CONVECCIÓN FORZADA Gerlin Blanco 1, Cristian Esguerra 1, Jesús Frias1, Estefanny Góngora1, Keiner Martinez1, Mayra Pájaro1, Ramiro Rodriguez 1, Adalberto Matute 2 1
Estudiantes VII Semestre Ingeniería Química 2 Docente Universidad de Cartagena
Ingeniería Química - Universidad de Cartagena Laboratorio de Operaciones Unitarias I
RESUMEN Durante la pasada experiencia de laboratorio se procedió a realizar la práctica de transferencia de calor referente a convección forzada en la cual se hizo calentar una placa plana a la cual su temperatura era monitoreada por un termómetro mientras se trataba de disipar el calor generado en la placa por un ventilador, además se tomaron mediciones de como variaba la temperatura en los alrededores de la placa. Se realizaron cálculos necesarios para la demostración de los principios fundamentales, tales como los mecanismos de transmisión de calor, específicamente la convección forzada
P alabras labras c laves laves : Transferencia de calor, convección, disipar calor.
ABSTRACT During the past experience of the laboratory we proceeded to do the practice of Transfer about heat forced convection which a flat plate was heated which is monitored period by a thermometer t hermometer while while trying to dissipate the heat generated in the plate fan, further measurements were taken varied as the temperature around the plate. We performed calculations required for the demonstration of the fundamental principles, such as heat transfer mechanisms, specifically forced convection.
Keywords: Heat transfer, convection, dissipate heat.
INTRODUCCIÓN La transferencia de calor que existe entre un cuerpo y su entorno se conoce como el fenómeno de convección, si el entorno es modificado para acelerar el proceso de intercambio de calor se conoce entonces como convección forzada, en la industria este proceso es utilizado a menudo para controlar La temperatura de ciertos equipos, y convencionalmente este proceso se utiliza para conservación de alimentos que usualmente dejarían de ser comestibles si sobrepasan cierta temperatura. A continuación se estudiara como se da la transferencia de calor entre una serie de arreglos de placas en un entorno donde se controla la velocidad del viento el cual se utilizara como fluido para enfriar dichas placas además de analizar como el uso de equipos de refrigeración ayuda a tener procesos más eficientes y controlados. La eficiencia o precisión con la que se da el proceso de forma real, así como las desviaciones que presenta, respecto a cómo se da de forma ideal y tomar decisiones para que este se dé de una forma más satisfactoria.
Determinar el flujo de calor disipado por la placa en función de la variación de velocidad del aire. Analizar la variación de la transferencia de calor en diferentes regímenes de flujo convectivo.
MARCO TEÓRICO La convección externa forzada es aquel mecanismo de transferencia de calor entre una superficie un fluido con movimiento que fluye alrededor de la misma, el cual es forzado a circular a través de esta por algún equipo donde se hace variar la presión del fluido de trabajo. la transición de flujo laminar hacia turbulento depende de la configuración geométrica de la superficie, de su aspereza, de la velocidad corriente arriba, de la temperatura de superficie y del tipo de fluido, entre otras cosas, y se le caracteriza de la mejor manera por el numero de Reynolds. El numero de Reynolds varia para una placa plana a lo largo del flujo hasta llegar a ReL = VL/ V al final de la misma.
METODOLOGÍA OBJETIVOS General Comprobar experimentalmente la relevancia del aporte convectivo forzado en la transferencia de calor en un medio tipo placa plana.
Específicos
Inicialmente mediremos la longitud de la placa, luego encenderemos las resistencias, manteniendo así la temperatura constante en la superficie, Posteriormente se enciende el ventilador, para finalmente tomar los datos de la temperatura en diferentes puntos del sistema, así como también la temperatura de la placa. Repetiremos este procedimiento para estructuras cilíndricas
y aletas rectangulares. Además, se variará la velocidad de ventilador en casa procedimiento.
Tabla 1. Datos experimentales de temperaturas.
