Laboratorio de Transferencia de Calor II CONVECCIÓN TÉRMICA Sandoval Hasing Jorge Andrés Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil – Ecuador Ecuador
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RESUMEN En la práctica se llevó a cabo la determinación experimental del coeficiente de transferencia de calor por convección convección desde una superficie superficie plana metálica metálica expuesta expuesta al aire atmosférico atmosférico y luego a convecció convección n forzada. Usando un banco de prueba y una termocupla digital, se determinó el coeficiente de convección para dos condiciones, una conocida como convección libre y la otra como convección forzada para posiciones de la placa plana vertical y horizontal. Se utilizó un banco de prueba que constó de un calentador adaptado a una placa metálica plana articulada, un ventilador adaptado en un costado, además como protección cuenta con una malla metálica para evitar el contacto humano con la placa caliente y también un concentrador de flujo a lo largo del banco de prueba para confinar el aire que suministra el ventilador. Fue posible calcular el coeficiente convectivo en una placa plana sometida a convección libre y a convección forzada obteniendo valores mayores de coeficiente en la convección forzada debido a que depende de la turbulencia y por ende velocidad del fluido circundante.
Palabras Claves: Placa plana, convección libre, convección forzada. ABSTRACT In practice was conducted the experimental determination of the heat transfer convective coefficient from a flat metal plate exposed to atmospheric air and then to a forced convection. Using a test and a digital thermocouple, convection coefficient were estimated for two conditions known as, free convection and forced convection as other positions of the vertical and horizontal flat plate was determined. A test that consisted of a heater adapted to hinged flat metal plate, a fan adapted to one side, as well as protection has a metal mesh to prevent human contact with the hot plate also a flux concentrator and was used to throughout the test bench to confine the air supplied by the fan. It was possible to calculate the heat transfer coefficient of a flat plate subjected to free convection and forced convection obtaining greater coefficient values due to forced convection, which depends on the speed and thus turbulence of the surrounding fluid.
Keywords: Flat plate, free convection, forced convection.
OBJETIVOS:
Determinar el coeficiente de transferencia de calor por convección sobre una placa plana en condiciones de convección libre y convección forzada.
Hay dos métodos diferentes para motivar el flujo de calor por convección, se llaman convección libre y convección forzada. La convección forzada implica que algún agente externo, como un ventilador o una bomba, es el origen del movimiento de mezcla principal, mientras convección libre implica un movimiento de mezclado natural.
INTRODUCCIÓN: La transferencia de calor es el proceso por el cual la energía se transporta desde un punto a otro en la forma de conducción, convección o radiación, o cualquier combinación de estos métodos. Ilustración 2. Convección natural.
Cuando en la transferencia de calor está involucrado un fluido circundante a una cierta velocidad el movimiento relativo afecta a la difusión de la energía térmica en un grado tal que un nombre especial, la convección, se utiliza para identificar este proceso. La convección es un proceso de transporte de energía que implica la acción combinada de la conducción de calor, de almacenamiento de energía, y el movimiento de mezclado. Calor se transfiere por conducción desde una superficie sólida para partículas de fluido adyacentes, aumentando su temperatura y la energía interna. Estas partículas de fluido se mueven a una región de temperatura más baja en el fluido y transfieren una parte de energía a otras partículas de fluido.
La tasa de transferencia de calor por convección entre una superficie y un fluido se puede calcular por: =
̅ ∆ =ℎ
Donde Q/t es la tasa de transferencia de calor por convección en Btu/hr, A es el área de transferencia en pies cuadrados ; ΔT es la diferencia entre la temperatura de la superficie y la temperatura del fluido ambiente, mientras ̅ es el coeficiente de transferencia de que ℎ calor por convección medio en Btu/hr-ft² °F. La declaración de la ecuación 1 fue propuesto originalmente por Isaac Newton en 1701. ̅ Reordenando la ecuación 1 para resolver ℎ ̅ = ℎ
Ilustración1. Convección forzada.
(1)
∆
Se define el coeficiente de transferencia de calor por convección como la cantidad de calor que un área de superficie de 1 pie cuadrado entregará al aire cada hora para cada grado de diferencia de temperatura. Algunos coeficientes de transferencia de calor media típica convectivos se dan en la Tabla TH-2 A.1
EQUIPOS E INSTRUMENTACIÓN:
Banco de prueba TH-2 (eby665) extech5dl200. Termocupla digital (50°-500°C). Jaula de metal perforado para protección de contacto contra la placa. Conducto metálico para aire en forma de U. Cronómetro.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: Para convección libre: 1. Registrar los datos en tabla TH-2 A.2. 2. Calcular el área de superficie de la placa en pies cuadrados. 3. Coloque la placa de calefacción verticalmente y se cubre con la pantalla protectora. Inserte el termómetro de cuadrante hasta el tope en el orificio izquierdo. Espere aproximadamente un minuto y luego grabar esta temperatura como la temperatura del aire ambiente. 4. Gire el control del calentador en la posición de 24 W y esperar unos 15 minutos antes de registrar la temperatura. 5. Repita el paso 4 en intervalos de 12 minutos, girando el control del calentador en las posiciones 40, 60 y 100 W. Después de completar los ensayos, apague el calentador y encienda el ventilador para reducir el tiempo de enfriamiento de la placa. Para convección forzada: 1. Retirar la malla metálica protectora del banco de prueba. 2. Colocar las termocuplas en los 4 puntos de registro de datos sobre la placa. 3. Cubrir la placa con el ducto metálico en forma de U. 4. Encender el ventilador y regular su flujo al 50%. 5. Gire el control del calentador en la posición de 24 W y esperar unos 6
minutos antes de registrar la temperatura. 6. Registre las temperaturas de acuerdo al orden de conexión de las termocuplas, deberían ser 4 registros de temperatura, una que registre la entrada de aire, las dos en la placa y una la salida de aire. 7. Repita el paso 5 en intervalos de 4 minutos para diferentes potencias 40, 60 y 100W.
