UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingenierías fisicomecánicas- Escuela de Ingeniería Mecánica Enero 24, 2012, Bucaramanga, Santander, COLOMBIA
LABORATORIO DE SISTEMAS TERMICOS. LABORATORIO DE CONVECCIÓN.
Andrés Mauricio Niño Avendaño.
Niní del Mar cortes.
Cód.: 2073588 Bucaramanga, Santander, Colombia.
Cod:2073726 Bucaramanga, Santander, Colombia.
Dairo Alvarez León.
Jessica nieto.
Cód.: 2073075 Bucaramanga, Santander, Colombia.
Cod:2053024 Bucaramanga, Santander, Colombia.
John Jairo Bueno.
Rafael Andrés Figueroa.
Cód.: 2061488 Bucaramanga, Santander, Colombia.
Cod:2073585 Bucaramanga, Santander, Colombia.
ventilador que impulse el fluido sobre la
INTRODUCCION Cuando un fluido en movimiento pasa sobre un cuerpo sólido ó fluye dentro de un canal y si las temperaturas del fluido y del sólido o del canal son diferentes, habrá transferencia de calor entre el fluido y la superficie sólida debido al movimiento relativo entre el fluido y la superficie, a este mecanismo de transferencia de calor se da el nombre de Convección, que implica los efectos combinados de la conducción en la primera capa de fluido y del movimiento del fluido. Se dice que la transferencia de calor es por Convección Forzada si el movimiento es inducido artificialmente, digamos con una bomba ó un
superficie; y que la transferencia de calor es por Convección Libre (o Natural), si el movimiento del fluido es ocasionado por fuerzas de empuje debidas a diferencias de densidad causadas por diferencias de temperaturas en el fluido El objetivo principal de esta práctica de laboratorio fue observar la veracidad de las leyes de nuestro curso de transferencia de calor, en este caso, para los fenómenos de convección forzada y natural, comparando sus resultados con los datos medidos experimentalmente, determinando así la aproximación de las correlaciones empíricas.
LABORATORIO DE SISTEMAS TERMICOS I PRACTICA No.6 CONVECCION
OBJETIVOS
La transferencia de calor por convección depende
Calcular los coeficientes de transferencia
de las propiedades del fluido, de la superficie en
de calor por convección para los
contacto con el fluido y del tipo de flujo. Entre las
fenómenos presentes en el banco.
propiedades del fluido se encuentran: la
Medir la temperatura de salida del agua
viscosidad dinámica m, la conductividad térmica
líquida que circula por el tubo de cobre
k, la densidad r. También se podría considerar que
tanto teórica como experimentalmente.
depende de la viscosidad cinemática n, puesto que
Hallar el valor de la temperatura
n = m /r . Entre las propiedades de la superficie
superficial del tubo de acrílico y
que intervienen en la convección están la
compararla con el valor tomado en cada
geometría y la aspereza. El tipo de flujo, laminar o
toma de datos.
turbulento, también influye en la velocidad de
.MARCO TEÓRICO En la transferencia de calor libre o natural un fluido es más caliente o más frío y en contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido. La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:
transferencia de calor por convección. NÚMEROS ADIMENSIONALES - En el análisis de la convección es práctica común quitar las dimensiones a las expresiones físico-matemáticas que modelan el mecanismo y agrupar las variables, dando lugar a los números adimensionales. En convección se emplean los siguientes números adimensionales: - NÚMERO DE NUSSELT (Nu).- Representa la relación que existe entre el calor transferido por convección a través del fluido y el que se transferiría si sólo existiese conducción.
Donde h es el coeficiente de convección (ó coeficiente de película), As es el área del cuerpo en contacto con el fluido, Ts es la temperatura en la superficie del cuerpo y es la temperatura del fluido lejos del cuerpo. La convección forzada se clasifica a su vez en
-
externa e interna dependiendo de si el flujo de
característica.
fluido es inteno o externo. El flujo de un fluido se
- Cuanto mayor es el número de Nusselt más
clasifica como interno o externo dependiendo de
eficaz es la convección.
