LABORATORIO DE TÉRMICA Y FLUIDOS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
Práctica 3
Transferencia de Energía Convección en Superficies Extendidas
NOMBRE NOMBRE MATRICULA MATRICULA
PRESENTACION EXÁMEN RÁPIDO FORMATO CALCULOS RESULTADOS DISCUSION DISCUSION DE RESULTADOS CONCLUSIONES CONCLUSIONES
5% 10% 10% 10% 20% 20% 15% 15% 20% 20%
TOTAL
100% 100%
PROFESOR
INSTRUCTOR
Introducción Sabemos que el término convección se utiliza para describir la transferencia de energía entre una superficie y un fluido que se mueve encima de la superficie. Aunque el mecanismo de difusión1 contribuye a esta transferencia, la principal contribución se debe al movimiento total del fluido. En esta práctica se determinará el coeficiente de transferencia de calorh calor h, en forma experimental, para un sistema que
opera en convección natural. Sin embargo, el problema no es tan simple pues el flujo de calor por convección depende de la capa límite que se forma en la superficie. En consecuencia, el coeficiente h depende de algunas propiedades como la densidad, la viscosidad, la conductividad térmica, el calor específico, la g eometría de la superficie y las condiciones de flujo, y en este caso en particular se analizará la convección que ocu rre en una superficie superficie extendida. extendida. Objetivos i.
ii.
Obtener el flujo másico que se transfiere por el sistema. encia de calor por convección a las condiciones de flujo. Determinar el coeficiente de transfer encia
Marco Teórico El mecanismo de convección natural, es ocasionado por las fuerzas boyantes del fluido. Las fuerzas boyantes son producidas por un gradiente de densidad en el fluido y una fuerza de cuerpo que es proporcional a la densidad (gravedad o fuerza centrífuga en el caso de maquinaria rotatoria). La convección forzada, en cambio, es cuando hacemos pasar un fluido con cierta velocidad sobre una superficie que se encuentra a diferente temperatura. Sin embargo, algunos autores proponen que la velocidad del fluido no necesariamente debe ser cero para que exista convección natural. Estos autores dicen que existe otro tipo de convección, además de la natural y la forzada, llamada mixta y nos ofrecen ciertos rangos para determinar el tipo de convección.
Pr>1
Pr £1 Forzada
Gr Re
Mixta
2
Gr Re
Natural
2
Gr Re
2
<< 1
Gr 1 3
Pr
Gr
»1
1
Pr
>> 1
× Re
<< 1 2
3
× Re
»1 2
Gr 1 3
Pr
× Re
>> 1 2
La difusión se refiere al movimiento aleatorio de las moléculas de aire.
1
.Autor: Ing. Gloria Glori a López
1
LABORATORIO DE TÉRMICA Y FLUIDOS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Donde Re es el número de Reynolds que relaciona las fuerzas inerciales con las fuerzas viscosas, Pr es el número de Prandtl que es la relación entre la difusividad del momentum y la difusividad térmica, y Gr es el número de Grashof
que relaciona las fuerzas boyantes y las fuerzas viscosas: Re
=
V × L n
Pr =
m
× C p
Gr =
k f
L3 × ( DT ) × b × g n2
Para el caso en la superficie que se analice sea una esfera, un cilindro o un banco de tubos, el cálculo de estos tres números adimensionales se hace de la siguiente manera:
Re
=
V × D
Pr =
n
m
× C p
Gr =
k f
D 3 × ( DT ) × b × g n2
Algunos autores agrupan el número de Prandtl y el número de Grashof en otro número adimensional llamado número
de Rayleigh (Ra) de la siguiente manera:
Ra = Gr × Pr
Generalmente se utiliza la temperatura promedio de la superficie y la del medio que la rodea para evaluar las propiedades del fluido2 . A esta temperatura se le conoce trivialmente como temperatura de película y se define como:
T f
=
T s
+ T ¥ 2
Otra correlación muy importante es el número de Nusselt Nu que representa el gradiente de temperatura adimensional en la superficie, y para el caso de placas se define como: h × L Nu = k f En cambio para esferas, cilindros y bancos de tubos se obtiene como:
Nu
=
h × D k f
Sabiendo el número de Nusselt, se puede obtener fácilmente el coeficiente de transferencia de calor por convección. Dependiendo del tipo de convección que se tenga, se hará el cálculo del número de Nusselt y por lo tanto, se podrá obtener el coeficiente de transferencia de calor “h” con los métodos que se presentan enseguida.
