UNIVERSIDAD DE ANTIOQUA

FACULTAD DE INGENIERA

DEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA

GUA DE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIN1. OBJETIVOS

General

Estudiar los fenmenos de transferencia de calor por conveccin libre y forzada, sus caractersticas y diferencias, empleando diferentes unidades de calentamiento.

Especficos

Verificar el aumento o disminucin en la transferencia de calor con el uso de las diferentes superficies.

Determinar los coeficientes de conveccin libre y forzada para las unidades de calentamiento usadas, a travs de los datos obtenidos experimentalmente.

Evaluar las caractersticas de operacin de superficies extendidas.

2. MARCO TERICO

Redactar 3. EQUIPOS Y MATERIALES

EQUIPOS

3.1 Descripcin de la consola elctrica

La consola elctrica incorpora un regulador elctrico de estado slido, con un lector digital, para controlar e indicar el abastesimiento de corriente al permutador durante una prueba. El permutador es conectado a la consola por via del cable de abastecimiento elctrico. Un abastesimiento elctrico variable de bajo voltaje es provisto para el ventilador por va del cable de abastecimiento elctrico. Un lector digital indica la temperatura y otro lector la potencia.

Figura 1. Consola elctrica del mdulo de conveccin3.2 Descripcin del Aparato de Trasferencia de Conveccin

El aparato consiste en un tubo vertical rectangular. Un permutador de lamina lisa (3), espigada (4), o aletada (5), podr ser instalada en el tubo y asegurada por un seguro de soltada-rpida de cada lado. La temperatura en la base de cada termopermutador es controlada por sensor termistr (19) con un cable conector (7) el cual debe ser conectado con cuidado fijndose en el tamao de sus terminales.

El permutador en uso puede ser visto a travs de una ventana de acrilico (14) en una pared del ducto, un flujo ascendente de aire puede ser generado en el ducto con un ventilador de velocidad variable (21) montado en la parte superior.La velocidad del aire en el tubo sea natural o forzada, ser medida con un anemmetro; una termocupla permite las mediciones de las temperaturas del aire de entrada y de salida, estas temperaturas son determinadas a travs de los agujeros de acceso en la pared del tubo (20).

Figura 2: Aparato de transferencia de calor por conveccinTabla 1. Dimensiones del ducto

Parmetro Valor

Lado pique base (m)0.073

Lado largo base (m)0.123

rea base m20.008979

Figura 3: Mdulo de la prctica de conveccinMATERIALES

Anemomtro

Termocuplas

Pie de rey

Guantes de cuero

4. PROCEDIMIENTO

Precaucin Nunca operar el equipo a la mxima potencia:Conveccin Libre: 20W.

Conveccin Forzada: 45W.

Para conveccin forzada trabajar el ventilador de la posicin 2 en adelante.

Conveccin Libre:

1. Medir las dimensiones de la placa plana, (registrar datos en tabla 2)

2. Colocar la unidad de calentamiento de placa plana.

3. Conectar el cable de energa al equipo.

4. Energizar el equipo encendiendo ON.

5. Con el regulador de potencia ajustar en 60W.

6. Esperar a que la temperatura de la placa de calentamiento suba a 60C y bajar la potencia a 16W hasta que se estabilice la temperatura de calentamiento.

7. Fijar la velocidad del aire con el regulador del ventilador, de manera que el valor marcado por el anemmetro sea de la menor magnitud posible pero mayor que cero y menor que 0.15, con el fin de desarrollar una conveccin libre.

8. Medir la temperatura de la superficie (consola)

9. Medir la temperatura del aire a la entrada y a la salida del calentador con la termocupla. La salida se mide en el orificio del centro.

10. Medir las dimensiones de la placa con superficie extendida cilndrica

11. Registrar los datos en las tablas correspondientes

12. Cambiar la unidad de placa plana por la unidad de superficies extendidas cilndricas, esperar que se estabilice el sistema y repetir el paso 8 y 9.

Conveccin forzada:

13. Regular la posicin del ventilador en tres

14. Esperar que se estabilice la temperatura

15. Medir la temperatura de la superficie (consola) y de las aletas

16. Medir la temperatura del aire a la entrada y a la salida del calentador con la termocupla. La salida se mide en el orificio del centro.

17. Regular la posicin del ventilador en cuatro

18. Repetir paso 14, 15 y 1619. Regular la posicin del ventilador en cinco

20. Repetir paso 14, 15 y 1621. Cambar la unidad de superficies extendidas cilndricas por la unidad de placa plana y repita los pasos anteriores (11-18)

5. DATOS

Tabla 2. Dimensiones placa planaParmetroValor

Longitud

Ancho

rea

Tabla 3. Dimensiones unidad de superficies extendidas cilndricasParmetroValor

Longitud

Dimetro

rea

N de unidades

Tabla 4. Conveccin libre (placa plana)T entrada de aire (C)Tsuperfice(C)T salida de aire (C)Vel. aire entrada(m/s)Vel. aire salida (m/s)

Tabla 5. Conveccin libre (unidad de superficies extendidas)T entrada de aire (C)T superficie (C)T de las aletas a diferentes distancias (C)T salida de aire (C)Vel. aire entrada (m/s)Vel. aire salida (m/s)

Tabla 6. Conveccin forzada (placa plana)Posicin Del

Ventilador T entrada de aire (C)T superficie

(C)T salida de aire (C)Vel. aire entrada

(m/s)Vel. aire salida

(m/s)

Tabla 7. Conveccin forzada (unidad de superficies extendidas)Posicin del ventilador T entrada de aire (C)T superficie

(C)T de las aletas a diferentes distancias (C)T salida de aire (C)Vel. aire entrada (m/s)Vel. aire salida (m/s)

6. MODELO DE CLCULO

Para determinar experimentalmente el calor transferido al sistema, se realiza un balance de energa teniendo en cuenta las siguientes consideraciones:

- Sistema abierto.

