UNIVERSIDAD DE ANTIOQUA
FACULTAD DE INGENIERA
DEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA
GUA DE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS
TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIN1. OBJETIVOS
General
Estudiar los fenmenos de transferencia de calor por conveccin
libre y forzada, sus caractersticas y diferencias, empleando
diferentes unidades de calentamiento.
Especficos
Verificar el aumento o disminucin en la transferencia de calor
con el uso de las diferentes superficies.
Determinar los coeficientes de conveccin libre y forzada para
las unidades de calentamiento usadas, a travs de los datos
obtenidos experimentalmente.
Evaluar las caractersticas de operacin de superficies
extendidas.
2. MARCO TERICO
Redactar 3. EQUIPOS Y MATERIALES
EQUIPOS
3.1 Descripcin de la consola elctrica
La consola elctrica incorpora un regulador elctrico de estado
slido, con un lector digital, para controlar e indicar el
abastesimiento de corriente al permutador durante una prueba. El
permutador es conectado a la consola por via del cable de
abastecimiento elctrico. Un abastesimiento elctrico variable de
bajo voltaje es provisto para el ventilador por va del cable de
abastecimiento elctrico. Un lector digital indica la temperatura y
otro lector la potencia.
Figura 1. Consola elctrica del mdulo de conveccin3.2 Descripcin
del Aparato de Trasferencia de Conveccin
El aparato consiste en un tubo vertical rectangular. Un
permutador de lamina lisa (3), espigada (4), o aletada (5), podr
ser instalada en el tubo y asegurada por un seguro de soltada-rpida
de cada lado. La temperatura en la base de cada termopermutador es
controlada por sensor termistr (19) con un cable conector (7) el
cual debe ser conectado con cuidado fijndose en el tamao de sus
terminales.
El permutador en uso puede ser visto a travs de una ventana de
acrilico (14) en una pared del ducto, un flujo ascendente de aire
puede ser generado en el ducto con un ventilador de velocidad
variable (21) montado en la parte superior.La velocidad del aire en
el tubo sea natural o forzada, ser medida con un anemmetro; una
termocupla permite las mediciones de las temperaturas del aire de
entrada y de salida, estas temperaturas son determinadas a travs de
los agujeros de acceso en la pared del tubo (20).
Figura 2: Aparato de transferencia de calor por conveccinTabla
1. Dimensiones del ducto
Parmetro Valor
Lado pique base (m)0.073
Lado largo base (m)0.123
rea base m20.008979
Figura 3: Mdulo de la prctica de conveccinMATERIALES
Anemomtro
Termocuplas
Pie de rey
Guantes de cuero
4. PROCEDIMIENTO
Precaucin Nunca operar el equipo a la mxima potencia:Conveccin
Libre: 20W.
Conveccin Forzada: 45W.
Para conveccin forzada trabajar el ventilador de la posicin 2 en
adelante.
Conveccin 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 energa 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 60C 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 anemmetro sea de la menor
magnitud posible pero mayor que cero y menor que 0.15, con el fin
de desarrollar una conveccin 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
cilndrica
11. Registrar los datos en las tablas correspondientes
12. Cambiar la unidad de placa plana por la unidad de
superficies extendidas cilndricas, esperar que se estabilice el
sistema y repetir el paso 8 y 9.
Conveccin forzada:
13. Regular la posicin del ventilador en tres
14. Esperar que se estabilice la temperatura
15. Medir la temperatura de la superficie (consola) y de las
aletas
16. 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 posicin del ventilador en cuatro
18. Repetir paso 14, 15 y 1619. Regular la posicin del
ventilador en cinco
20. Repetir paso 14, 15 y 1621. Cambar la unidad de superficies
extendidas cilndricas por la unidad de placa plana y repita los
pasos anteriores (11-18)
5. DATOS
Tabla 2. Dimensiones placa planaParmetroValor
Longitud
Ancho
rea
Tabla 3. Dimensiones unidad de superficies extendidas
cilndricasParmetroValor
Longitud
Dimetro
rea
N de unidades
Tabla 4. Conveccin libre (placa plana)T entrada de aire
(C)Tsuperfice(C)T salida de aire (C)Vel. aire entrada(m/s)Vel. aire
salida (m/s)
Tabla 5. Conveccin libre (unidad de superficies extendidas)T
entrada de aire (C)T superficie (C)T de las aletas a diferentes
distancias (C)T salida de aire (C)Vel. aire entrada (m/s)Vel. aire
salida (m/s)
Tabla 6. Conveccin forzada (placa plana)Posicin Del
Ventilador T entrada de aire (C)T superficie
(C)T salida de aire (C)Vel. aire entrada
(m/s)Vel. aire salida
(m/s)
Tabla 7. Conveccin forzada (unidad de superficies
extendidas)Posicin del ventilador T entrada de aire (C)T
superficie
(C)T de las aletas a diferentes distancias (C)T salida de aire
(C)Vel. aire entrada (m/s)Vel. aire salida (m/s)
6. MODELO DE CLCULO
Para determinar experimentalmente el calor transferido al
sistema, se realiza un balance de energa teniendo en cuenta las
siguientes consideraciones:
- Sistema abierto.