·
Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección natural en una placa plana
Para cualquier rango del número de Rayleigh Ra el número de Nusselt se calcula como:
Nu
ì ï 1 0 . 387 × Ra 6 ï = í 0 . 825 + 8 ï é1 + ( 0 . 492 ) 9 16 ù 27 ï êë úû Pr î
ü ï ï ý ï ï þ
2
Para obtener una mayor precisión, si Ra £ 109, se utiliza: 2
Las propiedades de los fluidos (m, r , n) varían con la temperatura.
.Autor: Ing. Gloria López
2
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Nu
= 0.68 +
[ +( 1
·
1
0.670 × Ra
4
)
0.492 / Pr
9 16
]
4 9
Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección forzada en una placa plana
Para el caso en el que la capa límite tenga condiciones de flujo laminar y Pe ³ 100 (Pe es el número de Peclet y se define como Pe = Re Pr): Nu
=
0.6774 × Re
1
2
1
× Pr 3
é æ 0.0468 ö 2 3 ù ê1 + ç ÷ ú êë è Pr ø úû
1
4
Para el caso en el que la capa límite tenga condiciones de flujo turbulento y 0.6 £ Pr £ 60, se utiliza la siguiente correlación: Nu
4
1
= 0.0592 × Re 5 × Pr 3
La siguiente relación se aplica para los casos en los que existen condiciones combinadas de flujo laminar y flujo turbulento dentro de la capa límite, además de que 0.6 £ Pr £ 60 y 5x105£ Re £ 108 :
= æ ç 0.037 × Re - 871 ö÷ × Pr 4
Nu
5
è
1 3
ø
Equipo a Utilizar ü ü ü
Ducto vertical
Anemómetro Sensor de temperatura
.Autor: Ing. Gloria López
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Procedimi ento 1. Colocar la placa en la caja de prueba. 2. Encender el equipo y ajustar el control de potencia de calentamiento a 10 Watts o 15 Watts 3. Medir la temperatura del aire de entrada colocando el sensor de temperatura en Te. 4. Esperar a que se estabilice la temperatura de la placa (Th) en la carátula y registrar. 5. Con el sensor medir las temperaturas Ts1, Ts2, Ts3 y registrar. 6. Encender el ventilador. 7. Ajustar la velocidad del aire de entrada con el anemómetro (con la flecha en sentido contrario al flujo del aire) a 1.0 m/s. 8. Tome las mediciones de temperatura en cada uno de los puntos. Reportar Temperatura Ambiente (Ta) = __________ º C Potencia de Alimentación = Watts Temperatura de Entrada del aire (Tin) = _________ °C Velocidad
[m/s] 1.0
Temperatura de Ts-Ta placa(Ts ) [ºC] [ºC]
Ts1 [ºC]
T s2 [ºC]
T s3 [ºC]
Tout = (Ts1+T s2+T s3) /3 Ta = (Tin+Tout ) /2 [°C] [°C]
Reportar
¨ Determinar el flujo másico del aire ¨ Determinar el flujo de calor ganando por el aire a partir de un balance de energías. ¨ Determinar el coeficiente de transferencia de calor o coeficiente de película. (De manera teórica y experimental). Nota: La práctica debe de entregarse según lo establece el formato. Agregar tabla, cálculos, resultados teóricos y experimentales, discusión de resultados y conclusiones.
Bibliografía Cengel, Yunus A. and Turner, Robert. Fundamentals of Thermal Fluid Sciences. McGraw Hill. 2001. Pág. 229 – 233. Incropera and DeWitt, Introduction to Heat Transfer, Ed. Wiley, 3a ed., 1996.
.Autor: Ing. Gloria López
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