RESULTADOS: Los resultados para convección térmica continuación:
el coeficiente se presentan
de a
Potencia (BTU-hr)
Coeficiente de convección (corriente libre) [BTU/hr-ft² °F]
Coeficiente de convección (convección forzada) [BTU/hrft² °F]
81,84
2,9
3,25
136,5
3,0
3,44
204,7
3,5
3,89
341,2
3,9
4,39
Tabla 1. Resultados de coeficientes de convección térmica.
ANÁLISIS DE RESULTADOS: De acuerdo a los resultados obtenidos en el coeficiente de convección de corriente libre fueron bastante acertados según la tabla TH-2 A.1 ya que el rango para la condición mencionada es de 1 – 5, cabe recalcar que a mayor potencia calorífica, el coeficiente aumenta debido a que es directamente proporcional a dicho efecto. Para la posición vertical en que se encuentra la placa permite que se creen corrientes de aire continuamente circundantes debido al cambio de densidad, que a la vez está definida por la temperatura del alrededor. Este efecto se
explica de manera que el aire que se encuentra en un instante de tiempo muy cerca de la placa con Ta inicial se calienta y su densidad disminuye produciendo un movimiento ascendente, debido a éste desplazamiento nuevas partículas de aire toman ese lugar y sufren el mismo efecto de calentamiento y disminución de densidad que proyectado en la continuidad del tiempo ocurre un flujo de aire natural alrededor de la placa, siendo éste el factor más importante del aumento del coeficiente de convección y no necesariamente por el aumento de potencia. Es por esta razón que en la posición horizontal la placa posee temperatura más alta ya que las partículas no pueden desplazarse hacia arriba por su disminución de densidad, por lo que se acumulan en la superficie reteniendo calor. Ahora en convección forzada el comportamiento del coeficiente convectivo fue de manera esperada principalmente sabiendo que h aumenta conforme lo hace la turbulencia del fluido y dicha propiedad está directamente relacionada con la velocidad del fluido, pero para el caso de 100W de potencia el coeficiente disminuyó y esto es debido a que la temperatura de entrada de aire disminuyó; dicho dato puede ser entendido como un error en la medición, ya que los agujeros donde se ubican los terminales de la termocupla tienen un diámetro mayor al del terminal, causando que la posición de éste no esté en la misma línea que las otras mediciones, aparte sabiendo que hay un flujo de velocidad considerable presente y fijo, no puede ocurrir que el error sea debido al fluido sino por la medición de la temperatura que está presente en la ecuación.
PRESENTACIÓN DE TABLAS DE DATOS Las tablas de datos TH-2 A.1, TH-2 A.2 y TH-2 A.3 se presentan en la sección de ANEXOS.
GRÁFICAS No hay gráficas para presentar.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:
Fue posible calcular experimentalmente el coeficiente de convección para condiciones de corriente libre y convección forzada. Los valores obtenidos están dentro del rango teórico para cada caso. Existe un mejor flujo de corriente libre para una posición vertical, que permita el desplazamiento de aire caliente. o No tocar la placa mientras está en funcionamiento el calentador. o Tener coordinación al momento de tomar el tiempo y cambiar la potencia del calentador.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: Guía de Laboratorio Transferencia de Calor II http://help.solidworks.com/2011/spanish/SolidWo rks/cworks/LegacyHelp/Simulation/AnalysisBack ground/ThermalAnalysis/Convection_Topics/Con vection_Heat_Coefficient.htm http://www.unav.es/adi/UserFiles/File/80980099/ Formulas1011.pdf http://www.ibeninson.com.ar/nsite/archivos/Conv eccion.pdf
ANEXOS
CONVECTIVE HEAT-TRANSFER COEFFICIENTS
Temperatura de Temperatura la placa en de la placa en posición vertical posición (°F) horizontal (°F)
Posición del switch
Condition Air, free convection
1-5
Superheated air or steam, forced convection
5-50
Oil, forced convection
5-50
Water, forced convection Water, boiling Steam, condensing
502000 50010000 10002000
Tabla TH-2 A.1
24 W (después de 15 min)
194,3
208,5
40 W (después de 12 min)
259,9
283,3
60 W (después de 12 min)
318,9
347,3
100 W (después de 12 min)
433,0
477,9
Tabla TH-2 A.2
Potencia (BTU-hr)
Coeficiente de convección (horizontal ) [BTU/hr-ft² °F]
Coeficiente de convección (vertical) [BTU/hr-ft² °F]
81,84
2,9
3,25
136,5
3,0
3,44
204,7
3,5
3,89
341,2
3,9
4,39
Tabla 2. Resultados para convección libre.
Posición de switch
Potencia (BTUhr)
Coeficiente de convección (50% flujo) [BTU/hr-ft² °F]
24 W (después de 6 min)
81,84
9,0
18,8
40 W (después de 4 min)
136,5
10,4
17,3
60 W (después de 4 min)
204,7
13,3
17,3
100 W (después de 4 min)
341,2
9,6
16,6
Coeficiente de convección (100% flujo) [BTU/hr-ft² °F]
Tabla 3. Resultados para convección forzada.
