CONVECCION LIBRE Y FORZADA
ESTUDIANTES:
YEISON OROZCO GASPAR SOTO
UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA MEDELLÍN 2012
CONVECCION LIBRE Y FORZADA
ESTUDIANTES:
YEISON OROZCO GASPAR SOTO
INFORME DE PRACTICA EXPERIMENTAL #4
PROFESOR:
YUHAN LENIS
ASIGNATURA:
IMC-481 GR01 LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA MEDELLÍN 2012
CONTENIDO
GLOSARIO.......................... ....................................... .......................... .......................... .......................... .......................... ...................... ......... 4 ....................................... .......................... .......................... .......................... .......................... ...................... ......... 5 RESUMEN .......................... ....................................... .......................... ........................... .......................... ......................... .................... ....... 6 OBJETIVOS ..........................
PROCEDIMIENTO ......................... ....................................... ........................... .......................... .......................... ...................... ......... 7 ....................................... .......................... ........................... .......................... ......................... .................. ..... 8 PREGUNTAS ..........................
RESULTADOS Y ANALISIS
......................... ...................................... .......................... .......................... .................... ....... 9
CONCLUSIONES ......................... ....................................... ........................... .......................... .......................... ...................... ......... 14 ....................................... .......................... .......................... ........................... ......................... .............. 15 BILBIOGRAFIA .........................
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GLOSARIO
CONVECCION LIBRE: Es aquella transferencia de calor que ocurre entre un fluido en movimiento y una superficie limitante cuando estos tienen diferentes temperaturas.
CONVECCION FORZADA: Es la transferencia de calor cuando el flujo es causado por medios externos como un ventilador, una bomba o vientos atmosféricos.
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RESUMEN
Para la práctica se utilizaran dos equipos. El primero es el equipo de convección libre y forzada que se encuentra en el laboratorio de operaciones unitarias, el cual se conectará una placa como se muestra la Figura 2, a la cual se le puede variar la potencia de entrada. El segundo es una placa de aluminio con un suministro de potencia proveniente de una conexión eléctrica de 110 voltios como se ilustra en la Figura 5. Adicionalmente, se utilizará un cilindro conectado como se muestra en la Figura 4 conectado también a 110 voltios. En todos casos se expone la superficie de transferencia de calor al aire circundante del laboratorio con las mediciones de estos montajes se encuentra el coeficiente de convección libre. Posteriormente se utilizará el equipo de convección como se muestra en la Figura 3, para someter la placa a convección forzada. forza da.
Figura 2. Placa horizontal del equipo de
Figura 3. Placa del equipo de convección forzada.
Convección forzada.
Figura 4. Cilindro vertical convección
Figura 5. Placa horizontal en convección libre.
Libre.
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OBJETIVOS
Demostrar la relación entre la entrada de corriente eléctrica y la temperatura de superficie en convección libre. Demostrar la relación entre la entrada de corriente eléctrica y la temperatura de superficie en convección forzada. Verificar que el coeficiente convectivo es una propiedad del fluido en el que está inmerso un cuerpo. Calcular el coeficiente de convección forzada para un montaje dado.
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PROCEDIMIENTO 1. Conectar los l os montajes a una potencia dada, con tiempo ti empo suficiente para que el sistema estabilice. 2. Tomar mediciones de temperatura t emperatura ambiente y en diferentes d iferentes puntos de la placa del primer montaje. 3. Registrar la potencia suministrada. 4. Repetir pasos 1 y 2 para el segundo montaje. 5. Para el segundo montaje mida la corriente corrie nte y el voltaje suministrados. 6. Realizar los pasos 1 y 2 para diferentes valores de potencia. 7. Tomar mediciones med iciones de temperatura temperatu ra ambiente a mbiente y en diferentes puntos del cilindro. 8. Medir la corriente y el voltaje suministrados suminis trados al cilindro. 9. Conectar el sistema sistema como se ilustra en la Figura 3 con una velocidad de ventilador a 1m/s y espere media hora mientras el sistema estabiliza para tomar las mediciones. 10. Repetir el paso 5 para dos velocidades más 1.5m/s y 2m/s.
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PREGUNTAS 1. Calcule Cal cule el coeficiente convección libre.
convectivo
para las dos placas y el cilindro en
2. Calcule Cal cule el coeficiente coefici ente convectivo para pa ra la placa sometida someti da a convección forzada en todos los casos. 3. Analice la variación del del coeficiente convectivo con relación a la velocidad del aire. 4. Compare los coeficientes obtenidos en convección libre. 5. Analice el efecto de la geometría sobre el coeficiente convectivo.
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RESULTADOS Y ANALISIS
Cara Frontal : 134,6 ºC : 121,1 ºC : 142,5 ºC : 111,0 ºC : 107,5 ºC : 123,34 ºC
Cara Posterior : 80,3 ºC : 79,6 ºC : 90,0 ºC : 74,0 ºC : 77,2 ºC : 80,22 ºC
Tabla1. Temperaturas obtenidas en la placa cuadrada #1.Para convección libre.