En general: donde Lc es la longitud
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.
- NÚMERO DE PRANDTL (Pr).- Representa la relación que existe entre la difusividad molecular de la cantidad de movimiento y la difusividad
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molecular del calor o entre el espesor de la capa límite de velocidad y la capa límite térmico:
NÚMERO DE REYNOLDS (Re).- Representa la relación que existe entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas que actúan sobre un elemento de volumen de un fluido. Es un indicativo del tipo de flujo del fluido, laminar o turbulento. CONDESACION POR GOTA: Normalmente, los coeficientes de transferencia de NÚMERO DE GRASHOF (Gr).- Representa la
calor para la condensación de gotas son un orden
relación que existe entre las fuerzas de empuje y
de magnitud mayores que los de la condensación
las fuerzas viscosas que actúan sobre el fluido. Es
por película. De hecho
un indicativo del régimen de flujo en convección
En aplicaciones de intercambiadores de calor para
natural, equivalente al número de Reynolds en
los que la condensación de gotas se presenta, otras
convección forzada.
resistencias
térmicas
pueden
ser
significativamente mas grandes que las que se deben a la condensación y,por tanto, no se necesitan correlaciones confiables para el proceso de -
El número de Grashof sólo se utiliza en
convección natural. NÚMERO DE RAYLEIGH (Ra).- Es función del número de Grashof y del número de Prandtl. Su
PROCEDIMIENTO
valor es el número de Grashof multiplicado por el
Montaje:
número de Prandtl.
El montaje del banco es el siguiente:
Condensación por película: el vapor condensante, al ponerse en contacto con la superficie fría, moja el tubo, de manera que se forma una película continua de condensado. 1200
condensación
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Desarrollo experimental:
de vidrio empiezan a limpiarse y la
Una vez realizado correctamente el montaje se
cámara de prueba en nuevamente visible.
procede de la siguiente manera:
9. Si
1. Encender la bomba y abrir lentamente la
durante
este
período
aparece
condensado en la línea de descarga desde
válvula hasta
S3, cierre esta válvula, y abra la válvula
2. obtener flujo de agua dentro del tubo de
V2 momentáneamente permitiendo que
cobre.
se drene el condensado que se ha
3. Llene el manómetro (de columna) de la
formado en la línea de entrada.
caja de vapor con agua a través del tubo embudado plástico, hasta que se pueda
•
vapor
ver que gotea agua dentro de la caja. 4. La válvula reguladora de vapor V1 esta
a. Cierre la llave de paso del respiradero S4.
cerrada.
Además S3 debe estar cerrada.
5. Abra la llave de paso del respiradero S4.
b. Incremente la entrada de vapor al sistema
6. Coloque la llave de paso S3 en la posición
Regulación de la presión de la caja de
abierta,
el
c. Observe la subida del nivel del liquido en
condensado desde la caja de vapor que se
el tubo embudado extendido desde el
forma
sello del recipiente. Regule V1 hasta que
durante
para el
drenar
por la abertura lenta de V1.
periodo
de
calentamiento. 7. Cierre la válvula de drenaje V2.
el nivel del liquido deseado sea obtenido. d. Si el nivel del liquido oscila bruscamente
8. Inicie el flujo de vapor desde la fuente y
por mas de +- ½ pulgada, debe drenarse
cuando el manómetro sobre la línea de
el condensado acumulado usando V2, y
admisión empiece a indicar una presión
la válvula de descarga del condensado
en la línea de alimentación abra V1
hasta estabilizar la presión.
lentamente para que entre el vapor a la
e. Monitoree las temperaturas del lado del
caja. Ajuste la válvula V1 tanto como sea
vapor hasta que estas no cambien más
necesario, sin que la lectura de presión
con el tiempo. En ese momento, el
del manómetro exceda en 20 y 30 psi.
sistema
Con S4 y s3 abiertas, la caja debe
condiciones de estado estable.
