Practica 2 - Convección y Radiación

LABORATORIO LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR Práctica # 2: Convección y Radiación ! OB" OB"ETI ETIOS: OS: •

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Comprender los fundamentos básicos de los mecanismos de transferencia de calor por convección y radiación. Dete Determ rmin inar ar los los coe coeci cien ente tes s de conv convec ecci ción ón y radi radiac ació ión n para para dos dos geom geomet etrí rías as distintas: Cilindros y placas planas.

2! $ARCO $ARCO TE%RICO: TE%RICO: A! INTRO INTROD&C D&CCI% CI%N N En el estu estudi dio o de la term termod odin inám ámic ica a se apre aprend nde e que que la ener energí gía a se pued puede e trans transfe feri rirr median mediante te las intera interacc ccion iones es de un sistem sistema a con su alrede alrededor dor.. Estas Estas intera interacc ccion iones es se denominan trabajo y calor. in embargo! la termodinámica trata de los estados nales del proceso durante el cual ocurre una interacción y no proporciona información alguna con respecto a la naturale"a de esta interacción o la rapide" con la que #sta se produce. El objetivo de esta práctica es ampliar el análisis termodinámico a trav#s del estudio de los modos de transferencia de calor! por medio del desarrollo de relaciones matemáticas para calcular los fenómenos de transferencia de calor por convección y radiación.

CONECCI%N El modo de transferencia transferencia de calor por convección convección se compone compone de dos mecanismos: mecanismos: el primero y más com$n! mediante el movimiento global de un %uido y el otro mediante efectos efectos difusivos difusivos en la dinámica dinámica molecular molecular.. El fenómeno fenómeno sólo es posible posible si e&iste un gradiente de temperatura entre el sistema y sus alrededores. alrededores. Como se aprecia en la 'igura (! en el %ujo de un %uido %uido sobre sobre una super superci cie e calie caliente nte!! la distri distribuc bución ión de veloc velocida idad d toma toma valor valores es de cero cero en la super superc cie ie )ast )asta a un valo valorr nito nito asociado a las condi ndiciones del %ujo! conocida como capa límite )idrodinámica. *a distri distribuc bución ión de temper temperatu atura ra toma toma valor valores es desde desde la temper temperatu atura ra en la super supercie cie +,s)asta un valor valor nito de temperatura temperatura +, - en el %ujo e&terior! conocida como capa límite t#rmica.

Figura 1. Desarrollo de la capa límite en la convección.

RADIACI%N

Es la energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura nita. /unque centraremos nuestra atención en la radiación de supercies sólidas! esta radiación tambi#n puede provenir de líquidos y gases. in importar la forma de la materia! la radiación se puede atribuir a cambios en las conguraciones electrónicas. *a energía del campo de radiación es transportada por ondas electromagn#ticas +o alternativamente! fotones-. 0ientras la transferencia de energía por conducción o por convección requiere la presencia de un medio material! la radiación no lo precisa. De )ec)o! la transferencia de radiación ocurre de manera más eciente en el vacío.

En la gura 1! se presenta un caso típico de intercambio de radiación y convección entre una supercie peque2a a una temperatura nita ,s y una supercie isot#rmica más grande que rodea por completo a la supercie. *a temperatura de los alrededores es menor que la temperatura , s! para que se presente el Figura 2. Intercambio de radiación entre una superfcie y sus alrededores fenómeno.

B! F&NDA$ENTO TE%RICO *a e&presión matemática para el %ujo de energía por convección es conocida como la *ey de Enfriamiento de 3e4ton! que es: Q c =h c A (T s−T ∞ ) ( 1 )

Donde: Q c  es la tasa de transferencia de calor por convección 567 hc  es el coeciente de transferencia de calor por convección 568 m 197  A  es el área supercial 5m 17 T s  es la temperatura supercial 597 T ∞  es la temperatura ambiente o del %uido 597

*a transferencia de calor por radiación neta desde el objeto será:

(

4

4

)

Q r= σA ε T s −α T alr ( 2 )

*a *ey de 9irc))o dice que

(

4

4

ε =α   para cuerpos grises! entonces:

)

Q r= εσA T s −T alr ( 3 )

;or semejan"a con la ley de enfriamiento de 3e4ton: Q r= A h r ( T s−T ∞ ) ( 4 )

De +<- y +=- tenemos que:

(

)

hr =εσ ( T s + T alr ) T s + T alr ( 5 ) 2

2

;ara las e&presiones +1- > +?-! tenemos que: Q r  es la tasa de transferencia de calor por radiación 567 σ   es la constante de tefan>@olt"mann + σ =5.67 × 10−8  68m19 =ε  es la emisividad de la supercie del objeto α   es la absortividad de la supercie del objeto T alr  es la temperatura alrededores o del %uido 597 hr  es el coeciente de transferencia de calor por r adiación 568m 197

'inalmente el calor global por efecto convectivo y radiante será: Q =Q c + Qr = A (hc + hr )( T s−T ∞ )= A h G ( T s −T ∞ ) ( 6 )

El calor global tambi#n puede ser denido por la energía suministrada al sistema en forma de corriente el#ctrica: Q =VI ( 7 )

;ara las e&presiones +A- y +B-! tenemos que: hG  es el coeciente total de transferencia de calor V   es el potencial el#ctrico 57

 es la corriente el#ctrica 5/7 De +<- y +A- tenemos entonces que: hc =

VI −hr  A ( T s−T alr )  A ( T s −T ∞ )

(8)

'! E(PERI$ENTACI%N A! E)&IPOS - Cilindro y placa delgados con generación interna de calor - 'uentes reguladoras de voltaje. - oltímetro - /mperímetro. -  ,ermocuplas de supercie. - *ectores digitales de temperatura

B! PROCEDI$IENTO * E(PERIENCIAS e dispondrá de un cilindro y una placa en diferentes posiciones con el objetivo de medir la temperatura supercial y sus dimensiones. El cilindro y la placa que se ven las siguientes guras! son cuerpos calentados mediante una variación del voltaje! en los cuales se pueden conocer los valores temperatura supercial y temperatura de los alrededores! su área supercial y dimensiones.

Placa horizontal conveccion Cilindro horizontal

libre.

conveccion libre.

Cilindro vertical conveccion libre.

E"ERCICIOS  Estime el valor de la emisividad y la absortividad

α 

ε

para el fenómeno de radiación de los diferentes

montajes. ;reste atención a factores como el material! color o forma y justique la selección de #stos parámetros.

 / partir de los datos obtenidos en la práctica! calcule los coecientes de transferencia de calor radiante! convectivo y global! al igual que la porción de calor por radiación! convección y el calor global para cada montaje y para las diferentes temperaturas superciales.

 Calcule las p#rdidas para cada sistema y relacionelas con los demás datos.  Elabore grácas que comparen la temperatura supercial con el calor de radiación! con el calor de convección y con el calor global. Concluya acerca de su comportamiento! y la diferencia con las demás grácas en t#rminos de la entrada de energía al sistema en forma de corriente el#ctrica.

REFERENCIAS  Cengel .! @oles 0. ,ermodinámica. #ptima ed. 0c. Fra4>Gill! 1H(1.  3CIJ;EI/! 'ranK ;. 'undamentos de ,ransferencia de Calor. Cuarta ed. ;rentice Gall! (LLL.

 @ejan! /drian. Geat ,ransfer. Mo)n 6iley N ons. (LL<.