Cilindro de acero. Convección libre. Temperatura en ºC
: 89,9 : 106,5 : 113,4 : 126,9 : 122,5 : 121,6 : 120,7 : 110,5 :114,0
Tabla 2. Temperaturas obtenidas para el cilindro de acero.
Convección libre. Placa #2 Potencia eléctrica: 22,5W Temperatura base de la placa: 91 ºC Velocidad del aire: 0,27m/s Temperatura del aire a la salida: 29 ºC
Convección forzada. Placa #2 Potencia eléctrica: 22,5 W Temperatura base de la placa: 86 ºC Velocidad del aire: 0,95m/s Temperatura del aire a la salida: 25,6 ºC
Tabla 3. Datos obtenidos para la placa #2 en convección libre y forzada.
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COEFICIENTE CONVECTIVO PARA LAS PLACAS No. 1 Y 2 Y EL CILINDRO EN CONVECCION LIBRE
Tomando la ley de enfriamiento de Newton, se tiene: Q = hA (Ts-Tf) (Ts -Tf) h = Q/ (A (Ts-Tf)) (Ts -Tf))
Donde, el calor que libera la placa No.1 por primera ley de la termodinámica es: Q =
Donde: = V*I
Midiendo el voltaje de la placa #1 y la corriente eléctrica suministrada por medio de una pinza volti-amperimetrica para la cara frontal tenemos:
PLACA No.1 V = 110V I = 2,5A Nos queda que el calor es igual a:
Q = 275W Reemplazando Q en (1), nos queda:
h = 275W / [( 0,1156) (396,49-298,15) K] = 24,19 W/ K
Para la cara posterior tenemos: h = Q/ (A (Ts-T (Ts -Tf)) f)) (1) 10
= 275W / [(0,1156 ) (353,37-298,15) K] = 43,080W/
CILINDRO: Q =
= V*I V= 110v I= 0,8A = 110v*0,8A= 88W h = Q/ (A (Ts-T (Ts -Tf)) f)) (1) (1)
A= πDL = 0,132
h=88W/ [(0,132 ) (387,15 – 298,15) K]
= 7,4906 W/ K
Velocidad Aire (m/s)
Temperatura Superficie (°C)
Temperatura antes (°C)
Temperatura después (°C)
0.27 0.95
91 86
25 25
29.0 25.6
Tabla 4. Datos placa # 2
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CALCULOS Y RESULTADOS 1. Calcule el coeficiente coeficiente convectivo para la placa placa y el cilindro en conveccion libre.
PLACA # 2: Pot = 22.5 w Q = Pot = 22.5 w
Medición 1:
= 29 °C
Velocidad del aire =0,27 m/s h = Q/A (364.15 – 302.15) K h = 22.5 W/ (0.011 ) (62) K = 32.9912 w/ K
Medición 2: = 25.6 °C Velocidad del aire = 0,95 m/s A = 0.11m x 0.10m A = 0.011 h = Q/A (359.15 – 298.75) K h = 22.5 W/ (0.011 ) (60.4) K = 33.8651 w/ K
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2. Analice la variación del coeficiente convectivo con relación a la velocidad de aire. En nuestro caso los coeficientes convectivos dieron muy similares, lo cual no es correcto ya que el coeficiente convectivo depende de la velocidad, ya que a mayor velocidad se genera un numero Re, y si el Re aumenta, el numero Nu aumenta y el coeficiente convectivo es directamente proporcional al Nu
4. Compare los coeficientes obtenidos en convección libre. libre.
Los coeficientes deberían ser iguales ya que los dos ensayos fueron realizados con las mismas condiciones, pero se encuentra que el coeficiente convectivo de la placa plana es mucho mayor que el del cilindro e incluso se encuentra en el rango de convección forzada en la cara posterior de la placa y en la cara principal de la placa se encuentra en convección libre al igual que el cilindro, lo que significa que es un valor poco confiable.
5. Analice el efecto de la geometría geometría sobre el coeficiente coeficiente convectivo. El coeficiente convectivo depende de las condiciones de la capa limite, en las que influye, entre otros factores, la geometría de la superficie. Aunque es difícil cuantificar cuantificar matemáticamen matemáticamente te la dependencia dependencia del coeficiente convectivo con la geometría de la superficie, se sabe por experimentación, que la geometría influye directamente sobre el valor de dicho coeficiente.
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CONCLUSIONES
Se pudo notar que cuando se hizo el cálculo del coeficiente convectivo para la convección libre, este debería dar muy similar, lo cual no fue así y esto se puede atribuir a que se pudieron generar perdidas por conducción en la placa, lo cual genero menor calor liberado por convección generando unos delta de temperaturas menores, lo cual repercutió en el valor del h. En el cálculo del coeficiente convectivo, en convección forzada se encontraron que los h, dieron muy similares lo cual indica que no era una respuesta coherente, ya que se puede decir que a mayor velocidad del fluido mayor será la transferencia de calor por convección, mayor será el h. El análisis de coeficientes convectivos en convección forzada es de gran importancia a la hora de diseñar sistemas de ventilación, de aquí la importancia de dicha práctica.
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BILBIOGRAFIA
Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Frank P. Incropera, Sixth Edition, editorial John Wiley & Sons, 2007.
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