LABORATORIO LABORATORIO DE CONVECCION NATURAL Y CONVECCION FORZADA
INTRODUCCION
La convección se clasifica como convección natural (o libre) y forzada, dependiendo de la manera en que se inicia el movimiento del fluido. En la convección forzada se obliga a que el fluido fluya sobre una superficie o en un tubo por medios externos, como una bomba o un ventilador. En la convección natural, cualquier movimiento del fluido es causado por medios naturales, como el efecto de flotación, el cual se manifiesta como la subida del fluido caliente ca liente y la caída del fluido frío. La convección también se clasifica como externa e interna, dependiendo de si se obliga al a l fluido a fluir sobre una superficie o en un tubo. La transferencia de calor por convección funciona en muchos sistemas termodinámicos, estos pueden ser, sistemas de aire acondicionado, sistemas de refrigeración de transformadores eléctricos y enfriamiento de dispositivos electrónicos, entre otros. GENERALIDADES 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 par tículas del fluido, produciéndose un flujo de fluido y de e nergía. 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.
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. 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. 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.
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. La convección natural o libre del aire se presenta debido al cambio de temperatura que sucede gracias al Sol que calienta la superficie del suelo, el cual cede parte de su energía al aire por conducción haciendo que cambie su densidad, un ejemplo de este esto es cuando pedimos un café y con el paso del tiempo se enfría. Mientras que en la convección forzada se obliga al aire a fluir mediante agentes externos, un ejemplo de ello es un ventilador usado para enfriar el ambiente. b. Coeficientes de transmisión de calor por convección. Indique, según su concepto, el significado físico y la influencia de dichos coeficientes el coeficiente de transmisión de calor expresado como (h) , cuantifica la
influencia de las propiedades del fluido, de la superficie y del flujo cuando se produce transferencia de calor por convección.
F. POR MEDIO DEL ANÁLISIS DIMENSIONAL DEDUZCA LA FÓRMULA PARA CONVECCIÓN LIBRE DESDE UNA PLACA VERTICAL CALENTADA. considerarse como función de la temperatura, ya que la variación de r en este término es el causante de la fuerza ascensional. La tercera ecuación de NavierStokes proporciona:
CONVECCIÓN NATURAL SOBRE PLACA VERTICAL A TEMPERATURA UNIFORME.
o también:
Para el flujo de transición laminar-turbulento ( 108 < RaL < 1010) :
Para flujos con turbulencia muy desarrollada (109 < RaL < 1012) :
se exponen las correlaciones anteriores en régimen laminar y turbulento, hacia o desde una placa plana vertical de altura L, considerando en el eje de ordenadas NuL y en el eje de abscisas (GrL.Pr), que se pueden aplicar también al caso de cilindros verticales. Una expresión general que las engloba, válida tanto para régimen laminar como turbulento es
Para el caso particular del aire, a temperaturas normales, el coeficiente de transferencia de calor local para una placa vertical isotérmica se puede
aproximar por las siguientes ecuaciones, teniendo en cuenta que para el aire la transición de régimen laminar a turbulento es Grx 109:
observándose que el coeficiente de convección local es independiente de x en régimen turbulento. El coeficiente de convección medio para toda la placa vertical es:
F) DEDUCCIÓN DEL COEFICIENTE MEDIO DE TRANSMISIÓN DE CALOR EN CONVECCIÓN FORZADA. Para determinar el valor de h primero determinamos el número de Nusselt, como sigue:
Determinamos luego el valor de h por convección: ℎ=
∗
Si existe radiación, determinamos el Q por radiación: = (4 − 4 )
Sumando los dos valores de Q determinamos un h promedio dado por: ℎ=
∗ ( − )
J) CONVECCIÓN FORZADA SOBRE PLACAS PLANAS Y EN SUPERFICIES CILÍNDRICAS. El número de Nusselt en superficies cilíndricas está dado por la ecuación
Una vez hallado el número de Nusselt seguimos el procedimiento determinado en el numeral g En placas planas, se presenta la siguiente relación:
Determinamos luego el valor de h por convección: ℎ=
∗
Y finalmente, Q se hallará de la manera conocida: = ∗ ∗ ( − )
k. Condiciones bajo las cuales se considera un flujo laminar o turbulento. los resultados experimentales se ajustan notablemente a las predicciones del flujo laminar para valores bajos del número de Reynolds R , hasta aproximadamente 3000, y se ajustan a las predicciones del flujo turbulento para valores de R mayores que 4400 aproximadamente l. Relacionar entre los números de Reynolds, Prandtl y Nusselt para las dos clases de flujo. Significado de estos números. FLUJO TURBULENTO: Cuando Pr es pequeño significa que el calor se difunde muy rápido comparado con la velocidad, esto indicará que para números de Reynolds altos (flujo turbulento) la velocidad será alta y el Pr grande, lo que hará números de Nusselt grandes. FLUJO LAMINAR: Cuando Pr es pequeño significa que el calor se difunde muy rápido comparado con la velocidad, esto indicará que para números de Reynolds
bajos (flujo laminar) la velocidad será alta y el Pr grande, lo que hará números de Nusselt grandes.
MATERIALES Y EQUIPOS
Figura : Equipo de convección.
EQUIPOS CANTIDAD 1
1 1 1
PROCEDIMIENTO
ELEMENTO E quipo de convección Anemómetro digital Termómetro dig ital cronometro Tabla de equipos
CONVECCION LIBRE
Conecte el equipo solo la parte electrónica, luego proceda a conectar la resistencia de calentamiento. Luego de que pasen 8 minutos, tome con la termocupla el valor de la temperatura en la parte superior de la placa metálica. Después de esos 8 minutos y durante cada minuto tome el valor de las temperaturas indicadas en la pantalla, en la tabla
CONVECCION FORZADA
Conecte el equipo solo la parte electrónica, luego proceda a conectar la resistencia de calentamiento. 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. Después de esos 8 minutos y durante cada minuto tome el valor de las temperaturas indicadas en la pantalla, en la tabla 5.
CONVECCION LIBRE:
TEMPERATURAS (MIN 1)
TEMPERATURAS (MIN 2)
TEMPERATURAS (MIN 3)
TEMPERATURAS (MIN 5)
TEMPERATURAS (MIN 7)
TEMPERATURAS (MIN 4)
TEMPERATURAS (MIN 6)
TEMPERATURAS (MIN 8)
TOMA DE DATOS CONVECCION LIBRE
CONVECCION FORZADA
=
CUESTIONARIO
( − ∝ )
¿Cuál es la diferencia entre el número de Reynolds para convección libre y convección forzada? El número de Reynolds en convección forzada indica si el flujo es laminar o turbulento, lo que determinará las relaciones a utilizar para hallar el coeficiente de transferencia de calor y el calor transferido. En convección forzada, no se aplica el número de Reynolds, se aplica el número de Grashoff que es el que define qué tipo de convección, prima sobre las demás Deduzca el coeficiente medio de transmisión de calor en convección forzada.
