Universidad Tecnológica de Panamá Facultad de Ingeniería Eléctrica Ingeniería Electromecánica
Laboratorio de Transferencia de Calor Gruo !"IE"!#! $%&
Informe ' ( )Convección for*ada sobre una laca lana vertical con aletas de sección transversal circular $esigas& sometida a un +u,o de calor constante-
Candanedo. /ulio !1#2 Lee. /uan 3#4
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5avarro. 6icente !701
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Introducción La conv convec ecci ción ón es una una de las las tres tres form formas as de transf transfer erenc encia ia de calor calor y y se cara caract cter eriz iza a porq porque ue se prod produc uce e por por medi medio o de un uido (líqu (líquido ido o gas) gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. temperaturas. La convección se prod produc uce e única únicame ment nte e por por medi medio o de mate materi rial ales es,, la evap evapor orac ació ión n del del agua agua o uidos. uidos. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio del movimiento del uido, por ejemplo al trasegar el uido por medio de !om!as o al calentar agua en una cacerola, la que est" en contacto con la parte de a!ajo de la cacerola se mueve #acia arri!a, mientras que el agua que est" en la super$cie, desciende, ocupando el lugar que dejó la caliente. La transferencia de calor es el paso de energía t%rmica desde t%rmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro otro de meno menorr temp temper erat atura ura.. &uan &uando do un cuerp cuerpo, o, por por ejemplo, un o!jeto sólido o un uido, est" a una temperatura diferente de la de su ento entorn rno o u otro otro cuer cuerpo po,, la tran transf sfer eren enci cia a de ener energí gía a t%rm t%rmic ica, a, tam! tam!i% i%n n conocida conocida como transferencia transferencia de calor o interc intercam! am!io io de calor, calor, ocurr ocurre e de tal manera que el cuerpo y su entorno alcance ncen equ equil ili!r i!rio io t%r t%rmic mico o . La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo m"s caliente a uno m"s frío, como resultado del segundo principio de la termodin"mica . &uando e'iste una diferencia de temperatura entre dos o!jetos en pro'imidad uno del otro, la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede #acerse m "s lenta. Las aletas aumentan la transferencia de calor de los enfriadores de aire. Las aletas aletas se utiliz utilizan an en todos todos los enfria enfriador dores es de aire, aire, refri refriger gerado adores res en seco, seco, evaporadores y condensadores para transferir energía desde un medio líquido o refrigerante principal al aire aunque, en determinadas situaciones, el aire puede estar tan sucio que e'ista un riesgo de !loqueo. Las aletas constan de placas de metal delgadas, con un espesor de ,*+,- mm, que se encuentran $jadas a un enfriador de aire, refrigerador en seco, evaporador o condensador.
ormalmente, las aletas est"n #ec#as de aluminio, material que tiene una !uena conductividad t%rmica. La transferencia de calor entre el metal y el aire resulta menos e$caz que desde el líquido al metal, por lo que se utilizan las aletas para aumentar la super$cie glo!al y compensar así el menor rendimiento metal/aire.
%nálisis : ;esultados T% !1 m3?@ 9T"! 3!B1 00
9T"4 0-.1-
9T"3 02.01 -
9T"# 03.0 -
9T"7 02.3+ 4
9T"A 00.55
9T"2 +-. 5
9T"0 3-.++ 5
9C"! *.2 1
9="! +.3+ *
9T"0 30.*3
9C"! *3.5+ 5
9="! +.51 1
T% !7 m3?@ 9T"! 4(B4 47
9T"4 0+.32 +
9T"3 0-.12
9T"# 0*.32
9T"7 0-.1 5
9T"A 0*.-0 -
9T"2 +0.40
6Las medidas tomadas y ta!uladas corresponden a temperaturas y todas est"n graduadas en 78&9
3
:ara &audal
¿ 10 m / h
m
3
1.18996 kg / ¿
¿ kg∗ K
1005 J / ¿ ( 31.088− 25.009)
¿
3
(10 m / h )¿ Eff =¿ =¿ Eff =100.97
3
:ara &audal
¿ 15 m / h
kg∗ K 1.005 kJ / ¿ ( 29.225 −23.653 )
¿
( 15 m / h ) ( 1.20 kg )( 3
3
m Eff = ¿
1h 3600 s
)¿
Eff =140
6;sto sugiere que e'iste un error en la ecuación planteada para el c"lculo de la e$ciencia, podemos mencionar que se puede optar por intentar llegar a la respuesta mediante diferencias de entalpías para #allar u n valor preciso.
