Lab TRANFER Convecc Libre y Forzada

7/23/2019 Lab TRANFER Convecc Libre y Forzada

1/19

INGENIERA MECNICALAB TRANSFERENCIA DE CALOR

Junio de 2015.

CONVECCION LIBRE Y FORZADA

AREVALO ENRIQUE, BERRIO OROZCO KEVIN, GUZMAN FRUTO ARIEL,NARVAEZ PALLARES HUGO, VILLARREAL ACOSTA SIMON.

Resue!

En esta experiencia se presenta el fenmeno de la conveccin que se da entre una superficie

y un fluido, en la que el flujo del fluido puede variar, y determinara si esta ser conveccin

libre o forzada. La conveccin libre es aquella que se da cuando el movimiento del fluido

es generado por variaciones de densidad, estas a su vez pueden ser producidas por la

existencia de gradientes de temperatura o de concentracin en el seno del fluido, haciendo

que gracias a fuerzas gravitacionales las partculas menos densas suban y las ms densas

caigan. La conveccin forzada se da cuando se imprime cierto movimiento al fluido de

trabajo mediante ventiladores o elementos de bombeo para que pase sobre una superficie

sin depender tanto de la fuerza de empuje.

En esta prueba, se tiene un flujo constante de vapor a una presin determinada, un flujo de

agua que ser el fluido encargado de la transferencia de calor por conveccin y un

controlador de caudal de agua, el cual de acuerdo a su altura determinar si se tendr

conveccin forzada o libre. !e tomaran ciertas mediciones de las temperaturas de entrada y

salida del agua y del vapor, luego se cronometraran los valores correspondientes tanto del

caudal de vapor condensado como el caudal de flujo de agua, y se concluir cul de los dosprocesos permite una mayor transferencia de calor.

Su"#$.

"n this experiment is presented the convection phenomenon that occurs bet#een a surface

and a fluid, in #hich the fluid flo# may vary and determine if this #ill be free or forced

convection. $ree convection occurs #hen the fluid motion is generated by variations in

density, these at the same time can be produced by the existence of temperature gradients or

concentration #ithin the fluid, causing that through gravitational forces the less dense

particles rise and denser fall. $orced convection occurs #hen is printed some movement to

the #or%ing fluid by fans or some pumping elements to pass over a surface #ithout relying

too much on pushing force.

"n this experience, it&s had a constant flo# of steam at a certain pressure, a #ater flo# that

is the fluid responsible for convective heat transfer and a flo# controller #ater, #hich

according to its height determine #hether if "t has forced or free convection. "t is ta%en

some measurements of inlet and outlet temperatures of #ater and steam, then the values of


2/19


Junio de 2015.

both the condensate flo# as the #ater flo# rate of steam #ill be timed, and #ill be

concluded #hich of the t#o processes allo#s higher transfer heat.

%. I!'(u))*+!

La conveccin es una de las tres formas de transferencia de calory se caracteriza por la

transmisin de calor por movimiento real de las mol'culas de una sustancia. La conveccin

se produce (nicamente por medio de materiales fluidosen los que las partculas pueden

desplazarse transportando el calor sin interrumpir la continuidad fsica del cuerpo. )uando

estos se calientan se mueven hacia fuera de la fuente de calor, transportando consigo la

energa. La conveccin por encima de una superficie caliente ocurre porque, cuando se

calienta el aire en contacto con la superficie, se expande, se hace menos denso, y se eleva.

*e igual manera, el agua caliente es menos densa que la fra y por tanto se eleva,

originando corrientes de conveccin que transportan energa.

La transferencia de calor por conveccin forzada implica el transporte de calor en un

volumen y la mezcla de elementos macroscpicos de porciones calientes y fras de un gaso

un lquido.!e incluye tambi'n el intercambio de energaentre una superficie sliday un

fluido o por medio de unabomba, un ventiladoru otro dispositivo mecnico +conveccin

mecnica o asistida.

En la transferencia de calor libre o naturalen la cual un fluido es ms caliente o ms fro y

en contacto con una superficie slida, causa una circulacin debido a las diferencias de

densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido.