- Sistema en estado estacionario.- Aire modelado como gas
ideal.- No hay transferencia de energa por medio de trabajo.- Los
cambios de energa cintica y potencial son despreciables.
Balance de energa:
(1)Donde:
As= rea de seccin transversal de la tubera [m2]
v = Velocidad del aire [m/s]
H= Entalpia, se pueden encontrar en tablas para el aire como gas
ideal
Para determinar la velocidad del aire se usa la ecuacin de
continuidad:
(2)Donde:
Aanm = rea del anemmetro
Vanm = Velocidad registrada por el anemmetroAducto= rea del
ducto
Para calcular los coeficientes convectivos se utiliza la ley de
enfriamiento de Newton:
(3)Despejando el coeficiente convectivo experimental: (4)
(5)Donde:
= Calor por conveccin [W]
= Coeficiente de transferencia de calor por conveccin
[W/m2K]
=Temperatura de la superficie [K]
= Temperatura del fluido [K]
A0 = rea de la placa [m2]As=rea de superficie de contacto [m2]Af
=rea de aleta [m2]n = Nmero de aletas [m2]AT = rea de la
transferencia de energa [m2]Nota: Para determinar la temperatura
del aire se establece un promedio del perfil de temperatura
(entrada, salida y centro).
El coeficiente convectivo terico est dado por la siguiente
expression: (6) (7)Donde:K = Conductividad trmica del aire en
[W.m-1.K-1]
= Nmero adimensional de Nusselt y est dado dependiendo de si hay
conveccin libre, forzada, laminar, turbulenta, para placa plana o
cilndrica.
Placa lisa
Conveccin libre:Para la determinacin del nmero de Nusselt,
Churchill y Chu [1] recomiendan una correlacin que se puede aplicar
sobre todo el intervalo de y es de la siguiente forma: (8)Donde el
nmero de Prandtl y de Rayleigh se determinan de la siguiente
manera:
(9) (10)(11) (12)(13)Donde: = Viscosidad cinemtica [m2/s]
= Difusividad trmica [m2/s]
L= Longitud vertical de la pared [m]
= Coeficiente de expansin trmica [K-1]
Tf = Temperatura de pelcula del fluido [K],a esta temperatura se
evalan las propiedades del mismo
g= Gravedad [m/s2]
Conveccin forzada
Flujo laminar (Re 1 (16)Para y flujo turbulento (Re>3000)
(17) Placa con aletas cilndricasConveccin libreChurchill y Chu
[3] recomiendan una correlacin simple para un margen amplio del
nmero de Rayleigh: 1012 (18)Conveccin forzadaChurchill y
Berstein[4] propusieron la siguiente ecuacin que cubre todo el
rango de Re para el que se disponen datos (aplica para flujo
laminar y turbulento), as como un amplio rango de Pr. Sin embargo
si se recomienda para toda RePr>0.2, y todas las propiedades se
deben evaluar a la temperatura de la pelcula.
(19)Eficiencia () de la transferencia de calor por
conveccin:
(20)7. CLCULOS
Calcular el coeficiente convectivo segn la ley de enfriamiento
de Newton para conveccin libre y forzada en placa plana y aletas
cilndricas.
Calcular la eficiencia de transferencia de calor por conveccin
libre y forzada.
Determinar el calor transferido por conveccin desde la unidad de
superficie hacia el aire.
Realizar un anlisis de la potencia suministrada al sistema por
conveccin libre y forzada, segn su tipo de superficie.
8. PREGUNTAS8.1 De acuerdo a lo estudiado acerca del mecanismo
de conveccin y los resultados obtenidos en la prctica de
laboratorio, ordene de mayor a menor los siguientes valores del
coeficiente de transferencia de calor y explique cules son los
factores que ms influyen en la determinacin de ste:
a-Conveccin forzada en gases
b-Conveccin forzada en lquidos
c-Conveccin libre en gases
d-Conveccin libre en lquidos
8.2 Establezca la diferencia entre el coeficiente local y
promedio de transferencia de calor por conveccin. El coeficiente de
transferencia de calor por conveccin es mximo o mnimo en el borde
de la placa y cmo vara a medida que aumenta la distancia desde la
superficie de la placa.8.3 Desde el punto de vista terico, a medida
de que se aumenta la potencia del ventilador, como cambia la
temperatura de entrada y salida del mdulo?9. REFERENCIAS
[1] Churchill, S. W. y H.H.S.Chu, Correlating Equations for
laminar and turbulent free convection from a vertical plate,
Int.J.Heat Mass Transfer, 18, 1323, 1975.[2] Wikipedia.org (s.f.).
Recuperado el 13 de Abril de 2015, de
http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Nusselt[3] Churchill,
S. W. y H.H.S.Chu, Correlating Equations for laminar and turbulent
free convection from a horizontal cylinder, Int.J.Heat Mass
Transfer, 18, 1049, 1975.
[4] Curchill, S. W. y M. Berstein, J. Heat Transfer, 99, 300,
1977.INCROPERA,Frank. DEWITT David. Fundamentos de transferencia de
calor. Cuarta edicin, Editorial Prentice Hall 1999, Mxico.P.A.
HILTON LTD. Manual experimental de operacin y mantenimiento.
Conveccin libre y forzada. H920. Inglaterra.