- Sistema en estado estacionario.- Aire modelado como gas ideal.- No hay transferencia de energa por medio de trabajo.- Los cambios de energa cintica y potencial son despreciables.

Balance de energa:

(1)Donde:

As= rea de seccin transversal de la tubera [m2]

v = Velocidad del aire [m/s]

H= Entalpia, se pueden encontrar en tablas para el aire como gas ideal

Para determinar la velocidad del aire se usa la ecuacin de continuidad:

(2)Donde:

Aanm = rea del anemmetro

Vanm = Velocidad registrada por el anemmetroAducto= rea del ducto

Para calcular los coeficientes convectivos se utiliza la ley de enfriamiento de Newton:

(3)Despejando el coeficiente convectivo experimental: (4)

(5)Donde:

= Calor por conveccin [W]

= Coeficiente de transferencia de calor por conveccin [W/m2K]

=Temperatura de la superficie [K]

= Temperatura del fluido [K]

A0 = rea de la placa [m2]As=rea de superficie de contacto [m2]Af =rea de aleta [m2]n = Nmero de aletas [m2]AT = rea de la transferencia de energa [m2]Nota: Para determinar la temperatura del aire se establece un promedio del perfil de temperatura (entrada, salida y centro).

El coeficiente convectivo terico est dado por la siguiente expression: (6) (7)Donde:K = Conductividad trmica del aire en [W.m-1.K-1]

= Nmero adimensional de Nusselt y est dado dependiendo de si hay conveccin libre, forzada, laminar, turbulenta, para placa plana o cilndrica.

Placa lisa

Conveccin libre:Para la determinacin del nmero de Nusselt, Churchill y Chu [1] recomiendan una correlacin que se puede aplicar sobre todo el intervalo de y es de la siguiente forma: (8)Donde el nmero de Prandtl y de Rayleigh se determinan de la siguiente manera:

(9) (10)(11) (12)(13)Donde: = Viscosidad cinemtica [m2/s]

= Difusividad trmica [m2/s]

L= Longitud vertical de la pared [m]

= Coeficiente de expansin trmica [K-1]

Tf = Temperatura de pelcula del fluido [K],a esta temperatura se evalan las propiedades del mismo

g= Gravedad [m/s2]

Conveccin forzada

Flujo laminar (Re 1 (16)Para y flujo turbulento (Re>3000)

(17) Placa con aletas cilndricasConveccin libreChurchill y Chu [3] recomiendan una correlacin simple para un margen amplio del nmero de Rayleigh: 1012 (18)Conveccin forzadaChurchill y Berstein[4] propusieron la siguiente ecuacin que cubre todo el rango de Re para el que se disponen datos (aplica para flujo laminar y turbulento), as como un amplio rango de Pr. Sin embargo si se recomienda para toda RePr>0.2, y todas las propiedades se deben evaluar a la temperatura de la pelcula.

(19)Eficiencia () de la transferencia de calor por conveccin:

(20)7. CLCULOS

Calcular el coeficiente convectivo segn la ley de enfriamiento de Newton para conveccin libre y forzada en placa plana y aletas cilndricas.

Calcular la eficiencia de transferencia de calor por conveccin libre y forzada.

Determinar el calor transferido por conveccin desde la unidad de superficie hacia el aire.

Realizar un anlisis de la potencia suministrada al sistema por conveccin libre y forzada, segn su tipo de superficie.

8. PREGUNTAS8.1 De acuerdo a lo estudiado acerca del mecanismo de conveccin y los resultados obtenidos en la prctica de laboratorio, ordene de mayor a menor los siguientes valores del coeficiente de transferencia de calor y explique cules son los factores que ms influyen en la determinacin de ste:

a-Conveccin forzada en gases

b-Conveccin forzada en lquidos

c-Conveccin libre en gases

d-Conveccin libre en lquidos

8.2 Establezca la diferencia entre el coeficiente local y promedio de transferencia de calor por conveccin. El coeficiente de transferencia de calor por conveccin es mximo o mnimo en el borde de la placa y cmo vara a medida que aumenta la distancia desde la superficie de la placa.8.3 Desde el punto de vista terico, a medida de que se aumenta la potencia del ventilador, como cambia la temperatura de entrada y salida del mdulo?9. REFERENCIAS

[1] Churchill, S. W. y H.H.S.Chu, Correlating Equations for laminar and turbulent free convection from a vertical plate, Int.J.Heat Mass Transfer, 18, 1323, 1975.[2] Wikipedia.org (s.f.). Recuperado el 13 de Abril de 2015, de http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Nusselt[3] Churchill, S. W. y H.H.S.Chu, Correlating Equations for laminar and turbulent free convection from a horizontal cylinder, Int.J.Heat Mass Transfer, 18, 1049, 1975.

[4] Curchill, S. W. y M. Berstein, J. Heat Transfer, 99, 300, 1977.INCROPERA,Frank. DEWITT David. Fundamentos de transferencia de calor. Cuarta edicin, Editorial Prentice Hall 1999, Mxico.P.A. HILTON LTD. Manual experimental de operacin y mantenimiento. Conveccin libre y forzada. H920. Inglaterra.