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INFORME DE LABORATORIO #1 “Convección” (ME4302 Transferencia de Calor)

Integrantes: Reynaldo Cabezas Daniel López Fernando Rodas Profesor: Ramón Frederick Fecha: 9 de Abril 2013

Índice 1. Introducción ................................................................................................................ 1 2. Objetivos ...................................................................................................................... 2 3. Antecedentes y Metodología ...................................................................................... 3 4. Cálculos y Presentación de Resultados ..................................................................... 6 5. Análisis de Resultados ................................................................................................ 8 6. Conclusiones ................................................................................................................ 9

1. Introducción La convección es un modo de transferencia de calor que se compone de dos mecanismos, la transferencia de calor producto del movimiento molecular aleatorio y la transferencia producto del movimiento macroscópico de un fluido, de esta manera la transferencia total de calor es una superposición de estos dos efectos. Hay especial interés por estudiar el fenómeno de transferencia de calor por convección entre un flujo de fluido y una superficie limitante a distintas temperaturas. La convección puede ser natural, esto es, producida solo por las diferencias de densidades de la materia; o forzada, cuando la materia es obligada a moverse de un lugar a otro, por ejemplo el aire con un ventilador o el agua con una bomba. La convección se ve afectada por una serie de factores, algunas son las propiedades del fluido como densidad, composición, condiciones cinemáticas, viscosidad, conductividad térmica, calor específico y régimen del flujo como también el tamaño y forma de la sección transversal de inundación y magnitudes inundadas. Son tantas las variables que es casi imposible prever matemáticamente la transferencia de calor. La ingeniería ha progresado mucho en el estudio de sistemas en que ocurre transferencia de calor por convección, tales como sistemas de calefacción por caldera, sistemas refrigerantes por radiador, sistema de secado por aire caliente entre muchos otros. En este informe estudiaremos los resultados de los cálculos de la transferencia de calor en forma experimental gracias al Banco de ensayos PC WL 352 de G.U.N.T. Se analizara la convección libre y forzada mediante un soplador de velocidad regulable y de elementos de calefacción en forma de placa recta, un haz de tubos y láminas.

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2. Objetivos En esta experiencia se quiere estudiar la transferencia de calor por convección espontánea y forzada, además la efectividad con la que ocurre para distintas geometrías. En este caso se usa una placa plana, un haz de tubos y un conjunto de láminas paralelas.

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3. Antecedentes y Metodología Montaje: Para realizar la experiencia se utiliza un aparato para convección espontánea y forzada (Imagen 3.1), que permite calcular este tipo de transferencias de calor de forma experimental.

Imagen 3.1 Aparato de convección espontánea y forzada

El equipo consiste en un conducto de aire (1) que se usa para pasar el aire de entrada, sus dimensiones son 0,12 metros de ancho y 0,12 metros de profundidad. Se puede medir la temperatura en distintas secciones del conducto gracias a tubuladuras de medición (2) y un elemento térmico (3). Un sensor de inundación (4) mide la velocidad de entrada del aire y dos elementos PTC (5 y 6) que se encargan de medir temperatura de entrada y de salida. En el canal se colocan elementos de calefacción (7, 8 y 9), estas son distintas superficies de intercambio de calor. La regulación del soplador y de los elementos de calefacción se controlan mediante un equipo de manejo e indicación (10). Este también muestra la potencia eléctrica entre la de a los calefactores, la velocidad de fluido, la temperatura de entrada y de salida del aire y la temperatura medida del elemento térmico. El soplador (11) se encarga de transportar el aire cuando se quiere modelar convección forzada. _______________________________________________________________________ 3

Procedimiento: Para comenzar el experimento se coloca uno de los elementos de calefacción (placa plana, haz de tubos o laminas paralelas) en el conducto de aire (punto (9) Imagen 3.1), se activa la alimentación de corriente entregándole potencia. Primero se analiza la convección espontánea, para esto no se debe activar el ventilador, se espera un tiempo hasta que se alcanza el régimen permanente, esto se logra cuando los datos en el equipo de manejo e indicación permanecen constantes. Se anota la temperatura en la entrada y salida del canal, la velocidad del aire y la potencia entregada. Luego se activa el ventilador para tener convección forzada, al igual que el caso anterior se espera el régimen permanente y se anotan los datos. Esto se hace para tres velocidades distintas del ventilador. Después se cambia el elemento de calefacción y se analiza de forma análoga para las otros dos. Marco Teórico:

̇

(3.1)

̇

̇ : Flujo de calor ̇ : Flujo másico : Calor específico : Temperatura de salida : Temperatura de entrada

̇

(3.2)

: Velocidad del fluido : Área transversal del conducto de aire : Densidad del fluido ̇ (3.3)

: Eficiencia : Potencia entregada

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(3.4)

: Coeficiente convectivo : Área de superficie de contacto : Temperatura de superficie de contacto : Temperatura del ambiente

Tabla 3.1 Densidad y calor específico en función de la temperatura Temperatura

Densidad [ ]