Esta transferencia de calor por conveccin puede ser estudiada gracias a la Ley del

Enfriamiento de -e#ton, la cual establece que el flujo de calor es directamente

proporcional al producto de la diferencia de temperatura (entre la superficie del cuerpo

slido y el fluido de trabajo) con el coeficiente de trasferencia de calor para un rea

determinada

*onde h es el coeficiente de conveccin+o coeficiente de pelcula, /ses el readel cuerpo

en contacto con el fluido, 0s es la temperatura en la superficie del cuerpo y 0inf es la

temperaturadel fluido lejos del cuerpo.
http://es.wikipedia.org/wiki/Transferencia_de_calorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Transferencia_de_calorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Gashttp://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquidohttp://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3lidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_(fluidos)http://es.wikipedia.org/wiki/Ventiladorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Calorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Isaac_Newtonhttp://es.wikipedia.org/wiki/Coeficiente_de_convecci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Coeficiente_de_pel%C3%ADculahttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81reahttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Gashttp://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3lidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_(fluidos)http://es.wikipedia.org/wiki/Ventiladorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Calorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Isaac_Newtonhttp://es.wikipedia.org/wiki/Coeficiente_de_convecci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Coeficiente_de_pel%C3%ADculahttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81reahttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Transferencia_de_calor


3/19


Junio de 2015.

. M"#)' &e+#*)'.

*e acuerdo a lo postulado anteriormente, la conveccin es el mecanismo transferencia decalor a trav's de un fluido con movimiento masivo de 'ste. En la conveccin existe

movimiento del fluido a nivel macroscpico mientras que en la conduccin existe

movimiento a nivel microscpico, atmico o molecular, pero no a nivel macroscpico,

entendi'ndose como macroscpico el movimiento de vol(menes relativamente grandes del

fluido.

La conveccin se clasifica en natural y forzada. En la conveccin forzada se obliga al fluido

a fluir mediante medios externos, como un ventilador o una bomba hidrulica. En la

conveccin natural el movimiento del fluido es debido a causas naturales, como el efecto de

flotacin, el cual se manifiesta con la subida del fluido caliente y el descenso del fluido frio.

La conveccin forzada se clasifica a su vez en externa e interna dependiendo de si el flujo

de fluido es interno o externo. El flujo de un fluido se clasifica como interno o externo

dependiendo de si se fuerza al fluido a fluir por un canal confinado +superficie interior o

por una superficie abierta. El flujo de un fluido no limitado por una superficie +placa,alambre, exterior de un tubo es flujo externo. El flujo por un tubo o ducto es flujo interno

si ese fluido est limitado por completo por superficies slidas. El flujo de lquidos en un

tubo se conoce como flujo en canal abierto si ese tubo est parcialmente lleno con el lquido

y se tiene una superficie libre.

La velocidad de transferencia de calor a trav's de un fluido es mucho mayor por

conveccin que por conduccin. )uanto mayor es la velocidad del fluido mayor es la

velocidad de transferencia de calor.

La transferencia de calor por conveccin depende de las propiedades del fluido, de la

superficie en contacto con el fluido y del tipo de flujo. Entre las propiedades del fluido se

encuentran la viscosidad dinmica 1, la conductividad t'rmica %, la densidad r. 0ambi'n se

podra considerar que depende de la viscosidad cinemtica 2, puesto que 2,3 1 4r. Entre las

propiedades de la superficie que intervienen en la conveccin estn la geometra y la

aspereza. El tipo de flujo, laminar o turbulento, tambi'n influye en la velocidad de

transferencia de calor por conveccin.


4/19


Junio de 2015.

En cualquier caso, la velocidad de transferencia de calor por conveccin siempre es

proporcional a la diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido. Este hecho se

modela matemticamente mediante la Ley de Enfriamiento de -e#ton q5punto 3 h + 0s 5

0inf o 65punto 3 h /s + 0s 5 0 inf donde 0s es la temperatura de la superficie en contacto

con el fluido y 0infes la temperatura del fluido lo suficientemente lejos de dicha superficie.

La influencia de las propiedades del fluido, de la superficie y del flujo se cuantifica en el

coeficiente de pelcula o coeficiente de transferencia de calor por conveccin +h.

