CONVECCION LIBRE Y FORZADA

ESTUDIANTES:

YEISON OROZCO

GASPAR SOTO

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

MEDELLÍN

2012

CONVECCION LIBRE Y FORZADA

ESTUDIANTES:

YEISON OROZCO

GASPAR SOTO

INFORME DE PRACTICA EXPERIMENTAL #4

PROFESOR:

YUHAN LENIS

ASIGNATURA:

IMC-481 GR01 LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

MEDELLÍN

2012

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CONTENIDO

GLOSARIO .................................................................................................... 4

RESUMEN .................................................................................................... 5

OBJETIVOS .................................................................................................. 6

PROCEDIMIENTO ....................................................................................... 7

PREGUNTAS ................................................................................................ 8

RESULTADOS Y ANALISIS ....................................................................... 9

CONCLUSIONES ....................................................................................... 14

BILBIOGRAFIA ........................................................................................... 15

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GLOSARIO

CONVECCION LIBRE: Es aquella transferencia de calor que ocurre entre un

fluido en movimiento y una superficie limitante cuando estos tienen diferentes

temperaturas.

CONVECCION FORZADA: Es la transferencia de calor cuando el flujo es causado

por medios externos como un ventilador, una bomba o vientos atmosféricos.

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RESUMEN

Para la práctica se utilizaran dos equipos. El primero es el equipo de convección

libre y forzada que se encuentra en el laboratorio de operaciones unitarias, el

cual se conectará una placa como se muestra la Figura 2, a la cual se le puede

variar la potencia de entrada. El segundo es una placa de aluminio con un

suministro de potencia proveniente de una conexión eléctrica de 110 voltios como

se ilustra en la Figura 5. Adicionalmente, se utilizará un cilindro conectado como

se muestra en la Figura 4 conectado también a 110 voltios. En todos casos se

expone la superficie de transferencia de calor al aire circundante del

laboratorio con las mediciones de estos montajes se encuentra el coeficiente de

convección libre. Posteriormente se utilizará el equipo de convección como se

muestra en la Figura 3, para someter la placa a convección forzada.

Figura 2. Placa horizontal del equipo de Figura 3. Placa del equipo de convección forzada. Convección forzada.

Figura 4. Cilindro vertical convección Figura 5. Placa horizontal en convección libre. Libre.

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OBJETIVOS

Demostrar la relación entre la entrada de corriente eléctrica y la

temperatura de superficie en convección libre.

Demostrar la relación entre la entrada de corriente eléctrica y la

temperatura de superficie en convección forzada.

Verificar que el coeficiente convectivo es una propiedad del fluido en el que

está inmerso un cuerpo.

Calcular el coeficiente de convección forzada para un montaje dado.

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PROCEDIMIENTO

1. Conectar los montajes a una potencia dada, con tiempo suficiente para

que el sistema estabilice.

2. Tomar mediciones de temperatura ambiente y en diferentes puntos de

la placa del primer montaje.

3. Registrar la potencia suministrada.

4. Repetir pasos 1 y 2 para el segundo montaje.

5. Para el segundo montaje mida la corriente y el voltaje suministrados.

6. Realizar los pasos 1 y 2 para diferentes valores de potencia.

7. Tomar mediciones de temperatura ambiente y en diferentes puntos del

cilindro.

8. Medir la corriente y el voltaje suministrados al cilindro.

9. Conectar el sistema como se ilustra en la Figura 3 con una velocidad de

ventilador a 1m/s y espere media hora mientras el sistema estabiliza para

tomar las mediciones.

10. Repetir el paso 5 para dos velocidades más 1.5m/s y 2m/s.

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PREGUNTAS

1. Calcule el coeficiente convectivo para las dos placas y el cilindro en

convección libre. 2. Calcule el coeficiente convectivo para la placa sometida a convección

forzada en todos los casos.

3. Analice la variación del coeficiente convectivo con relación a la velocidad del aire.

4. Compare los coeficientes obtenidos en convección libre.

5. Analice el efecto de la geometría sobre el coeficiente convectivo.

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RESULTADOS Y ANALISIS

Cara Frontal Cara Posterior

: 134,6 ºC : 80,3 ºC

: 121,1 ºC : 79,6 ºC

: 142,5 ºC : 90,0 ºC

: 111,0 ºC : 74,0 ºC

: 107,5 ºC : 77,2 ºC

: 123,34 ºC : 80,22 ºC

Tabla1. Temperaturas obtenidas en la placa cuadrada #1.Para convección libre.

Cilindro de acero. Convección libre.

Temperatura en ºC

: 89,9

: 106,5

: 113,4

: 126,9

: 122,5

: 121,6

: 120,7

: 110,5

:114,0

Tabla 2. Temperaturas obtenidas para el cilindro de acero.

