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UNIVERSIDAD DE CARTAGENA PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I INFORME PRÁCTICA # 4 – TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN FORZADA GRUPO 2 Barrios Julieth1, Herrera Alcides1, Hinestroza Daira1, Passo Sebastian1. PhD. Ángel González2. 1

Estudiante de VII Semestre de Ingeniería Química, 2Docente de la Universidad de Cartagena

1. INTRODUCCIÓN Cuando un fluido se pone en contacto con una superficie sólida a una temperatura distinta, el proceso resultante de intercambio de energía térmica se denomina transferencia de calor por convección. La convección se clasifica como convección natural (o libre) y forzada, dependiendo de la manera en que se inicia el movimiento del fluido. En la convección forzada se obliga a que el fluido fluya sobre una superficie o en un tubo por medios externos, como una bomba o un ventilador. En la convección natural, cualquier movimiento del fluido es causado por medios naturales, como el efecto de flotación, el cual se manifiesta como la subida del fluido caliente y la caída del fluido frío. La convección también se clasifica como externa e interna, dependiendo de si se obliga al fluido a fluir sobre una superficie o en un tubo. La transferencia de calor a través de un fluido es por convección cuando se tiene un movimiento masivo de este último y por conducción cuando no existe dicho movimiento. La transferencia de calor

por convección es complicada por el hecho de que comprende movimiento del fluido así como conducción del calor. El movimiento del fluido mejora la transferencia de calor, ya que pone en contacto porciones más calientes y más frías de ese fluido, iniciando índices más altos de conducción en un gran número de sitios. Por lo tanto, la velocidad de la transferencia de calor a través de un fluido es mucho más alta por convección que por conducción. De hecho, entre más alta es la velocidad del fluido, mayor es la velocidad de la transferencia de calor. 2. OBJETIVOS Objetivo general Observar experimentalmente la transferencia de calor por convección forzada en un sistema de flujo de aire y una placa plana. Objetivos específicos 



Determinar si régimen de la capa límite del flujo de aire está en régimen laminar o turbulento. Determinar los números adimensionales necesarios para la medición y cálculos de la práctica.

3. MARCO TEÓRICO  Transferencia de calor: La transferencia de calor se produce normalmente desde un objeto con alta temperatura, a otro objeto con temperatura más baja. La transferencia de calor cambia la energía interna de ambos sistemas implicados, de acuerdo con la primera ley de la Termodinámica.  Conducción: La conducción es la transferencia de calor, por medio de la excitación molecular en el interior del material, sin ningún tipo de movimiento entre los objetos. Si un extremo de una barra de metal está a una temperatura más alta, entonces se transferirá energía hacia el extremo más frío, debido a las colisiones de partículas de alta velocidad con las más lentas, produciéndose una transferencia neta de energía hacia estas últimas. En una transferencia entre dos superficies planas, como la pérdida de calor a través de las paredes de una casa, se utiliza la ecuación o modelo conocido como la ley de Fourier:

(Ecuación 1) 

Convección: Cuando un fluido se pone en contacto con una superficie sólida a una temperatura distinta, el proceso resultante de intercambio de

energía térmica se denomina transferencia de calor por convección. Hay dos tipos de procesos de convección: convección libre o natural y convección forzada, se define como:

(Ecuación 2)



Radiación: La radiación térmica es la energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura finita. La cantidad de energía que abandona una superficie en forma de calor radiante depende de la temperatura absoluta y de la naturaleza de la superficie.  Coeficiente de transferencia de calor por convección: La evaluación del coeficiente de transferencia de calor h es bastante difícil puesto que por lo regular comprende fenómenos físicos muy complejos. Usando las técnicas del análisis dimensional puede demostrarse que los parámetros comprendidos en la transferencia de calor por convección natural pueden expresarse según h=D+ EV + F V 2(Ecuación 3)  Número de Nusselt: (Nu) es un número adimensional que mide el aumento de la transmisión de calor desde una superficie por la que un fluido discurre (transferencia de calor por convección) comparada con

la transferencia de calor si ésta ocurriera solamente por conducción.

(Ecuación 4)

 Número de Prandtl: (Pr) es un número adimensional proporcional al cociente entre la difusividad de momento (viscosidad) y la difusividad térmica. Representa la relación que existe entre la difusividad molecular de la cantidad de movimiento y la difusividad molecular del calor o entre el espesor de la capa límite de velocidad y la capa límite térmica:

(Ecuación 5)

 Número de Reynolds: (Re) es un parámetro adimensional cuyo valor indica si el flujo sigue un módelo láminar o turbulento. El número de Reynolds depende de la velocidad del fluido, del diámetro de tubería, o diámetro equivalente si la conducción no es circular, Representa la relación que existe entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas que actúan sobre un elemento de volumen de un fluido.

4. METODOLOGÍA I. Se inició el sistema de calentamiento de la placa. II. Se encendió el sistema de ventilación para hacer incidir una corriente de aire sobre la placa. III. Se midió la velocidad del aire. IV. Se determinó la temperatura superficial (de la placa). V. Se tomó la temperatura de aire en el ducto. VI. Se midió la temperatura del aire a la salida del ducto a una poca y media distancia de la placa. VII. Se tomaron los valores de los pasos 6-8 cada 30 segundos. Se repitieron los pasos anteriores para una velocidad de aire diferente.

