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• Javier Rodriguez

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CONVECCIÓN FORZADA EN UNA BARRA SÓLIDA 1. PROBLEMA Una barra de cobre de dimensiones conocidas, inicialmente se encuentra a una temperatura máxima. Súbitamente se sumerge en una corriente de aire que lleva una cierta velocidad. ¿Diga en qué tiempo la barra tendrá una temperatura de 30 °C y cuánto calor habrá transferido al aire?. Determine también el coeficiente de transferencia de calor promedio, h m para 100%, 70%, 50% y 20% de abertura de la válvula de compuerta. ¿Cómo varía el coeficiente de transferencia de calor promedio hm en función de las velocidades promedio del aire? 2. PARTE EXPERIMENTAL 2.1 Material requerido 1.- Un termómetro de mercurio 2.- Un anenómetro 3.- Una caja con accesorios del equipo 4.- Un graficador 2.2 Equipo 

Equipo de Convección de calor de flujo cruzado

2.3 Técnica de operación 1. Conecte el registrador (1) de la temperatura a la corriente eléctrica 2. Coloque el par de cables, uno en la barra (2) y el otro en la entrada del ducto del aire (3) por el extremo A. Conecte los extremos B de los cables en el graficador como se indica en la figura 2 del anexo. 3. Encienda el graficador y posicione la pluma, sin bajarla, sobre la línea cero del papel. Seleccione la escala 40 mV/20 de sensibilidad y 1 mm/seg de velocidad del papel en el panel del graficador. 4. Tape los orificios del ducto del aire con los tapones negros (4). 5. Accione la bomba (5) con el interruptor (9) para hacer pasar aire por el ducto. Mida la velocidad del aire, regulándola con la placa de orificio (6). 6. Apague la bomba e introduzca la barra en la resistencia eléctrica (7) y enciéndala (8). La pluma del graficador avanzará hacia la derecha indicando el calentamiento de la barra. Déjela avanzar hasta los 12.5 espacios. 1 

7. Apague la resistencia (8) cuando la barra haya alcanzado una temperatura máxima y halla recorrido los 12.5 espacios. 8. Inmediatamente después baje la pluma del graficador e introduzca la barra en un orificio del ducto (4), quitando un par de tapones negros, y accione simultáneamente el avance del papel (foward) en el registrador y la bomba del aire (9). 9. Deje avanzar el papel hasta que la gráfica de la curva de enfriamiento de la barra alcance una tendencia asintótica. 10. Suba la pluma del graficador y apague la bomba del aire (9) y el graficador. Datos adicionales:  Masa de la barra de cobre: 0.1065 Kg  Diámetro de la barra: 0.01238 m  Longitud: 0.0951 m  Capacidad Calorífica: 380 J/Kg °C  0.041 mV = 1 °C = ∆T  1 mm en el papel = 1 seg  Se absorben 2 mV = 40mV/20 en la escala de 12.5 espacios.

2 

2.4 Diagrama del equipo

6

5 3

4

A

B

1

2 7 A

B

8 9

Figura 1. Equipo de transferencia de energía de flujo cruzado

2.5 Actividades experimentales Realice lo siguiente: 3 

1. Fije una velocidad del aire. 2. Caliente la barra hasta un T máximo de 48.78 °C (escala de 0-12.5 espacios en el graficador). 3. Introduzca la barra en la corriente de aire, al mismo tiempo que registra el enfriamiento de la misma, avanzando el papel en el graficador. 4. Con la curva de enfriamiento obtenida, reporte en la tabla 1 la información requerida. Tabla 1. Espacios 12.5 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

T (°C)

tiempo (s)

Temperatura del aire (°C) = Velocidad del aire (m/s) =

3. CUESTIONARIO 1.- Grafique las temperaturas de la superficie de la barra obtenidas con respecto al tiempo. Obtenga la ecuación que mejor ajuste sus datos experimentales. 2.- Grafique la razón del ∆T/tiempo con respecto al tiempo. Indique ¿para qué tiempos la rapidez de enfriamiento en la barra es muy grande? ¿A partir de qué tiempo la rapidez de enfriamiento se vuelve asintótica?. ¿En qué tiempo estima que la barra alcance la temperatura de 30°C?. 4 

3.- ¿Cuánto calor sensible Qs (W) a perdido la barra durante el tiempo de experimentación? 4.- Plantear el balance de energía en la que se indique el mecanismo por el cual se gana el calor perdido por la barra. Integre la ecuación y obtenga el coeficiente convectivo de transferencia de calor, h m (W/m2°C). 5.- Determine el coeficiente de transferencia de calor promedio, h m para 100%, 70%, 50% y 20% de abertura de la válvula de compuerta. ¿Cómo varía el coeficiente de transferencia de calor promedio hm en función de las velocidades promedio del aire?, muestre sus resultados gráficamente e indique sus conclusiones

AN E X O Barra

Ducto

Unir a tierra

+

Rojo

1

x1

Graficador

-

+

Negro

Reversa Paro Avance

÷ 100

Velocidad de la carta

Avance del papel

5 

40 mV

÷ 20

Calibración a posición cero

Sensibilidad de la señal

Figura 2. Esquemas de condiciones en el graficador

6 