En el anlisis de la conveccin es prctica com(n quitar las dimensiones a las expresiones

fsico5matemticas que modelan el mecanismo y agrupar las variables, dando lugar a los

n(meros adimensionales.

En el fenmeno de conveccin se emplean los siguientes n(meros adimensionales

N-e#' (e NUSSELT Nu/.07epresenta la relacin que existe entre el calortransferido por conveccin a trav's del fluido y el que se transferira si slo existiese

conduccin.

55 !e considera una capa de fluido de espesor L con sus superficies a diferentestemperaturas 08 y 09, 08 : 09, *0 3 08 5 09, como se muestra en la figura

El flujo de calor debido a la conveccin ser q5punto conveccin 3 h ;0 , mientras que el

flujo de calor si slo existiera conduccin sera q5punto conduccin 3 % +;0 4 L .

*ividiendo ambas expresiones

En general

*onde Lc es la longitud caracterstica del tipo de ducto o tubo donde se desplace el fluido.

)uanto mayor es el n(mero de -usselt ms eficaz es la conveccin


5/19


Junio de 2015.

N-e#' (e PRANDTL P#/.07epresenta la relacin que existe entre la difusividadmolecular de la cantidad de movimiento y la difusividad molecular del calor o entre

el espesor de la capa lmite de velocidad y la capa lmite t'rmica

El calor se difunde con mucha rapidez en los metales lquidos + n valor peque@o del n(mero de 7eynolds indica r'gimen laminar.

El valor del n(mero de 7eynolds para el cual el flujo se vuelve turbulento es el n(merocrtico de 7eynolds. Este valor crtico es diferente para las diferentes configuraciones

geom'tricas


6/19


7/19


Junio de 2015.

' s/ / ?C/ ?C/ ' s/ / Ps*/ Ps*/

9H 8A,AN D,98Dx8C

5A

9J DJ DC,IA D,9JIx8C

5O

8I C,CO99A8 KH 8O,JP 9,OPIx8C5A 9J IC 9O,J8 D,APAx8C5O 8I C,CO99A

8 H 8P,P8 9,A88x8C5A 9J ID DD,CP D,C99x8C5O 8I C,CO99A

8 MH, 99,PJ 9,8OAx8C5A 9J IA 9A,9J D,PAAx8C5O 8I C,CO99A

8H 9I,CP 9,COAx8C5A 9J IJ DP,ND 9,A9Dx8C5O 8I C,CO99A

D4IH, 9J,J9 8,ODIx8C5A 9J IP D9,JD D,CIAx8C5O 8I C,CO99A

849H, DC,JD 8,N98x8C5A 9J A8 8J,NI A,DNIx8C5O 8I C,CO99A

84IH. DO,IO 8,DDIx8C5A 9J NA 8N,9C N,8O9x8C5O 8I C,CO99A

!uponiendo la densidad del agua de enfriamiento constante a la temperatura promedio de

entrada, podemos determinar el flujo msico +QR 9JS) 3 PPN,C Fg4mD

..

Bvm =

%/

*nde

.

ves el caudal de agua de enfriamiento.

s/ Q /9H C,CD9C 8DDO,8O

8 KH C,C9OJ 8DPA,N9

8 H C,C9AC 8ANO,AI

8 MH, C,C98O 8ADP,98

8H C,C9CO 8O9O,DP

D4IH, C,C8OD 8A8N,CJ

849H, C,C8N9 8AA9,99

84IH. C,C8DD 9CAI,AA

!e procede a realizar el balance de calor en la cmara. El flujo de calor viene dado por la

expresin


8/19


Junio de 2015.

,,++.

spromvpfgv TTChmQ +=

1/

*onde mves el flujo de vapor +mv 3con

.

vBQ, hfges el calor latente de vaporizacin +h fg R

s/Tsu= e(. ?C/

Q /9H 9,A8E5CI AO,A ND8,CC

8 KH D,C8E5CI NC OAI,DC

8 H D,CDE5CI ND,A OAJ,9J

8 MH, D,9OE5CI NN,A J8A,O8

8H D,AJE5CI OC,A JPC,IN

D4IH, D,PIE5CI OI,A PON,N9

849H, A,DIE5CI OP 8D9C,C8

84IH. N,8AE5CI J9,A 8A8I,OP

De&e#*!")*+! (e )'! "se e! 3's ("&'s e:=e#*e!&"3es

Los coeficientes convectivos de transferencia de calor en el tubo y la cmara, as como el

coeficiente global de transferencia de calor > se calcularn como se muestra acontinuacin.


