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8/17/2019 1 conveccion

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Laboratorio de transferencia de calorUniversidad del Atlántico

Ingeniería Mecánica

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INFORME TÉCNICO N°1: CONVECCIÓN FORZADA

Carlos Camargo, Carlos García, Guinel Ramírez, Jussef Fraija, Alberto Adarraga


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DATOS TOMADOS

Tabla 1.

CORRIDA Vfluido de entrada (m³) Tiempo(s) Caudalfluido de entrada (m³/s)

1 0,002 74 2,7027E-05

2 0,001 46 2,17391E-05

3 0,001 52 1,92308E-05

4 0,001 60 1,66667E-05

5 0,001 78 1,28205E-05

Donde:T1 Temperatura Entrada del agua

T2 Temperatura de la pared del tubo =T4T3 Temperatura Salida del aguaT4 Temperatura de la pared del tubo =T2

BALANCE PARA EL TUBO

= 3 − =

= á

= BALANCE DE LA CÁMARA

= ( + − ) =

= 3

λ =

=

∗

°

CORRIDA ALTURA (in) T1(K)entagua T2(K) T3(K)salidagua T4(K)pared del tubo

1 2 305,15 317,15 308,15 317,15

2 1,75 305,15 319,15 308,15 319

3 1,5 305,15 320,15 308,65 320,15

4 1,25 305,15 326,15 309,15 326,15

5 1 305,15 327,15 310,15 327,15

CORRIDA Vcondensado (m³) Tiempo(s) Caudal Condensado (m³/s)

1 0,00002 185 1,081E-07

2 0,000015 142 1,056E-07

3 0,000015 142 1,056E-07

4 0,00002 190 1,053E-07

5 0,00001 100 1,000E-07


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Propiedades del Agua:Densidad (p)= 997 Kg/m³Calor específico (Cp)= 4,18 Kj/KgKTemperatura de saturación (Tsat)= 373,15 K

Calor latente de evaporización (ʎ)= 2256,4 Kj/KgViscosidad dinámica= 0,000708 Kg/msConductividad térmica= 5,80E-04 KW/mK

Propiedades del vapor de agua:Calor específico (Cp)= 1,865 Kj/KgK

Datos de la tubería Dtuboexterno= 0,02 m

Altuboexterni= 0,000314 m2Dtubointerno= 0,017 mAltubointerno= 0,000227 m2Ltubo= 0,61 m

CALCULOS INICIALESTabla 2.

CORRIDAS ALTURA (in) M DEL AGUA (kg/s) Q tubo(KW)

1 2 0,0269 0,338

2 1,75 0,0217 0,272

3 1,5 0,0192 0,281

4 1,25 0,0166 0,278

5 1 0,0128 0,267

El vapor se asume entra a 60 PSI al banco que es la presión con la que sale de la calderaaunque existen perdidas estas no son posibles de cuantificar bajo el alcance de esteinforme, así entonces la temperatura de saturación, sabiendo que es vapor saturado, esentonces su temperatura será de 416,76K .

CORRIDAS ALTURA (in) M DEL AGUA (kg/s) Q cámara(KW)1 2 1,078E-04 0,2632

2 1,75 1,053E-04 0,2568

3 1,5 1,053E-04 0,2566

4 1,25 1,049E-04 0,2559

5 1 9,970E-05 0,2416

Determinación del coeficiente convectivo.

ℎ =

∆

Tabla 3.

CORRIDAS ALTURA (in) hi (Kw/m2K)

1 2 141,780

2 1,75 96,957

3 1,5 93,268

4 1,25 64,423

5 1 60,357


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4

ℎ =

−

Tabla 4.

CORRIDAS ALTURA (in) ho (Kw/m2K)

1 28,41157

2 1,758,36276

3 1,58,45486

4 1,258,36112

5 1,258,58294

Coeficiente global de transferencia de Calor:

=1

1ℎ

+ 1ℎ

Tabla 5.

CORRIDAS ALTURA (in) U (Kw/m2ºC)

1 2 13,124845

2 1,75 12,684872

3 1,5 12,8455584 1,25 13,237285

5 1 12,746335

NO SE CALCULA Gr y Ra PUES SÓLO ES PARA CONVECCIÓN NATURAL, EN ESTE CASO, EL ANÁLISISINCLUYE SOLAMENTE CONVECCIÓN NATURAL

Tabla 6.

CORRIDAS Re Pr Nu

1 2422,9 5,102 4155,61

2 1948,9 5,102 2841,853 1724,0 5,102 2733,72

4 1494,1 5,102 1888,25

5 1149,3 5,102 1769,07


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GRAFICAS:

/= ∗ , esta es la expresión a graficar donde para un fluido donde se asume

K es constante con respecto a la temperatura, siendo Pr constante para el rango estudiado,

además de ser el diámetro una intrínseca de la geometría y siendo m y c contantes halladasempíricamente entonces termina siendo una gráfica de la relación directa de Re vs h

Tabla 7.

