LABORATORIO DE CONVECCIÓN
NINO GIOVANNY CHACÓN CESAR DAVID DOVAL CARVAJAL EDUWIN FERNEY ESPARZA CASTELLANOS JOHN FERNANDO NIETO VARGAS
SISTEMAS TÉRMICOS I Grupo: B1 LABORATORIO DE SISTEMAS TÉRMICOS Subgrupo: 1
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-MECÁNICAS ESCUELA DE INGENIERIA MECÁNICA BUCARAMANGA 2011
1.
A es el área de intercambio de calor entre la superficie y el fluido.
OBJETIVOS
1.1 General Analizar la transferencia de calor por convección en un intercambiador de flujo unidireccional 1.2 Específicos Obtención de la temperatura experimental de la superficie del acrílico partiendo desde la temperatura del vapor. Obtención de la temperatura experimental de la superficie del acrílico partiendo desde el exterior. Determinación de la temperatura de salida del agua que pasa por el tubo de cobre. Calcular los coeficientes de transferencia de calor por convección para los fenómenos presentes en el banco. Comparar los coeficientes globales de transferencia de calor por convección tanto para la parte externa como para la interna.
LABORATORIO DE CONVECCIÓN MARCO TEÓRICO La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce debido al movimiento de un fluido el cual está a diferente temperatura con la superficie que intercambia calor. Se rige por la ley en enfriamiento de newton: Q
= h · A ·
T
es la diferencia de temperaturas entre la superficie y el fluido. Donde h es el coeficiente de transferencia de calor y depende de diversos parámetros como el tipo de convección (forzada o natural),el régimen del fluido (laminar o turbulento),la velocidad del flujo, la viscosidad del fluido, la densidad del fluido, la conductividad térmica del fluido, el número de Reynolds, el calor específico del fluido, el coeficiente de dilatación del fluido, de la forma de la superficie de intercambio de calor, de la rugosidad de la superficie de intercambio, de su temperatura y de si el flujo es interno o externo. En la convección puede darse que el fluido se condense y sucede cuando un vapor saturado entra en contacto con una superficie fría; en tal caso hay condensación por gota o por película. En la condensación por gota se observa el agua forma gotas separadas y en la condensación por película el agua se nota continua formando una lámina. Debido a la resistencia de la película de condensado al paso de calor a través de ella, los coeficientes de transferencia de calor para la condensación por gotas son mayores que los de condensación por película.
DATOS
1
UAcu = ln
1
+
hpel · Aext;cu
T ve
LMTD =
2·
T we
–
ln
Dextcu D int;cu
+
· K cu · Lcu
–
( T vs
–
T ve
–
T we
T vs
–
T ws
1 h int;cu · Aint;cu
T ws )
Coeficiente de convección en el exterior del tubo de cobre D h = D int;acri
D ext;cu
–
D int;acri = 0,1233
[m]
D ext;cu = 0,013 D h = 0,1103 T =
[m] [m]
T ve + T vs 2
T = 92,24
[°C]
Propiedades Pr=4,929
CÁLCULO TEMPERATURA DE SALIDA DEL AGUA
m pel = 0,001837 Re =
4
· ·
[kg/s]
m pel
Dh
u
·
Re = 69,16 h pel =
Re 1,08
h pel = 11688
·
Kw
Re 1,22
·
· –
5,2
g
(1 / 3)
v2
[W/m2-k]
Flujo interno en el interior del tubo de cobre Propiedades (aproximada un poco mayor a la Tew)
T=35 [°C]
CÁLCULO DE TEMPERATURA DE LA SUPERFICIE DEL ACRÍLICO PARTIENDO DEL EXTERIOR
Pr=4,929
Q conv = h conv h conv
m w = 0,065
[kg/s]
D int = 0,012
[m]
4
Re =
·
·
·
A
·
A
·
( Ts
–
·
( Ts
–
T amb )
T amb ) = m
·
h fg
Propiedades
mw
D int
·
u
Re = 9584,09
Trabajamos regimen turbulento por el alto valor del Reynolds Nu = 0,023
·
R e 0,8
·
Kw
P r 0,4
·
Nu = 66,69 Nu
h int;cu =
La Conveccion en el exterior de acrilico es natural
D int
h int;cu = 3393,97