9/19


Junio de 2015.


10/19


Junio de 2015.

Los resultados se indican a continuacin

Me(*)*+! *!/ Re P#9H IC9C,PC A,9P

8 KH DIPO,99 A,9P

8 H D8I9,IC A,9P

8 MH, 9O99,AP A,9P

8H 9APO,8I A,9P

D4IH, 98OC,PC A,9P

849H, 9C9P,DN A,9P

84IH. 8NNP,OI A,9P

/hora bien, deben calcularse los n(meros de Grashof y el -usselt a partir de los datosempricos obtenidos en el laboratorio. 7ecu'rdese que el n(mero de Grashof est definidocomo

9

D9,+

#TTg$r

f%

=

/

Y el n(mero de -usselt como

89ACCC7e9ACC?8CC


11/19


Junio de 2015.

8 KH 8IPIAPJ,N 9A,P9 DA,PA DJ,NJ

8 H 89NN9OP,O 9D,JC DO,IP AO,AN

8 MH, 8DP999J,P 98,99 DI,DN N8,PA8H 8DJJOCN 9C,ID DA,NC OI,9D

D4IH, 8APP88N 8O,OC 9J,9C AP,DI

849H, 8NJ9DDD 8N,OO 9N,D9 AN,P9

84IH. 8A8D8I9 8I,DA DJ,99 8NN,DJ

)omo se puede observar los errores pueden ser bastante considerables algunos llegan a sercasi del 9CC[, hay que tener en cuenta la primera suposicin que se hizo flujo turbulento

totalmente desarrollado, tambi'n hay que tomar en cuenta las siguientes indicaciones

o El factor ms influyente es el estado de los equipos de laboratorio, cuya vida (til

aparentemente expir, y solo representa un modelo a nivel terico, ya que al tomar

datos prcticos de 'l, resulta contradictorio y confuso.

o En el desarrollo de la experiencia, el proceso de estabilizacin y arranque adecuado

del equipo resulto ms tedioso que la realizacin misma de la experiencia.

o Las (ltimas dos lecturas, el n(mero de -usselt que se tomar ser el -u y no el

-uB, debido a que no cumple con el intervalo de 7e.

/ partir de los datos experimentales, se construyen grficas de h vs. 7e, -u4


12/19


Junio de 2015.

1500.00 2000.00 2500.00 3000.00 3500.00 4000.00 4500.00

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

1200.00

1400.00

1600.00

1800.00

2000.00

f(x) = 0.12x + 1375.89

Coeficiente convectivo hi en funcin de Re

Re

hi (w/m2C)


13/19


Junio de 2015.

1500.00 2000.00 2500.00 3000.00 3500.00 4000.00 4500.00

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

f(x) = 0x + 2.39

Grfico de Nu/Pr1/3 vs Re

Re

Nu / Pr1/3

1500.00 2000.00 2500.00 3000.00 3500.00 4000.00 4500.00

0200000

400000

600000

800000

1000000

1200000

1400000

1600000

1800000

Grfico de Gr vs Re

Re

Gr


14/19


Junio de 2015.

)on base en las construcciones grficas anteriores, a partir de regresin por mnimos

cuadrados, se han encontrado las siguientes expresiones matemticas para el clculo de h i

para conveccin forzada

hi *++,- . +-/,*0 (+)

*onde hiest en \4m9S), o bien

Nu

Pr1 /3

=0,0036+2,393(2)

*e manera, que de la expresin +9 se consigue

h=(k

D ) (0,0036+2,393 ) Pr

1/3

C23)u3' (e3 es=es'# (e 3" =e38)u3"

$inalmente, se indican a continuacin los espesores de pelcula para las corridas realizadas

en conveccin forzada, teniendo en cuenta que

h !1 %;/

*onde % es la conductividad t'rmica del fluido, h el coeficiente individual de transferencia

de calor y el espesor de pelcula.