Convección libre. Placa #2 Convección forzada. Placa #2

Potencia eléctrica: 22,5W Potencia eléctrica: 22,5 W

Temperatura base de la placa: 91 ºC Temperatura base de la placa: 86 ºC

Velocidad del aire: 0,27m/s Velocidad del aire: 0,95m/s

Temperatura del aire a la salida: 29 ºC Temperatura del aire a la salida: 25,6 ºC Tabla 3. Datos obtenidos para la placa #2 en convección libre y forzada.

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COEFICIENTE CONVECTIVO PARA LAS PLACAS No. 1 Y 2 Y EL CILINDRO EN CONVECCION LIBRE

Tomando la ley de enfriamiento de Newton, se tiene:

Q = hA (Ts-Tf)

h = Q/ (A (Ts-Tf))

Donde, el calor que libera la placa No.1 por primera ley de la termodinámica es:

Q =

Donde:

= V*I

Midiendo el voltaje de la placa #1 y la corriente eléctrica suministrada por medio

de una pinza volti-amperimetrica para la cara frontal tenemos:

PLACA No.1

V = 110V

I = 2,5A

Nos queda que el calor es igual a:

Q = 275W

Reemplazando Q en (1), nos queda:

h = 275W / [(0,1156 ) (396,49-298,15) K]

= 24,19 W/ K

Para la cara posterior tenemos:

h = Q/ (A (Ts-Tf)) (1)

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= 275W / [(0,1156 ) (353,37-298,15) K]

= 43,080W/

CILINDRO:

Q =

= V*I V= 110v I= 0,8A

= 110v*0,8A= 88W

h = Q/ (A (Ts-Tf)) (1)

A= πDL= 0,132

h= 88W/ [(0,132 ) (387,15 – 298,15) K]

= 7,4906 W/ K

Velocidad Aire (m/s)

Temperatura Superficie (°C)

Temperatura antes (°C)

Temperatura después (°C)

0.27 91 25 29.0

0.95 86 25 25.6 Tabla 4. Datos placa # 2

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CALCULOS Y RESULTADOS

1. Calcule el coeficiente convectivo para la placa y el cilindro en

conveccion libre.

PLACA # 2:

Pot = 22.5 w

Q = Pot = 22.5 w

Medición 1:

= 29 °C

Velocidad del aire =0,27 m/s

h = Q/A (364.15 – 302.15) K

h = 22.5 W/ (0.011 ) (62) K

= 32.9912 w/ K

Medición 2:

= 25.6 °C

Velocidad del aire = 0,95 m/s

A = 0.11m x 0.10m

A = 0.011

h = Q/A (359.15 – 298.75) K

h = 22.5 W/ (0.011 ) (60.4) K

= 33.8651 w/ K

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2. Analice la variación del coeficiente convectivo con relación a la

velocidad de aire.

En nuestro caso los coeficientes convectivos dieron muy similares, lo cual

no es correcto ya que el coeficiente convectivo depende de la velocidad, ya

que a mayor velocidad se genera un numero Re, y si el Re aumenta, el

numero Nu aumenta y el coeficiente convectivo es directamente

proporcional al Nu

4. Compare los coeficientes obtenidos en convección libre.

Los coeficientes deberían ser iguales ya que los dos ensayos fueron

realizados con las mismas condiciones, pero se encuentra que el

coeficiente convectivo de la placa plana es mucho mayor que el del cilindro

e incluso se encuentra en el rango de convección forzada en la cara

posterior de la placa y en la cara principal de la placa se encuentra en

convección libre al igual que el cilindro, lo que significa que es un valor poco

confiable.

5. Analice el efecto de la geometría sobre el coeficiente convectivo.

El coeficiente convectivo depende de las condiciones de la capa limite, en

las que influye, entre otros factores, la geometría de la superficie.

Aunque es difícil cuantificar matemáticamente la dependencia del

coeficiente convectivo con la geometría de la superficie, se sabe por

experimentación, que la geometría influye directamente sobre el valor de

dicho coeficiente.

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CONCLUSIONES

Se pudo notar que cuando se hizo el cálculo del coeficiente convectivo para

la convección libre, este debería dar muy similar, lo cual no fue así y esto se

puede atribuir a que se pudieron generar perdidas por conducción en la

placa, lo cual genero menor calor liberado por convección generando unos

delta de temperaturas menores, lo cual repercutió en el valor del h.

En el cálculo del coeficiente convectivo, en convección forzada se

encontraron que los h, dieron muy similares lo cual indica que no era una

respuesta coherente, ya que se puede decir que a mayor velocidad del

fluido mayor será la transferencia de calor por convección, mayor será el h.

El análisis de coeficientes convectivos en convección forzada es de gran

importancia a la hora de diseñar sistemas de ventilación, de aquí la

importancia de dicha práctica.

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BILBIOGRAFIA

Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Frank P. Incropera, Sixth Edition,

editorial John Wiley & Sons, 2007.