2- guia practica convección

8/19/2019 2- Guia Practica Convección.

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UNIVERSIDAD DE ANTIOQUÍA

FACULTAD DE INGENIERÍADEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

GUÍA 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, suscaracterísticas y diferencias, empleando diferentes unidades de calentamiento.

Específicos

• Verificar el aumento o disminución en la transferencia de calor con el uso de lasdiferentes superficies.

• Determinar los coeficientes de convección experimental y teórico paraconvección libre y forzada para las unidades de calentamiento usadas.

• Evaluar las características de operación de superficies extendidas.

• Determinar la influencia de la velocidad del aire en los coeficientes deconvección teóricos y experimental y en el calor transferido por conveccióndesde la unidad de superficie hacia el aire en la convección forzada.

2. MARCO TEÓRICO

Lo debe realizar cada grupo para colocarlo en el informe.

3. E!I"OS # MATERIA$ES

E!I"OS

or conveccion se entiende !ue esta un contacto un ob"eto con un fluido circundante,especificamente para este caso el ob"eto es la placa y el fluido es el aire !ue puedeestar estatico o fluyendo impulsado por un ventilador. El e!uipo esta dise#ado paramedir temperaturas de conveccion libre o forzada de un fluido !ue esta en contactocon la placa, ademas se puede medir la potencia suministrada para alcanzar talestemperaturas.

El e!uipo consta de las siguientes partes como puede verse en la imagen $%


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$. &nterruptor de encendido y apagado'. perilla de control de velocidad del ventilador (. antalla de temperaturas). erilla de control de potencia*. Display de potencia+. able del medidor de velocidad-. able del termostato. able de energía/. antalla de observación de la placa$0.Ventilador$$. 1rificio para insertar termocupla

Il%s&raci'n 1. E!uipo de onvección.

Variables medibles

• 2emperatura de la placa• 2emperatura del aire circundante de la placa• otencia suministrada• Velocidad entregada por el ventilador• 3rea de transferencia de calor de la placa en contacto con el fluido

Ta(la 1. )i*ensiones +el +%c&o"ar,*e&ro Valor Lado pe!ue#o base 4m5 0.0-(Lado largo base 4m5 0.$'(-rea (ase *2 0.00/-/


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MATERIA$ES

• 6nemómetro• 2ermocuplas• ie de rey

• 7uantes de cuero

. "ROCE)IMIE/TO

"reca%ci'n

8unca operar el e!uipo a la m9xima potencia%

onvección Libre% '0:.

onvección ;orzada% )*:.

ara convección forzada traba"ar el ventilador de la posición ' en adelante.

Con0ecci'n $i(re

1. egular la posición del ventilador en tres1.Esperar !ue se estabilice la temperatura1.


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1.egular la posición del ventilador en cuatro15.>epetir paso $', $( y $)16.>egular la posición del ventilador en cinco

27.>epetir paso $', $( y $)21.ambar la unidad de superficies extendidas cilíndricas por la unidad de placaplana y repita los pasos anteriores 4$$?$5

. REGISTRO )E )ATOS

Ta(la 2. )i*ensiones placa plana

"ar,*e&ro Valor Longitud

6ncho 3rea

Ta(la 3 )i*ensiones %ni+a+ +e s%perficiese9&en+i+as cilín+ricas

Ta(la . Con0ecci'n li(re:placa plana;

Ten&ra+a+e aire

:


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Ta(la . Con0ecci'n for8a+a :placa plana;

Ten&ra+a+e aire

:


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dE

dT = Q́in−Ẃ + ḿin∗hin− ´mout ∗hout

m (¿hout −hin)= A∗ ρaire∗V (hout −hin)Q́in=¿́

Q́¿= A D∗ ρ aire∗V D∗(hout −hin )

Donde%

Q́¿ B alor transferido por convección desde la unidad de superficie hacia el aire

6DB 3rea del ducto ρ aire B Densidad del aire

VDB Velocidad real del aire en el ductohoutB Entalpia a la temperatura de salida del airehinB Entalpia a la temperatura de entrada del aire

@e plantea la ecuación de continuidad para hallar la velocidad real del aire en el ductoVD, así%

A D¿V D= A A∗V A

V D=

A A∗V A A D

Donde%

VDB Velocidad real del aire en el ducto 6 6 B 3rea del anemómetroV 6B Velocidad del aire registrada por el anemómetro

6DB 3rea del ductoDonde%

A A=

π ∗ D A2

4

D 6B Di9metro del anemómetro.