15/19


Junio de 2015.

-8.50 -8.00 -7.50 -7.00 -6.50 -6.00 -5.50 -5.00

6.000

6.500

7.000

7.500

8.000

8.500

Grafico nRe vs n!

n !

n Re

CONVECCIN LIBRE

D"&'s

A7u" F#8" Te. Su=e#5*)*"3 C'!(. A7. (e e!5.

A3&. Ve#&e(e#' T%e!& C/ T1s"3 C/T"C/ T


16/19


Junio de 2015.

!uponiendo la densidad del agua de enfriamiento constante a la temperatura promedia de

entrada determinamos el flujo msico +QR 9JS) 3 PPN Fg4mD

..

v*m=E).%%

*onde

.

ves el caudal de agua de enfriamiento +se utiliza

.

vpara evitar la confusin al

realizar el clculo del calor simbolizado por la letra 6. /hora suponiendo un calor

especfico constante para el agua +)p R 9JS) 3 I8OJ U4Fg%, tenemos que el calor ganado

por el agua de enfriamiento es

)TT(CmQ 13p

.

= E).%

!e procede a realizar el balance de calor en la cmara. El flujo de calor viene dado por la

expresin

))TT(Ch(mQ p!omvpf "v.

+=E).%1

*onde mves el flujo de vapor +mv 3con

.

vBQ, hfges el calor latente de vaporizacin +h fg R

s/ Q/ )'!K7>s/ T*=#'C/ Ts=#'C/ D*5 T (" Q)'!(/ J Pe#(*QC C,C8CD 988O,DO N,CAE5CI A9,A JJ,9A DA,OA 8IJD,II 9

D4J] C,CCO8 8A8C,9P O,8PE5CI AD,A P8 DO,A 8ONC,DA 8

D4I] C,CCID 8C8N,8P D,9OE5CI AN PD DO OPJ,NO 9

!e agrega una columna que muestra la cantidad de calor que se pierde hacia los

alrededores y que realmente no es transferido al agua por parte del vapor, como se puede


17/19


Junio de 2015.

apreciar es un porcentaje considerable cercano al DC[ en algunos casos lo cual demuestra

el mal estado en que se encuentra el equipo.

)onsideraciones durante la experiencia

5 !e mantiene la temperatura superficial aproximadamente constante.

5 Las temperaturas 0m,iy 0m,o se consideran ubicadas en L 3 C y L 3 9I in, midiendo L

desde el extremo inferior del tubo.

5 )onsideraciones de flujo estacionario logradas en el laboratorio.

5 !e consideran despreciables los cambios de energa cin'tica y potencial del fluido, as

como la transferencia de calor en la direccin axial.

%. De&e#*!")*+! (e " ="#&*# (e 3's ("&'s e=8#*)'s

Los coeficientes individuales de transferencia de calor por conveccin se hallan por las

siguientes expresiones

m

iTA

Qh

=

25.03

fg2

0TL

kh81.9943.0h

=

)omo se efectu para el caso de conveccin forzada.

El coeficiente global de transferencia de calor >, viene dado por

0i

0i

hh

hhU

+=

Los resultados son los siguientes

A3&. Ve#&e(e#' * >C/ ' >C/ U>C/

C 8PNO,NJ DPOA,I9 8D8N,98

D4J] 8DDJ,C9 DPJJ,ID 8CC8,PC

D4I] P89,II I8CC,JP OIN,DJ

. C23)u3' (e 3's ="#2e's "(*e!s*'!"3es


18/19


Junio de 2015.

En la tabla que viene a continuacin se resumen los n(meros de -usselt, Grashof y


19/19


Junio de 2015.

400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00 1400.00

0.00

500.00

1000.00

1500.00

2000.00

2500.00

f(x) = 1.4x + 125.53

R = 1

Grfco hi vs Re

Re

hi (w/m2C)

CONCLUSIONES

Documents

Lab TRANFER Convecc Libre y Forzada