Los datos obtenidos de la temperatura de película están consignados en la tabla (2) y dados por la siguiente expresión:
DATOS Y CÁLCULOS En la tabla 1, se encuentran consignados los datos de temperatura tomados experimentalmente en el laboratorio para múltiples velocidades. velocidades.
=
+ 2 ó (4)
Velo T (s) T1 cida (°C) d (m/s )
T2 (°C)
0,71
1,65
3,07
T3 (°C)
T4 (°C) Velocidad Tiempo Tf (°C) (m/s) (s)
0
23,7
47,6
30,7
26,9
120
24,3
51,8
31,1
360
24,9
53,8
480
25,4
600
0,71
0
35,65
27,3
120
38,05
31,6
27,5
360
39,35
56,1
31,9
27,9
480
40,75
25,5
58,2
31,9
27,8
600
41,85
0
25,9
61,1
32,3
27,7
0
43,5
120
26,3
64,5
32,6
28
120
45,4
360
27
68,1
33,2
28,5
360
47,55
480
27,7
70,9
33,7
28,9
480
49,3
600
28,1
70,4
33,8
28,9
600
49,25
0
28,2
69,5
34,1
28,9
0
48,85
120
28,6
67,6
34
29,1
120
48,1
360
28,8
66,6
34,1
29,1
360
47,7
480
28,9
67,9
34,3
29,1
480
48,4
600
29,2
70,7
34,5
29,3
600
49,95
1,65
3,07
Tabla 2. Temperatura de película.
En la siguiente tabla se muestran las propiedades termodinámicas y físicas del aire a las temperaturas de películas calculadas μ(N s/m2)
3)
Cp(J/ Kg K)
1,1426
1,007
1,898E-05
ρ(Kg/m
K(W/m Pr K)
0,0263
Mientras que todo el calor de la placa es disipado por el aire por convección entonces: [ ] = ℎ ( − ) ó (6)
Igualando las ecuaciones obtenemos y despejando h tenemos que
0,726
ℎ=
1,1340
1,007
1,909E-05
0,0264
0,726
1,1293
1,007
1,915E-05
0,0265
0,725
1,1243
1,007
1,9215E-05
0,0266
0,725
( − ) ó (7)
Para el sistema estudiado: V=8,96Voltios R=68.6Ω Ac=0.00975m2
1,1203
1,007
1,9265E-05
0,0267
0,724
1,1144
1,007
1,9341E-05
0,0268
0,724
1,1076
1,007
1,9428E-05
0,0270
0,723
1,1003
1,007
1,9522E-05
0,0271
0,723
1,0943
1,007
1,9599E-05
0,0272
0,7229
1,0945
1,007
1,9597E-05
0,0272
0,7229
1,0959
1,007
1,9579E-05
0,0272
1,0984
1,007
1,9546E-05
1,0998
1,007
1,0974 1,0921
Velocidad Tiempo (m/s) (s)
hexp
0,71
0
5,02214661
0,7231
120
4,36470196
0,0272
0,7232
360
4,15326311
1,9529E-05
0,0271
0,7234
480
3,90974931
1,007
1,956E-05
0,0272
0,7232
600
3,67062091
1,007
1,9628E-05
0,2734
0,7228
0
3,40992341
120
3,14212837
360
2,92042102
480
2,77845611
600
2,83757219
0
2,90627854
120
3,07767446
1,65
Tabla 3. Propiedades termo físicas del aire medidas a la temperatura de película.
El flujo de calor (q) que disipa la placa esta expresado por: [ ] =
ó (5)
Donde V es el voltaje y R la resistencia del calentador
3,07
360
3,17537841
480
3,07767446
600
2,89227238
Tabla 4. Coeficiente de trasferencia de calor por convección experimental.
Los números adimensionales de Nusselt y Reynolds se pueden calcular con las ecuaciones (1) y (3). Estos cálculos se muestran en la siguiente tabla (5).