´ aire =10 m / h m 3
Para
q sin Aletas= ¿
4.4+35 =
q Aleta =√ hpk hpk Ac ( T S−T ∞ ) tanh m L c =0.000877
√
2
¿ (11.14 ) ( 0.0257 )
LC = L +
A C P
( 0.01 ) π
=0.135 +
4
( 0.0314 ) ( 1.044 )
0.0000785 0.0314
( (√ tanh
( 11.14 ) ( 0.0000785 ) ( 0.1375 ) ( 0.01 ) π ( 0.0257 ) 2
4
=0.1375
p= dπ = π ( 0.01 )=0.0314
m=
√
hp = kAc
√
( 11.14 ) (0.0314 ) =416.4 ( 0.0257 ) ( 0.0000785 )
qideal = h A ALETA ALETA ( T S −T ∞ )=( 11.14 ) ( 0.0000785 ) ( 1.044 ) =0.000913
n=
ε=
q Aleta q ideal
=0.96
A librede aletas + n Aaletas
ε =0.995
Asin aletas
=
(
2
0.01−
( 0.01 ) π ( 17 ) 4
)(
+ 0.96 )
0.01
2
(0.01 ) π ( 17 ) 4
)
´ aire =15 m / h m 3
Para
hpk A c ( T S −T ∞ ) tanh m Lc q Aleta √ hpk n= = = q ideal h A ALETA T T − ( ) ALETA S ∞
n=
ε=
0.00088 0.000916
2
(0.01) π ( 11.14 ) ( 0.0257 ) ( 0.0314 ) ( 1.047 ) tanh 4
Asin aletas
=
(
2
0.01−
( 0.01 ) π ( 17 ) 4
(√
( 11.14 ) ( 0.0000785 ( ) ( 0.0257 ) 0.01 π
( 0.0000785 ) ( 11.14 ) (1.047 )
= 0.96
A librede aletas + n Aaletas
ε =0.995
√
@ !!B!#
)(
+ 0.96 )
0.01
2
(0.01 ) π ( 17 ) 4
2
4
Preguntas !B Comar Comaré é la eDciencia eDciencia de este intercamb intercambiado iadorr $ & con la eDci eDcien enci cia a del del inte interc rcam ambi biad ador or de lac laca a lan lana a : con con la eDciencia de intercambiador de laca lana con suerDcies alargadas de sección transversal rectangular. tanto ara el caso de convección for*ada cuando el +u,o es de !1 m3?@ como ara el caso cuando es de !7 m3?@B Cuál es el más eDciente Por Hué lo es ;s m"s e$ciente el intercam!iador con super$cies alargadas de sección transversal rectangular, ya que disipa calor a una tasa m"s alta que la placa plana. >gualmente para am!os casos de am!as intercam!iadores, se encuentra que es m"s e$ciente tam!i%n para el ujo de *-. ;sto se de!e a que las super$cies alargadas aumentan el "rea de contacto que se somete a convección y el ujo de *- remueve el calor m"s r"pido ya que #ace que pase mas aire alrededor del intercam!iador en un determinado periodo de tiempo.
4B Comaré la eDciencia de la aleta $ & de secció ción transversal rectangular con la aleta de sección transversal circular. circular. tanto ara el caso de convección for*ada cuando el +u,o es de !1 m3?@ como ara el caso cuando es de !7 m3?@B ué aleta es la más eDciente Por Hué lo es uevamente, siempre ser" m"s e$ciente en el ujo de *-, ya que se remueve m"s calor en la misma cantidad de tiempo al compararlo con el ujo de *. ? para las aletas, las de sección transversal rectangular disipan m"s calor que las de sección circular ya que tienen mas "rea de contacto con el uido que provoca convección y tam!i%n el coe$ciente de convección de las espigas es menor que el de las aletas de sección rectangular. rectangular.
3B Comar Comaré é la efectivid efectividad ad total total $ . & de la suerDcie con esigas con la efectividad total de la suerDcie con aletas de sección transversal rectangular. tanto ara el caso de convección for*ada cuando el +u,o es de !1 m3?@ como ara el caso cuando es de !7 m3?@B ué suerDcie con aletas es la más efectiva Por Hué lo es
Las aletas de sección rectangular son m"s efectivas para el caso del ujo de *ya que se remueve m"s calor por la velocidad del uido y que el "rea en contacto sometido a transferencia de calor por convección es mayor en las aletas de sección rectangular comparada a las espigas.
Conclusión •
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@nalizamos y o!servamos super$cies alargadas, tuvimos la oportunidad de comparar con resultados o!tenidos en la!oratorios pasados que clase de geometría conviene m"s al momento de transferir calor por convección utilizando super$cies alargadas. ;n esta e'periencia estimamos la efectividad y la e$ciencia de los intercam!iadores intercam!iadores de calor con super$cies alargadas de sección transversal circular Aediante un proceso e'perimental o!tuvimos mediciones de temperatura para darle seguimiento a dos diferentes ujos volum%tricos de aire y comparar la transferencia de calor por convección entre el aire y un intercam!iad in tercam!iador or con super$cies alargadas. Llegamos a la conclusión que si nuestro o!jetivo es remover calor m"s r"pido, conviene el uso de super$cies alargadas de sección rectangular y que en cualquier caso, es muc#o mejor la presencia de super$cies alargadas en lugar de placas planas.