[W/m 2-k]
1
UAcu = ln
1 11688
·
·
0,013 0,615 ·
+
2
·
·
0,013 0,012 401 0,615 ·
+
1 3393,7
·
·
0,012
·
UA=61,85 [W/k] m cond
·
h fg = UA
·
LMTD
LMTD = 67,03 h = Nu
Tws=16,62 [°C]
·
h = 21,09
K air D ext [w/m 2-k]
m = 0,0001099 h fg = 2,257 x 10 6
Ts=60,6 [°C]
[kg/s] [J/kg]
UA3 = 5,175
Tv = 92,235
Q gota = 198,57
CÁLCULO DE TEMPERATURA DE LA SUPERFICIE DEL ACRILICO PARTIENDO DEL VAPOR Q gota = UA2
( Tv
·
–
·
Aint;acri
2
·
ANALISIS DE LOS RESULTADOS
D int;acri ·
K acri
·
+
L acri
1 h ext;acri
Coeficiente de transferencia en la gota-desde el vapor hasta el ambiente h gota = 5
h pel
·
h gota=5*11688 hgota=58440 [W/m2-k]
hext es el mismo calculado en conveccion natural [W/m2-k]
h ext = 21,09 UA2 = 3,037 Tv = 92,235
[°C]
T amb = 26,85
[°C]
Q gota = 198,57
[W]
Coeficiente de tranferencia desde el vapor hasta la superficie del acrílico Q gota = UA3
·
( Tv
–
Ts ) 1
UA3 =
h gota
·
Dext acri
ln
1 Aint;acri
+
2
Dext acri
ln
+
1 1
[W]
Ts=53,86 [°C]
T amb )
UA2 =
h gota
[°C]
·
D int;acri ·
K acri
·
L acri
·
En el caso de la temperatura de la superficie del acrílico era de esperarse que se obtuviera un valor más cerca al medido calculándolo a partir del vapor, pues en el cálculo a partir del exterior este solo tenía en cuenta la convección natural. Se presentaron grandes errores en la medición de la temperatura de salida del agua, debido a errores en las mediciones del flujo con el cual se comparó ya que se midió en tiempos muy pequeños. El valor calculado para la temperatura de salida del agua, implica que hubo más transferencia de calor de la medida, pues muestra una mayor diferencia de temperaturas entre la entrada y salida del agua; pero esto se debe a que el modelo con el cual se calculó no considera las pérdidas. No se comprobó que el coeficiente se convección por gota fuera considerablemente mayor que el de película, esto se asumió.
A
CONCLUSIONES La temperatura de la superficie del acrílico medida a partir del vapor dio una mejor aproximación con la medida, yá que desde el vapor se tienen en cuenta varios fenómenos de transferencia de calor y desde el exterior solo se tiene en cuenta la convección natural con el ambiente. La temperatura medida desde el exterior arroja un valor menor al esperado porque en el fenómeno de transferencia de calor por convección natural se toman velocidades del viento fijas y temperaturas fijas del mismo. La temperatura de salida del agua en el interior del tubo de cobre calculada arroja un resultado muy distinto al medido debido a errores en las mediciones. Generalmente el coeficiente de transferencia por gota es mayor al coeficiente de transferencia por película debido a la resistencia al flujo de calor que ofrece este último. El coeficiente de transferencia de calor por convección interno es mayor que el coeficiente de transferencia de calor por convección externo, pues este último es debido a la convección natural y en el lugar había baja velocidad del viento que es un factor que influye la transferencia de calor. Los coeficientes de transferencia de calor de película y gota son mayores a cualquier otro coeficiente de transferencia de calor presentado en el sistema de
convección, porque el cambio de fase implica un alto requerimiento de energía. OBSERVACIONES Se observó físicamente la condensación por goteo en la superficie del acrílico. Se observó la condensación por película en la superficie del tubo de cobre. Se observó que el flujo de masa de agua condensada por película tenía un mayor valor que el de agua condensada por gota, por estas son menos continuas.