CORRIDAS Re Nu/Pr^1/3)

1 2422,927 2413,8356

2 1948,876 1650,722

3 1724,006 1587,9115

4 1494,138 1096,813

5 1149,337 1027,5862

Grafica 1. Comportamiento de Nu y Re

y = -5E-07x3 + 0,003x2 - 4,8654x + 3396,9R² = 0,9683

0

1000

2000

3000

1100,000 1600,000 2100,000

N u

/ P r ^ 1 / 3

REYNOLDS

Re Vs Nu/Pr^1/3)

Nu/Pr^1/3)

Polinómica (Nu/Pr^1/3))


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CORRIDAS ALTURA (in) hi Y LogRe LogY

1 2 141,780 4,09E-06 3,3843403 -5,3881859542 1,75 96,957 5,98202E-06 3,289784192 -5,223152188

3 1,5 93,268 6,21864E-06 3,23653868 -5,206304545

4 1,25 64,423 9,00304E-06 3,174390773 -5,045610862

5 1 60,357 9,60956E-06 3,060447421 -5,017296513

Grafica 2. Linealizacion de la gráfica, Y vs Re

CORRIDAS Re Coef.global de Transf de calor

1 2422,927 7,940472361

2 1948,876 7,698724598

3 1724,006 7,752119695

4 1494,138 7,717935581

5 1149,337 7,514364676

y = -1,1797x - 1,3667R² = 0,913

-5,9

-4,9

-3,9

-2,9

-1,9

-0,9

0,1

3 3,05 3,1 3,15 3,2 3,25 3,3 3,35 3,4 3,45

l o g

y

log Re

Log(y) vs Log(Re)


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Grafica 3. Re vs U

CORRIDAS Re hi

1 2422,927 141,780

2 1948,876 96,957

3 1724,006 93,268

4 1494,138 64,423

5 1149,337 60,357

Grafica 4. Variación de hi con respecto a Reynolds

7,45

7,5

7,55

7,6

7,65

7,7

7,75

7,8

7,85

7,9

7,95

8

0,000 500,000 1000,0001500,0002000,0002500,0003000,000

Coef.global de Transf de calor

Coef.global de Transf decalor

y = 0,0658x - 23,685R² = 0,934

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

H I

RE

HI VS RE


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Conclusión

En el fenómeno de convección forzada el calor transferido es proporcional a un cambio detemperatura, el área de transferencia y un coeficiente de convección (h) el cual es función

del régimen de flujo de manera significativa.

1.

Se observa en la gráfica 1. que hi (coeficiente de convección interna) disminuyecuando disminuye el Reynolds, esto es un resultado lógico ya que la transferenciade calor será mayor en cuanto la velocidad del fluido aumente. Esto define unarelación de proporcionalidad directa entre Reynolds y h.

2. El número de Nusselt y el número de Reynolds son directamente proporcionales(con relación cubica) y estas constantes adimensionales relacionan: la conducción,en este caso cuando la conductividad térmica es muy pequeña en relación a h,porque el fenómeno describe en su mayoría el aumento de la transferencia de calorpor convección con el aumento de Nu y termina siendo función de correlacionesexperimentales.

3.

Es claro que la relación de Reynolds y el espesor de la película son de proporcióndirecta es decir que a mayor número de Reynolds (regímenes turbulentos) losespesores serán mayores, esto explica que hi sea también proporcional a Re puestoque el movimiento volumétrico de un fluido hace crecer la capa limite, que es la queestá en contacto directo con la superficie que lo contiene y en donde la variación delperfil de velocidad dictara la transferencia de calor que suceda.

4. El coeficiente global de transferencia de calor indica una relación de los h interioresy exteriores y su variación con el Re es aproximadamente lineal, ya que h solo variacon Reynolds (con gran significancia) esta es una relación muy parecida a Re vs hi

puesto que el trasfondo matemático es el mismo, son funciones lineales.5.

El cálculo del h convectivo se hace a partir del calor máximo promedio que tendríaun sólido si en todos los puntos del perfil su temperatura es la misma, lo cual enpráctica no se cumple. Esto es una fuente de error pues al asumir h(K)=CpdeltaT seasume trabajar con valores promedios.

6. Los termopares presentan un erro el cual se muestra en los multímetros usados,estas afectaciones se ven en cálculos como el ho que es función directa del cambiode temperatura de Tsat a Text , que sería para el termopar T4

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