U.P.T.C. Facultad Seccional Duitama Escuela de Ingeniería Electromecánica
Formación básica profesional. Área complementaria técnica Térmicas II 54020909-02
PRACTICA DE LABORATORIO 2 CONVECCION
INTRODUCCION
La transferencia de calor por convección es responsable de muchos procesos que tienen que ver con la ingeniería, se manifiesta en fenómenos en los cuales se aumenta la temperatura de un sólido y este cede calor a sus alrededores. Mediante el principio de la transferencia de calor por convección, funcionan muchos sistemas termodinámicos, estos pueden ser, sistemas de aire acondicionado, sistemas de refrigeración de transformadores eléctricos y enfriamiento de dispositivos electrónicos, entre otros. El mecanismo de transferencia de calor por convección es un proceso complejo, la descripción matemática del fenómeno involucra ecuaciones diferenciales parciales, que deben ser resueltas por métodos numéricos, como el método de integración de Runge-Kutta o la iteración, entre otros. El análisis experimental, ayudado del análisis dimensional facilitan la comprensión de dicho fenómeno, pudiéndose llegar a la obtención de ecuaciones descriptivas cuya resolución es menos compleja que las soluciones propuestas para los métodos diferenciales. 1. OBJETIVOS
Realizar el balance de energía y determinar sus pérdidas.
Determinar los coeficientes de película teóricos para el agua y para el vapor.
Comparar los coeficientes de película obtenidos en el laboratorio con los dados por la literatura.
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Determinar los coeficientes de película prácticos para el agua y el vapor.
Representar gráficamente él log( Nu) vs log(Gr )( Pr ) y desarrollar una ecuación aproximada mediante una técnica de ajuste.
2. GENERALIDADES
2.1 CONVECCIÓN La convección es un proceso de transporte de energía por acción combinada de conducción de calor, almacenamiento de energía y movimiento de masa por diferencia de densidades. La transferencia de energía por convección entre un fluido y una superficie, (considerando que poseen diferencias de temperatura) se realiza en varias etapas, como sigue: 1. El calor fluye por conducción desde las superficies de las partículas adyacentes al fluido. 2. La energía transferida aumenta la temperatura y la energía interna de las partículas del fluido. 3. Los cambios de energía provocan el movimiento de las partículas de fluido hacia una región con temperatura más baja donde se mezclan y transfieren una parte de su energía a otras partículas del fluido, produciéndose un flujo de fluido y de energía. Normalmente la energía es almacenada en las partículas del fluido y se transporta como resultado del movimiento de la masa. La transferencia de calor por convección se clasifica de acuerdo con la forma de inducir el flujo, considerándose:
Convección libre.
Convección forzada.
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2.2 CONVECCIÓN LIBRE Generalmente se le conoce como convección natural. En ésta el fluido se mueve a causa de la diferencia de densidades producida por los gradientes de temperatura; las porciones más densas del fluido descienden, por acción de la gravedad, mientras las menos densas permanecen suspendidas. La convección libre es el mecanismo dominante del flujo de calor, en radiadores de vapor, la perdida de calor del cuerpo humano en reposo en una atmósfera tranquila. Es también responsable de las pérdidas de calor en tubos que conducen vapor u otros fluidos calientes. 2.3 CONVECCIÓN FORZADA La convección forzada se presenta cuando se efectúa trabajo para impulsar o bombear un fluido. Para el análisis de la convección forzada se debe tener en cuenta la manera en que fluye el fluido, es decir se debe determinar si el flujo es laminar o turbulento. 2.7 REQUISITOS PRELIMINARES
Consulte acerca de ajuste de curvas por mínimos cuadrados y teoría de errores.
2.8 PRECAUCIONES
Utilice ropas adecuadas para el laboratorio.
Identifique el equipo de convección, las partes sobre las cuales se van a realizar las mediciones, al igual que las superficies que puedan calentarse.
Evite tocar las superficies calientes.
Cualquier irregularidad comuníquela al profesor encargado de la asignatura o al dependiente del laboratorio.
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2.9 AUTOEXAMEN Explique o deduzca, según el caso: a. Diferencia
entre convección libre y forzada para aire, con ejemplos personales explique
los dos procesos de transmisión de calor. b.
Coeficientes de transmisión de calor por convección.