Calor específico

-20

1,3765

1,004

0

1,2754

1,004

20

1,1881

1,007

40

1,1120

1,008

60

1,0452

1,009

80

0,9859

1,010

100

0,9329

1,012

120

0,8854

1,014

140

0,8425

1,017

160

0,8036

1,020

180

0,7681

1,023

200

0,7356

1,026

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4. Cálculos y Presentación de Resultados Datos Obtenidos: Tabla 4.1 Datos de haz de tubos Tipo de Convección

Potencia

T inicial

998 993 931 993

25,5 25,8 25,7 25,2

Espontánea Forzada Forzada Forzada

T final

Velocidad [ ]

33,6 33,8 33 30

0,1 0,2 0,9 2,9

Tabla 4.2 Datos de placa plana Tipo de Convección

Potencia

T inicial

937 993 993 979

26 25,4 25 24,8

Espontánea Forzada Forzada Forzada

T final

Velocidad [ ]

29,8 27,3 26,3 25,9

0,1 1,6 3,1 3,5

Tabla 4.3 Datos de láminas paralelas Tipo de Convección

Potencia

T inicial

924 989 989 997

25,7 25,7 25,4 25

Espontánea Forzada Forzada Forzada

Tipo Convección Espontánea Forzada Forzada Forzada

Tipo Convección Espontánea Forzada Forzada Forzada

T final

Velocidad [ ]

27,4 26,3 26,1 25,8

0,1 1,3 2,4 3,3

Tabla 4.4 Resultados cálculos haz de tubos Calor Calor Densidad Velocidad específico Transferido [ ] [ ] [ ] 0,1 0,2 0,9 2,9

8,1 8 7,3 4,8

1,1672 1,1660 1,1664 1,1683

1007,4775 1007,4900 1007,4675 1007,3800

13,7157 27,0666 111,1759 235,9145

Tabla 4.5 Resultados cálculos placa plana Calor Calor Densidad Velocidad específico Transferido [ ] [ ] [ ] 0,1 1,6 3,1 3,5

3,8 1,9 1,3 1,1

1,1653 1,1676 1,1691 1,1698

1007,3950 1007,3175 1007,2825 1007,2675

6,4235 51,4848 68,3378 65,3270

Efectividad

1,3743 2,7257 11,9416 23,7578

Efectividad

0,6855 5,1848 6,8820 6,6728

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Tipo Convección Espontánea Forzada Forzada Forzada

Tabla 4.6 Resultados cálculos láminas paralelas Calor Calor Densidad Velocidad específico Transferido [ ] [ ] [ ] 0,1 1,3 2,4 3,3

1,7 0,6 0,7 0,8

1,1664 1,1664 1,1676 1,1691

1007,3275 1007,3000 1007,2875 1007,2700

2,8763 13,1968 28,4513 44,7667

Efectividad

0,3113 1,3344 2,8768 4,4901

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5. Análisis de Resultados Analizando el tipo de convección se observa que la convección forzada genera una mayor transferencia de calor que la del tipo espontánea y además se nota que el cambio de velocidad también influye, de modo que al aumentar la velocidad del fluido ésta se ve favorecida. Lo que es consistente con la teoría pues si la velocidad del fluido aumenta, el espesor y la resistencia térmica de la capa límite disminuyen y, por lo tanto, la velocidad del flujo de calor incrementa. La ecuación (3.4) dice que el flujo de calor depende del coeficiente de convección, el área de contacto y de la diferencia de temperatura entre un cuerpo y la temperatura ambiente. Al estudiar las geometrías de los elementos de calefacción, se tiene que el área de contacto con el fluido es mayor en el haz de tubos, luego en las láminas paralelas y finalmente la menor es el de la placa plana. Esto dice que el mayor flujo se debe obtener para el haz de tubos, luego para las láminas paralelas y por último la placa plana debido al área de contacto que se tiene en cada uno. Al analizar los datos obtenidos se nota que la teoría no se cumple debido a que la placa plana genera una mayor transferencia de calor que las láminas paralelas. Esto se puede deber a que el efecto de las láminas paralelas sobre el coeficiente convectivo predomino frente al aumento de área. Esto sugiere un menor número de aletas con una mayor distancia entre ellas aminore el efecto sobre el coeficiente convectivo y por lo tanto mejore la transferencia de calor. Cabe destacar que los datos se pueden ver afectados por la variación constante en la potencia entregada, debido al encendido y apagado de los equipos contiguos en el laboratorio.

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6. Conclusiones El tipo de convección afecta la transferencia de calor, siendo mayor para la convección forzada frente a la espontánea. Se corrobora que el coeficiente de convección depende al menos del tipo de convección, de la velocidad y geometría de los elementos de calefacción. La mayor efectividad se obtuvo para el calefactor de haz de tubos, le siguió la del de placa plana y finalmente el de placas paralelas. Se nota que aumentar la superficie de contacto mediante la adición de aletas no garantiza una mayor disipación de calor, pues se debe considerar el efecto sobre la disminución del coeficiente convectivo u otros factores.

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