 2*10^6 Nu= 0.033* *(Pr/ ^0.25
Una vez calculado el número de nusselt se utiliza su definición para el cálculo del coeficiente convectivo.
Para amplias gamas de Reynolds y prandtl se utiliza la correlación de Churchill and bernstein como se muestra:
Eficiencia ( de la transferencia de calor por convección.
7. CÁLCULOS
Calcular el coeficiente convectivo según la ley de enfriamiento de Newton para convección libre y forzada en placa plana y aletas cilíndricas.
Calcular la eficiencia de transferencia de calor por convección libre y forzada. Determinar el calor transferido por convección desde la unidad de superficie
hacia el aire. Realizar un análisis de la potencia suministrada al sistema por convección
libre y forzada, según su tipo de superficie. Hacer una comparación de los datos obtenidos experimentalmente con los
datos obtenidos a través del uso de correlaciones propuestas en la bibliografía.
8. PREGUNTAS
¿Qué montaje experimental alternativo propondría usted para el cálculo y/o estudio del coeficiente convectivo del aire, sea para convección libre o forzada?
¿Qué aplicaciones industriales tiene la transferencia de calor por convección?
¿Por qué se hace énfasis en el concepto de capa límite para la determinación de algunos parámetros adimensionales?
9. REFERENCIAS
[1] Methods of heat transfer. http://www.physicsclassroom.com/class/thermalP/Lesson-1/Methods-of-Heat-Transfer [Fecha de consulta: 12/04/2015]
[2] Rayleigh-Bénard Convection. http://www.mis.mpg.de/applan/research/rayleigh.html [Fecha de consulta: 13/04/2015]
[3] Transferencia de calor. Yunus A. Cengel. Segunda Edición. McGraw Hill. Cap. 7, 8, 9.