6 partir de la ecuación de enfriamiento de 8eCton y habiendo determinado previamenteel valor transferido, se puede calcular el coeficiente convectivo.


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Q́=h∗ As∗(T S−T ∞ )

h= Q́

As

(T

S

−T ∞ )

Donde%

h Boeficiente convectivo experimental.Q́ B alor transferido por convección desde la unidad de superficie hacia el aire.

6sB 3rea de transferencia de energía en la superficie 4m '52sB 2emperatura de la superficie de la placa, temperatura !ue se lee en la consola 452FB 2emperatura del aire en un punto muy ale"ado de la placa 4generalmente 2ambiente 5

ara la placa plana el 9rea de transferencia es%

A placa , plana= Largo∗ Alto

ara la placa con superficies cilíndricas el 9rea de transferencia es%

A

(¿¿ placa, plana−n∗ A superf . contacto)+n∗ Acilindro A

placa, cilindros=¿

Acilindro=π ∗ D∗ alturacilindro

n B 8Gmero de cilindros

TEÓRICO.

ara determinar estos coeficientes teóricamente, se utilizan los nGmerosadimensionales, tales como >eynolds, 8usselt y randtl, es necesario hacer ladistinción si el fluido via"a en rAgimen turbulento o laminar.

El coeficiente convectivo teórico 4 h́ 5 se calcula de la siguiente forma%


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h́= !u∗ "

# 4$5

Donde%

h́ B Es el coeficiente convectivo teórico de transferencia de calor.8HB 8Gmero adimensional de 8usselt.IB Es la longitud característica 4longitud en los tres puntos de temperatura5, paraformas comple"as se define como el volumen del cuerpo dividido entre su 9reasuperficial.B Es la conductividad tArmica del aire 4CJmK5 a la temperatura 2 film aire 40.0'*:JmK5.

ara estos c9lculos, se define tambiAn, la temperatura de película

Tfilm=( Tps+T ¿2 )Donde en el caso de superficies plana%

2ps B 2s B 2emperatura de la superficie 4placa5 registrada por el e!uipo.

2in B T ∞ B 2emperatura entrada del aire.

Donde en el caso de superficies extendidas%

2psB 2emperatura promedio de la superficie y se calcula de la siguiente manera%

T ps( " )=T S1+T S2+T S3+T S

4

2s$, 2s' y 2s( B 2emperatura en los ( puntos de las aletas o cilindros de la superficieextendidas.

2sB 2emperatura de la superficie 4placa5 registrada por el e!uipo.

2in B T ∞ B 2emperatura entrada del aire.

Con0ecci'n li(re o na&%ral en placa plana.

or ser convección natural, se asume un flu"o de aire en rAgimen laminar.

? >Agimen laminar% "r ? 7. @ Re 17


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8umero de >eynolds

ℜ=$∗ De%

$

V B Es la velocidad del aire

De% B Di9metro e!uivalente y se halla como

De%=4 A

&

6B 3rea transversal del ducto & B erímetro de la sección transversal del ducto.

abe aclarar !ue el nGmero de >eynolds calculado anteriormente es usado en el restode los c9lculos, debido a !ue la geometría del ducto no es circular.

8Gmero de randalt%

&r=$

'

Donde%

' B Difusividad tArmica a 2film$ % La viscosidad cinem9tica, !ue es (/ ρ

En esta parte de los c9lculos, el ob"etivo es hallar 8u.