5. RESULTADOS Los datos obtenidos en la prueba experimental son presentados en las tablas 3, 4 y 5. En la tabla 1, 2 y 3 vamos a observar la temperatura de la placa a diferente temperatura.

Tabla 1. Temperatura de la placa a una velocidad de 0.7 m/s. (Ecuación 6)

Nu=C∗R e m 0,886 La ecuación 8 es linealizada como se muestra en la ecuación 9. ln NU =lnC +m ln ℜ−0.121 (Ecuación 9)

Se graficó ln Nu vs ln Re, como se observa en la figura 1. Tabla 2. Temperatura de la placa a una velocidad de 1.1 m/s.

Tabla 3. Temperatura de la placa a una velocidad de 1.6 m/s.

El número de Nusselt puede ser hallado por medio de la correlación presentada en la ecuación 7. 1

(Ecuación 7)

( PrPr )

1 4

s

(Ecuación 8)

Donde: (

Pr 1/ 4 ) =1 y Pr 0,37=0,886 Pr s

Resultando

Según la ecuación de la recta m= 0,5 c= -0,7944 Con lo que la correlación queda como se muestra en la siguiente ecuación

1

Nu x =0,644∗ℜ x 2∗Pr 3 N u=C ℜm Pr0,37∗

Figura 1. Grafica obtenida para Ln(Nu) vs Ln(Re).

Nu=−0,7944∗ℜ0.5 0,886 (Ecuación 10)

6. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Temperatura vs Tiempo V=1,6m/s

Temperatura vs Tiempo V=0,7m/s

70

70

60 T1 T2 T3 T4

50 40 30 20 10 0

Temperatura(°C)

Temperatura(°C)

60

40 30 20 10 0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

T1 T2 T3 T4

50

0

1

2

3

4

5

6

7

Tiempo(min)

Tiempo(min)

Figura 4: Grafica de datos experimentales respecto al tiempo, REV 60%.

Figura 2: Grafica de datos experimentales respecto al tiempo, REV 30%.

En las gráficas 2, 3 y 4, observamos el comportamiento de la temperatura con respecto al tiempo donde:

Temperatura vs Tiempo V=1,1m/s

T1: Temperatura de entrada del aire. T2: Temperatura superficie de la placa.

70

Temperatura(°C)

60 50

T1 T2 T3 T4

40 30 20 10 0

0

1

2

3

4

5

6

7

Tiempo(min)

Figura 3: Grafica de datos experimentales respecto al tiempo, REV 90%.

T3: Temperatura del aire a cierta distancia de la placa. T4: Temperatura del aire a la salida del equipo. De estas mismas figuras, se puede evidenciar como el fluido en este caso el aire aumenta su temperatura al pasar a través de la placa plana, pero a su vez va perdiendo el calor que adquirió a medida que se aleja de la misma. En las figuras 2 y 3, se observa que el aire a la salida del equipo tiene una temperatura mayor a su temperatura de entrada. Mientras que en las figuras 4 no se evidencia un aumento en la temperatura de salida del aire con

respecto a la de entrada, lo que se le atribuye a errores en las termocuplas. Al igual, de estas figuras se puede concluir que a mayor revolución en el equipo, mayor será la tasa de transferencia de calor. 7. CONCLUSIONES De los resultados obtenidos, se puede concluir: 



8. 













Mayor velocidad del fluido, mayor tasa de transferencia de calor. El número de Nusselt calculado a partir de la correlación obtenida, no presenta errores significativos al ser calculado con otra correlación. MEDIDAS DE SEGURIDAD Asegurarse de revisar que la puerta del gabinete de control se encuentre cerrada. Asegurarse que la puerta de acrílico del túnel permanezca cerrada durante la operación. Las resistencias deberán estar en posición off si el equipo no está en operación. Verificar que el equipo se encuentre conectado a 110 V de corriente alterna. Coloque los sensores de la temperatura en la toma correspondiente fijándolos con su seguro. Verificar que la protección de corriente del equipo sea superior a 25 A. Asegurarse que los interruptores de calentamiento

de cada placa se encuentre en posición off. 9. BIBLIOGRAFIA  Cengel, Y. & Ghajar, A. Transferencia de calor y masa (4° edición). Mc GRAWHIL/INTERAMERICA EDITORES, S.A. DE C.V.  Incropera, F., De Witt, D. (1999). Fundamentos de Transferencia de Calor. Editorial Prentice Hall. Cuarta Edición. México.  Incropera, F., Fundamentals of Heat and Mass Transfer. Sexta Edicion. Editorial John Wiley & Sons, 2007.

ANEXOS

Tabla 1. Temperatura de la placa a una velocidad de 0.7 m/s.

Tabla 2. Temperatura de la placa a una velocidad de 1.1 m/s.

Tabla 3. Temperatura de la placa a una velocidad de 1.6 m/s.

Tabla 3. Datos tomados experimentalmente, REV=30%.

Tabla 4. Datos tomados experimentalmente, REV=60%.

Tabla 5. Datos tomados experimentalmente, REV=60%.