debe
estar
operando
en
permanecer a presión atmosférica. 8. Durante este periodo de calentamiento, la
•
Recolección del condensado
formación de condensado sobre las
1. Después de obtener una operación
paredes del vidrio de la caja de vapor
estable, abra cuidadosamente la llave de
vuelve a la cámara de prueba casi
paso V2 y dé al depósito de condensado
invisible. Después de aproximadamente
línea para llenar hasta que agua comience
10 a 15 min de calentamiento, cuando el
a correr.
sistema esta operando cerca a la condición de estado estable, las paredes
2. Cierre S2.
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3. Como el condensado que se forma sobre
•
el tubo de cobre se recolecta en la base
Parada
a. Abra cuidadosamente el respiradero S4
de la sección de prueba, este flujo
sobre la caja de vapor.
terminara forzando el flujo condensado
b. Cierre la válvula de la fuente de vapor
hacia el recolector de condensado. En
hasta
condiciones de estado estable, éste debe
manométrica.
estar muy cercano a una rata de flujo
reducir
a
cero
la
presión
c. Abra las válvulas de las líneas de drenaje
constante.
S3 y V2.
TABLAS DE DATOS
GEOMETRIA
COBRE
ACRILICO
Dint [m]
0,012
0,1233
Dext [m]
0,013
0,1433
Longitud [m]
0,615
0,774
TEMPERATURAS
T entrada del agua
T salida del agua
T salida del vapor
T entrada del vapor
T pared
T ambiente
24,9
31,5
93,3
95,4
50,93
26,85
Nota: todas las temperaturas se encuentran en grados Celsius.
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FLUJOS DE CONDENSADO Y AGUA
CÁLCULOS
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BALANCE DE ENERGÍA
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CONDENSACIÓN POR GOTA Y POR PELICULA
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EN ESTA PARTE COMPARAMOS EL Q POR GOTA TEORICO CON EL EXPERIMENTAL COMO PARAMETRO PARA VER QUE TANTO SE ACERCAN Ó NO ENTRE ELLOS
CALOR EN EL CONJONTO DE RESISTENCIAS DESDE EL VAPOR HASTA EL FLUCJO MASICO DE AGUA
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RESULTADOS
PORCENTAJES DE ERROR
| |
Temperatura del acrílico
| |
Temperatura de la salida del agua
| |
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ANÁLISIS DE RESULTADOS
ellos deja claro la contigüidad de las correlaciones utilizadas, las cuales a pesar de
La gran aproximación de los datos teóricos a los
los factores obviados en estos cálculos se
experimentales deja claro el buen funcionamiento
acercan de modo considerable a los datos
de los aparatos de medición y por supuesto el
medidos.
buen manejo de las ecuaciones necesarias para las
Se determinó la temperatura superficial del
condiciones de los procesos de transferencia de
acrílico mediante la parametrización de la
calor, demostrando en ultimas, la veracidad de
temperatura fílmica.
estas correlaciones empíricas. El valor calculado para la temperatura de salida del agua, implica que hubo más transferencia de calor de la medida, pues muestra una mayor
BIBLIOGRAFIA
Incropera, Frank p. Fundamentos de la
diferencia de temperaturas entre la entrada y
transferencia de calor, Prentice hall, México
salida del agua; pero esto se debe a que el modelo
1999
con el cual se calculó no considera las pérdidas.
HOLMAN, J.P. (1998) “Transferencia de Calor”. McGraw-Hill.
CONCLUSIONES La magnitud de los coeficientes globales de
transferencia de calor por convección en la parte externa del tubo de cobre son más altas debido a que por éste está circulando el vapor, que se encuentra a una temperatura más alta que el agua. La temperatura de salida del agua calculada en
el interior de tubo de cobre presentan un porcentaje de error alto debido a las deficientes mediciones obtenidos en el laboratorio (la termocupla).
Los errores que se presentan cuando comparamos los datos teoricos frente a los experimentales se deben a factores climáticos o problemas a la hora de manipular los elementos de medición.
Comparamos el calor de gota teórico con el experimental y la gran aproximación entre
MILLS, A.F. (1995) “Transferencia de Calor”. Irwin.
