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• Mati Gonzalez

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UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MAQUINAS TÉRMICAS TRANSFERENCIA DE CALOR LABORATORIO No. 3

MEC – 2251 CONVECCIÓN LIBRE O NATURAL EN UN TUBO HORIZONTAL

CONVECCIÓN LIBRE O NATURAL EN UN TUBO HORIZONTAL 1. INTRODUCCION Los coeficientes de transferencia de calor por convección generalmente son determinados a través de experimentos que envuelven el uso de complejos instrumentos y mediciones difíciles. Un método alternativo para obtener el coeficiente de transferencia de calor por convección, o en general estudiar procesos donde existe transferencia de calor, es conducir los experimentos a través de la transferencia de masa. Los métodos de medición basados en la transferencia de masa en general reportan menores índices de incertidumbre y son relativamente más simples para el montaje y para el control de los parámetros del experimento 1.1. ANTECEDENTES La convección es el mecanismo de transferencia de calor que a diferencia de la conducción y radiación necesita de un movimiento de masa. Los experimentos en transferencia de calor para la convección son innumerables así como también la disponibilidad de un amplio número de fórmulas para la determinación del coeficiente de convección.

1.2. OBJETIVOS 

Profundizar los conceptos fundamentales de la convección y básicos de radiación.



Confrontar el valor de coeficiente de convección natural obtenido a través de mediciones experimentales con el cálculo a través del uso de la formula preestablecida.

1.3. FUNDAMENTO TEÓRICO Los métodos para el cálculo de los coeficientes de convección son cuatro: - Análisis dimensional combinado con experimentos - Soluciones matemáticas exactas de las ecuaciones de capa frontera - Análisis aproximado de la capa frontera por métodos integrales - Analogía entre la transferencia de calor, transferencia de masa y transferencia de cantidad de movimiento El análisis dimensional es de simple tratamiento matemático pero que necesariamente para completar los resultados es necesario insertar datos experimentales; este método facilita la interpretación y amplia el dominio de aplicación de datos experimentales, correlacionándolos en términos de grupos adimensionales.

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Por la naturaleza del movimiento del fluido la convección se clasifica en: Convección Natural: cuando el movimiento del fluido es por efecto de la diferencia de densidades debida a la variación de temperatura. Convección Forzada cuando el movimiento es ocasionado por un agente externo: bombas, ventiladores, compresores, etc. Ambos tipos de convección a su vez pueden clasificarse de acuerdo al tipo de flujo en: Régimen Laminar y Régimen turbulento, estos regímenes son reconocidos a través de valores limites definidos de números adimensionales. Por ultimo de acuerdo a la naturaleza del fluido, su movimiento, la geometría del sistema de transferencia de calor se tiene que definir la temperatura característica del proceso de convectivo: Temperatura de Película y/o Temperatura global, con las cuales se procederá a la evaluación de las propiedades del fluido.

1.3.1. MECANISMO DE CONVECCION El mecanismo de transferencia de calor por convección requiere de un medio fluido para el transporte de energía, la transferencia de calor de debe a dos capas peliculares, a través de la primera que es una capa estacionaria, existe transferencia de calor por conducción, y por la segunda capa que tiene un movimiento laminar independiente del movimiento global del fluido, por lo tanto en esta transferencia de energía se detallan dos tipos de transferencia: de calor y de momento Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos. Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. De forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel exterior — que está más frío— desciende, mientras que al aire cercano al panel interior —más caliente— asciende, lo que produce un movimiento de circulación.

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El calentamiento de una habitación mediante un radiador no depende tanto de la radiación como de las corrientes naturales de convección, que hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el radiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea máxima. De la misma forma, la convección natural es responsable de la ascensión del agua caliente y el vapor en las calderas de convección natural, y del tiro de las chimeneas. La convección también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie. . Existen dos tipos de de transferencia de calor por convección forzada.

que son: libre o natural y

El análisis de transferencia de calor por convección es imposible obtener modelos matemáticos por lo cual se recurre a procedimientos experimentales, para el estudio de dividimos el proceso en dos partes la primera que es el análisis dimensional, y la segunda que es la que nos permite experimentar obteniendo ecuaciones especificas, actualmente se conocen alrededor de 1000 formulas empíricas para encontrar el coeficiente convectivo (h)

1.3.2. CONVECCION LIBRE O NATURAL Para este caso se consideran las mismas variables vistas en la convección forzada a excepción de la velocidad, debido que en convección natural existe otro parámetro denominado la fuerza ascensional, una variable que está en función de la temperatura, la densidad del fluido, el coeficiente de dilatación volumétrica.

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LABORATORIO No. 3

Fig. 1.1 Convección Libre o Natural A partir de esta definición se tiene a la fuerza ascensional:

Fa=

(W af −W nc ) Vol

(1.1)

También de la relación de la expansión de los gases se tiene:

ρo− ρ=ρo⋅β⋅Δt

(1.2)

Donde β es el coeficiente de expansión volumétrica Haciendo el álgebra necesaria se tiene:

Fa=g( ρo−ρ)=g⋅ρo⋅β⋅Δt

(1.3) La ecuación global se halla del mismo modo que para convección forzada, variando que hay que añadir como variables indispensables a la gravedad, el coeficiente de expansión volumétrica y diferencia de temperaturas, en cuenta de la velocidad en el fluido que se tomo en cuenta en el análisis de convección forzada Debido al nuevo análisis dimensional por el método PI se tiene: Un nuevo grupo adimensional es el número de Grashoff el cual es: 3

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Fuerzas−ascencional g∗L ∗ρ ∗β∗Δt Gr= = Fuerzas−vis cosas μ2

(1.4) La ecuación empírica que define a la transferencia de calor por convección es:

Nu=C∗( Gr *Pr )n

(1.5)

Las propiedades evalúan a la temperatura de película.

Tf=

T w +T ∞ 2

(1.6)

1.3.3. ECUACIONES SIMPLIFICADAS PARA EL AIRE TABLA 1.3.1 Coeficiente de Convección para el aire en diversos casos Superficie

Laminar 10 4