!u=

[0,825+

0,387 )a L

1

6

[1+

(

0,492

&r

)

9

16

]

8

27

]

2

Esta ecuación se utiliza si%

>ayleigh 0.$ M >aL M $0 $' y 0N M ˠ M +0N


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ˠB 6ngulo de desviación de la superficie respecto al plano vertical, valido para lacondición de contorno de temperatura de la pared constante.

8Gmero de >ayleigh% )a

L

=g∗ *∗(T s−T ∞) L

3

$∗'

Donde%

gB Es la gravedad 4mJs'5. * B Es el coeficiente de expansión tArmica y se calcula como el inverso de la

temperatura de película$ % Es la viscosidad cinem9tica del aire a 2film

LB Es la longitud característica de la placa o longitud vertical de la pared 4m5.

*= 1

Tfilm

2eniendo el nGmero de 8usselt, se reemplaza en 4$5 y se halla el coeficiente convectivoteórico y con este dato se procede a calcular el teórico%

Q́teorico= h́∗ As∗(T S−T ∞ )

Donde%

Q́teorico B alor teórico transferido por convección desde la unidad de superficie

hacia el aire. 6sB 3rea de transferencia de energía en la superficie 4m '52sB 2emperatura de la superficie de la placa, temperatura !ue se lee en la consola 452FB 2emperatura del aire en un punto muy ale"ado de la placa 4generalmente 2ambiente 5

Con0ecci'n li(re o na&%ral en placa con cilin+ros.8uevamente se asume rAgimen laminar. En este caso el nGmero de 8usselt se definecomo%


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!u=[0,60+0,387[ )a L

[1+( 0,559 &r ) 9

16 ]16

9 ]1

6

]2

Donde )a L se halla como en el caso anterior.

Con0ecci'n for8a+a para placa plana.

Es necesario determinar si el sistema est9 en rDi*en la*inar o turbulento.

;lu"o Laminar, M'$00 y r O 0.+

En caso de ser rAgimen laminar, segGn el nGmero de randlt y , se halla el nGmero

de 8usselt.

ara%

r B $, !u=0,332ℜ1

2 ¿ &r1

3

r M$, !u=0,664ℜ1

2 ¿ &r1

3

r P $, !u=0,339ℜ1

2 ¿ &r1

3

En caso de ser rDi*en &%r(%len&o, 8usselt se define como%

;lu"o turbulento, P(000 y 0.+ M r M +0

!u=0,0296ℜ4

5∗ &r1

3

Con0ecci'n for8a+a para placa con cilin+ros. ;lu"o perpendicular a un cilindro detemperatura de superficie.

2anto para flu"o laminar como para flu"o turbulento, 8usselt se define como%


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!u=0,30+0,62ℜ

1

2∗ &r1

3

[1+( 0,40 &r )2

3 ]1

4

∗[1+( ℜ282000 )5

8 ]4

5

Eficiencia. ara todos los casos se emplea la siguiente formula%

+=Qcon$eccin

&

Donde%

Q́ B alor por convección teórico yJo experimental dependiendo el caso.

B Es la potencia registrada por el e!uipo.

4. C-$C!$OS

• alcular el coeficiente convectivo 4experimental5 segGn la ley de enfriamiento de8eCton y teórico para convección libre y forzada en placa plana y aletas cilíndricas,con el fin de comparar resultados.

• alcular la eficiencia de transferencia de calor por convección libre y forzada.

• Determinar el calor transferido por convección desde la unidad de superficie haciael aire.

• >ealizar un an9lisis de la potencia suministrada al sistema por convección libre yforzada, segGn su tipo de superficie.

5. "REG!/TAS

•


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• Q@e considera la velocidad del aire como un factor importante en la variación delcalor entregadoR Expli!ue

6. REERE/CIAS

S$T &8>1E>6 ;ran . DE:&22 David . ;undamentos de transferencia de calor,$///. rentice Uall Uispanoamericana @.6. uarta edición. 9ginas *?, '/?'/).

S'T 8H@ engel. 2ransferencia de calor y masa% un enfo!ue pr9ctico, '00-. Editorial


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A/E>O

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