Indique, según su concepto, el significado físico y la influencia de dichos coeficientes. c. Escriba formulas empíricas para la convección libre en una placa vertical. d. Importancia del número de Grashof en convección libre. ¿Qué representa este número? e. El número de Reynolds en procesos de convección natural y forzada. Limites escogidos. f. Por
medio del análisis dimensional deduzca la fórmula para convección libre desde una
placa vertical calentada. g. Deducción del coeficiente medio de transmisión de calor en convección forzada. j. Significado k.
del número de Reynolds y el número de Prandtl en la convección forzada.
Influencia del tipo de flujo (laminar o turbulento) en el calor transmitido por convección
forzada. l. Convección forzada sobre placas planas y en superficies cilíndricas. m.
Condiciones bajo las cuales se considera un flujo laminar o turbulento.
n. Relacionar
entre los números de Reynolds, Prandtl y Nusselt para las dos clases de flujo.
Significado de estos números. 3. MATERIALES Y EQUIPOS
Figura 1. Equipo de convección.
Localización: Laboratorio de Transferencia de calor Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá.
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Tabla 2. Equipos. Cantidad
Elemento
1 1 1 1
Equipo de convección Termómetro digital Termómetro Cronómetro
Cantidad
Elemento
1 1
Recipiente para condensado Probeta graduada
Tabla 3. Materiales.
4. PROCEDIMIENTO
4.1 CONVECCION LIBRE 1. Conecte el equipo solo la parte electrónica, luego proceda a conectar la resistencia de calentamiento. 2. Luego de que pasen 8 minutos, tome con la termocupla el valor de la temperatura en la parte superior de la placa metálica. 3. Después de esos 8 minutos y durante cada minuto tome el valor de las temperaturas indicadas en la pantalla, en la tabla 4.
4.2 CONVECCION FORZADA 1. Conecte el equipo solo la parte electrónica, luego proceda a conectar la resistencia de calentamiento. 2. Luego de que pasen 8 minutos, conecte el ventilador de la parte inferior, tome la velocidad del mismo en el ducto y tome con la termocupla el valor de la temperatura en la parte superior de la placa metálica. 3. Después de esos 8 minutos y durante cada minuto tome el valor de las temperaturas indicadas en la pantalla, en la tabla 5. 139
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5. TOMA DE DATOS
Tabla 4. Convección libre. PRUEBA N°
T1 °C
T2 °C
T3 °C
T4 °C
T5 °C
TIEMPO MINUTOS
1
.
.
.
.
.
8
2
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.
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9
3
.
.
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10
4
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11
5
.
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.
.
12
Tabla 5. Convección forzada.
VELOCIDAD PIES/MIN
PRUEBA N°
T1 °C
T3 °C
T4 °C
T5 °C
TIEMPO MINUTOS
1
.
.
.
.
.
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2
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3
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4
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5
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6. CARACTERISTICAS A OBTENER
6.1 CONVECCIÓN LIBRE 1. Calcule el coeficiente de transferencia de calor por convección para el sistema estudiado. 2. Calcule
el coeficiente de transferencia de calor por radiación.
3. Determine el coeficiente total de transmisión de calor.
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4. R epresente
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gráficamente el experimento (relación del número de Nusselt vs GrPr).
Derive una ecuación matemática para la curva encontrada. 6.2 CONVECCIÓN FORZADA 1. Haga los mismos cálculos pedidos en los numerales a,b,c, de la práctica anterior. 2. determine los números de U y Re.
7. CUESTIONARIO
1. ¿Cuál es la diferencia entre el número de Reynolds para convección libre y convección forzada? 2. ¿Deduzca el coeficiente medio de transmisión de calor en convección forzada? NOTA Cualquier duda se puede consultar el libro Transferencia de Calor de Yunus Cengel, en su capítulo correspondiente a convección forzada y natural.
BIBLIOGRAFIA
CHAPMAN, Alanj. Transmisión del calor. 3ª ed . Madrid: Librería Editorial Bellisco. 1990. GOODING, Néstor. Manual de prácticas operaciones unitarias II. 1 ed . Universidad Nacional de Colombia. 1998. 138p. KERN, Donald. Procesos de transferencia de calor. 14 ed. Editorial continental. 1980. KREITH, Franck. Principios de transferencia de calor. 1 ed . México. Herrera hermanos, sucesores S.A, 1970. MILLS, Anthony F. Transferencia de calor. Mexico: McGraw-Hill/Irwin, 1999. 932p. 141