Velocid ad (m/s)
t (s)
Nu
0,71
0
19,0969
4274,461
120
16,4856
4217,60
360
15,6302
4187,087
480
14,6567
4154,430
Velocidad (m/s)
Nu
Re
0,71
15,91761
4192,5025
1,65
11,12720
9328,6448
3,07
11,10519
17206,707
Tabla 6. Promedio de los números de nusselt y reynolds para las 7 velocidades.
Re Planteando una correlación que relacione 3 números adimensionales de la siguiente forma = . ó (8)
De la tabla 3 podemos notar que el valor de Pr siempre se encuentra cerca de 0.704. = 0.88 0.881 1
1,65
3,07
600
13,7184
4128,924
0
12,6861
9507,057
120
11,6293
9407,265
360
10,7472
9299,897
480
10,1776
9213,268
600
10,3955
9215,73
0
10,6585
17183,58
120
11,3094
360
Para linealizar la anterior expresión aplicamos logaritmo natural a ambos miembros, aplicamos las propiedades de los logaritmos y obtenemos la siguiente expresión: ( ( )) = −0.1 0.126 + ln( ) + l n( n() ) ó (9)
Velocidad Ln Nusselt (m/s)
Ln Re
17252,65
0,71
2,767426435
8,3410531
11,6808
17289,57
1,65
2,409392661
9,140845031
480
11,3005
17224,99
3,07
2,407413383
9,753054556
600
10,5765
17082,71
Tabla 5. Numero de nusselt y reynolds.
Tabla 7. Logaritmo natural del número de nusselt y reynolds para las 7 velocidades.
Ln Nu vs Ln Rey = -0.2646x + 4.93 R² = 0.8168 2.8 2.75 2.7 2.65 2.6 u N2.55 n L 2.5 2.45 2.4 2.35 2.3 8
8.5
9
9.5
10
Ln Re
G ráfico 1. Ln (NU) VS Ln (RE)
De la ecuación de la recta tenemos que m es igual a -3.0873 y que C es igual a
temperatura ambiente a la entrada del aire y temperaturas mayores en cercanías a la placa, este fenómeno es el esperado debido a que la placa le transmitirá energía al fluido en convección aumentando su temperatura. Los resultados obtenidos en el cálculo del número Nusselt nos muestran que a pesar de que la variación de velocidades y temperaturas no fue mucha es posible observar que la relación en la tendencia de los datos es directa con respecto al número de Reynolds el cual se sabe es proporcional a la velocidad, los valores calculados se acercaron bastante a los valores reales por tanto podemos concluir que se hizo una buena práctica.
−0.1 −0.126 26 + ln( ln( ) = 4,9 4,93
C = 156,96
CONCLUSIONES A partir de la experiencia experiencia realizada se puede concluir que:
ANÁLISIS DE RESULTADOS De los resultados obtenidos se puede resaltar que, un sistema de convección libre es muy importante debido a sus aplicabilidades a nivel industrial. Para un sistema en convección forzada se debe tener en cuenta varios parámetros como lo son la geometría del sistema de contacto, el material, la velocidad del fluido de transferencia y sus respectivas temperatura t emperaturas. s. Para el sistema se tomaron datos temperaturas para tres distancias flujo de aire y la temperatura de placa para tres velocidades distintas aire.
de de la de
Los resultados para cada una de las velocidades y temperaturas muestran un perfil bastante parecido, hay
A pesar de que las variaciones de temperatura sean de cierto modo imperceptibles habrá un cambio en las velocidades de trasferencia de calor. A mayor velocidad del fluido mayor será la transferencia de calor. La viscosidad del fluido puede asumirse constante para facilitar los estudios en sistemas con poca variación. Los datos obtenidos experimentalmente fueron consecuentes con los datos obtenidos teóricamente. teóricamente.
REFERENCIAS
CENGEL, YANUS, A; (2007). “transferencia de calor”.3 ed. McGraw-Hill
Incropera P. Frank. DeWitt P. David.(2001)”Fundamentos de transferencia de calor” .cuarta edición. Purdue university. university.
