LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALORPráctica # 2: Convección y Radiación

1. OBJETIVOS:

Comprender los fundamentos básicos de los mecanismos de transferencia de calor por convección y radiación.

Determinar los coeficientes de convección y radiación para dos geometrías distintas: Cilindros y placas planas.

2. MARCO TEÓRICO:A. INTRODUCCIÓN

En el estudio de la termodinámica se aprende que la energía se puede transferir mediante las interacciones de un sistema con su alrededor. Estas interacciones se denominan trabajo y calor. Sin embargo, la termodinámica trata de los estados finales del proceso durante el cual ocurre una interacción y no proporciona información alguna con respecto a la naturaleza de esta interacción o la rapidez con la que ésta se produce.

El objetivo de esta práctica es ampliar el análisis termodinámico a través del estudio de los modos de transferencia de calor, por medio del desarrollo de relaciones matemáticas para calcular los fenómenos de transferencia de calor por convección y radiación.

CONVECCIÓN

El modo de transferencia de calor por convección se compone de dos mecanismos: el primero y más común, mediante el movimiento global de un fluido y el otro mediante efectos difusivos en la dinámica molecular. El fenómeno sólo es posible si existe un gradiente de temperatura entre el sistema y sus alrededores.

Como se aprecia en la Figura 1, en el flujo de un fluido sobre una superficie caliente, la distribución de velocidad toma valores de cero en la superficie hasta un valor finito asociado a las condiciones del flujo, conocida como capa límite hidrodinámica. La distribución de temperatura toma valores desde la temperatura en la superficie (Ts) hasta un valor finito de temperatura (T∞) en el flujo exterior, conocida como capa límite térmica.

Figura 1. Desarrollo de la capa límite en la convección.

RADIACIÓN

Es la energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura finita. Aunque centraremos nuestra atención en la radiación de superficies sólidas, esta radiación también puede provenir de líquidos y gases. Sin importar la forma de la materia, la radiación se puede atribuir a cambios en las configuraciones electrónicas. La energía del campo de radiación es transportada por ondas electromagnéticas (o alternativamente, fotones). Mientras la transferencia de energía por conducción o por convección requiere la presencia de un medio material, la radiación no lo precisa. De hecho, la transferencia de radiación ocurre de manera más eficiente en el vacío.

En la figura 2, se presenta un caso típico de intercambio de radiación y convección entre una superficie pequeña a una temperatura finita Ts y una superficie isotérmica más grande que rodea por completo a la superficie. La temperatura de los alrededores es menor que la temperatura Ts, para que se presente el fenómeno.

B. FUNDAMENTO TEÓRICOLa expresión matemática para el flujo de energía por convección es conocida como la Ley de Enfriamiento de Newton, que es:

Qc=hc A (T s−T ∞ )(1)

Donde:Qc es la tasa de transferencia de calor por convección [W]hc es el coeficiente de transferencia de calor por convección [W/ m2K]A es el área superficial [m2]T s es la temperatura superficial [K]T ∞ es la temperatura ambiente o del fluido [K]

La transferencia de calor por radiación neta desde el objeto será:

Qr=σA (ε T s4−α Talr4 )(2)

La Ley de Kirchhoff dice que ε=α para cuerpos grises, entonces:

Qr=εσA (T s4−T alr4 )(3)

Figura 2. Intercambio de radiación entre una superficie y sus alrededores

Por semejanza con la ley de enfriamiento de Newton:

Qr=A hr (T s−T ∞ )(4)

De (3) y (4) tenemos que:

hr=εσ (T s+T alr) (T s2+T alr2 )(5)

Para las expresiones (2) - (5), tenemos que:Qr es la tasa de transferencia de calor por radiación [W]σ es la constante de Stefan-Boltzmann (σ=5.67×10−8 W/m2K4)ε es la emisividad de la superficie del objetoα es la absortividad de la superficie del objetoT alr es la temperatura alrededores o del fluido [K]hr es el coeficiente de transferencia de calor por radiación [W/m2K]

Finalmente el calor global por efecto convectivo y radiante será:

Q=Q c+Qr=A (hc+hr ) (T s−T ∞ )=A hG (T s−T ∞ )(6)

El calor global también puede ser definido por la energía suministrada al sistema en forma de corriente eléctrica:

Q=VI (7)

Para las expresiones (6) y (7), tenemos que:hG es el coeficiente total de transferencia de calorV es el potencial eléctrico [V]I es la corriente eléctrica [A]

De (3) y (6) tenemos entonces que:

hc=VI−hr A (T s−Talr )

A (T s−T ∞ )(8)

3. EXPERIMENTACIÓN

A. EQUIPOS

- Cilindro y placa delgados con generación interna de calor - Fuentes reguladoras de voltaje.- Voltímetro- Amperímetro.- Termocuplas de superficie.- Lectores digitales de temperatura

B. PROCEDIMIENTO Y EXPERIENCIAS

Se dispondrá de un cilindro y una placa en diferentes posiciones con el objetivo de medir la temperatura superficial y sus dimensiones. El cilindro y la placa que se ven las siguientes figuras, son cuerpos calentados mediante una variación del voltaje, en los cuales se pueden conocer los valores temperatura superficial y temperatura de los alrededores, su área superficial y dimensiones.

EJERCICIOS

Estime el valor de la emisividad ε y la absortividad α para el

fenómeno de radiación de los diferentes montajes. Preste atención a factores como el material, color o forma y justifique la selección de éstos parámetros.

A partir de los datos obtenidos en la práctica, calcule los coeficientes de transferencia de calor radiante, convectivo y global, al igual que la porción de calor por radiación, convección y el calor global para cada montaje y para las diferentes temperaturas superficiales.

Calcule las pérdidas para cada sistema y relacionelas con los demás datos.

Elabore gráficas que comparen la temperatura superficial con el calor de radiación, con el calor de convección y con el calor global. Concluya acerca de su comportamiento, y la diferencia con las demás gráficas en términos de la entrada de energía al sistema en forma de corriente eléctrica.

Cilindro horizontal conveccion libre.

Cilindro vertical conveccion libre.

Placa horizontal conveccion libre.

REFERENCIAS Cengel Y., Boles M. Termodinámica. Séptima ed. Mc. Graw-Hill, 2012.

INCROPERA, Frank P. Fundamentos de Transferencia de Calor. Cuarta ed. Prentice Hall, 1999.

Bejan, Adrian. Heat Transfer. John Wiley & Sons. 1993.