LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II GUÍA DE LABORATORIO SEMESTRE CONVECCIÓN

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1 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II Página 1 de 8 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II GUÍA DE LABORATORIO SEMESTRE CONVECCIÓN Diana Catalina Correa I. OBJETIVOS 1.1. GENERAL Determinar las diferencias entre la convección libre y la forzada, en una placa plana, placa con aletas y una placa con cilindros ESPECÍFICOS Comprobar el efecto del uso de superficies extendidas para aumentar la transferencia de calor por convección Determinar los coeficientes de convección libre y forzada para los sistemas estudiados. II. MARCO TEÓRICO CONVECCIÓN El modo de transferencia de calor por convección se compone de dos mecanismos. Además de la transferencia de energía debida al movimiento molecular aleatorio (difusión), la energía también se transfiere mediante el movimiento global, o macroscópico del fluido. El movimiento del fluido se asocia con el hecho de que en cualquier instante grandes números de moléculas se mueven de forma colectiva o como agregados. Tal movimiento, en presencia de un gradiente de temperatura, contribuye a la transferencia de calor. Como las moléculas en el agregado mantienen su movimiento aleatorio, la transferencia total de calor se debe entonces a una superposición de transporte de energía por el movimiento aleatorio de las moléculas y por el movimiento global del fluido. Se acostumbra utilizar el término convección cuando se hace referencia a este transporte acumulado y el término advección cuando se habla del transporte debido al movimiento volumétrico del fluido.

2 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II Página 2 de 8 Figura 1. Fluido sobre una superficie calentada Estamos especialmente interesados en la transferencia de calor por convección que ocurre entre un fluido en movimiento, y una superficie limitante cuando éstos tienen diferentes temperaturas. Considere el flujo del fluido sobre la superficie calentada de la figura 1. Una consecuencia de la interacción fluido-superficie es el desarrollo de una región en el fluido en la que la velocidad varía de cero en la superficie a un valor finito µ asociado con el flujo. Esta región del fluido se conoce como capa límite hidrodinámica o de velocidad. Más aún, si las temperaturas de la superficie y del fluido difieren habrá una región del fluido a través de la cual la temperatura varía de T s en y = 0 a T en el flujo exterior. Esta región, denominada capa límite térmica, puede ser más pequeña, más grande o del mismo tamaño que aquella en la que varía la velocidad. En cualquier caso, si T s > T ocurrirá la transferencia de calor por convección entre la superficie y el flujo exterior. El modo de transferencia de calor por convección se sustenta tanto en el movimiento molecular aleatorio como en el movimiento volumétrico del fluido en la capa límite. La contribución debida al movimiento molecular aleatorio (difusión) domina cerca de la superficie donde la velocidad del fluido es baja. De hecho, en la interfaz entre la superficie y el fluido (y = 0), la velocidad del fluido es cero y el calor se transfiere sólo por este mecanismo. La transferencia de calor por convección se clasifica de acuerdo con la naturaleza del flujo. Hablamos de convección forzada cuando el flujo es causado por medios externos como un ventilador, una bomba o vientos atmosféricos. Como ejemplo, considérese el uso de un ventilador para proporcionar enfriamiento por aire mediante convección forzada de los componentes eléctricos calientes sobre un arreglo de tarjetas de circuitos impresos (figura 2a). En cambio, en la convección libre (o natural) el flujo, es inducido por fuerzas de empuje que surgen a partir de diferencias de densidad ocasionadas por variaciones de temperatura en el fluido. Un ejemplo es la transferencia de calor por convección libre, que ocurre a partir de componentes calientes sobre un arreglo vertical de tarjetas de circuitos en aire inmóvil (Figura 2b). El aire que hace contacto con los componentes experimenta un aumento de temperatura, y en consecuencia una reducción en su densidad.

3 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II Página 3 de 8 Como ahora es más ligero que el aire de los alrededores, las fuerzas de empuje inducen un movimiento vertical por el que el aire caliente que asciende de las tarjetas es reemplazado por un flujo de entrada de aire ambiental más frío. Figura 2. Ejemplos de convección Aunque supusimos convección forzada pura en la Figura 2a y convección natural pura en la figura 2b, pueden existir las condiciones correspondientes a convección mezclada (combinada) forzada y convección natural. Por ejemplo, si las velocidades asociadas con el flujo de la figura a son pequeñas y/o las fuerzas de empuje son grandes, sería posible inducir un flujo secundario comparado al flujo forzado impuesto. El flujo de empuje inducido sería normal para el flujo forzado y tendría un efecto significativo sobre la transferencia de calor por convección a partir de los componentes. En la figura 2b habría convección mezclada si se usara un ventilador para forzar aire hacia arriba a través de las tarjetas de circuitos, ayudando con ello al flujo de empuje, o hacia abajo, oponiéndose a dicho flujo. Dos casos especiales de interés son la ebullición y la condensación. Por ejemplo, la transferencia de calor por convección resulta del movimiento de fluido inducido por las burbujas de vapor generadas en el fondo de una cacerola en la que se está hirviendo agua (figura 2c) o por la condensación de vapor de agua sobre la superficie externa de una tubería de agua fría (figura 2d). Sin importar la naturaleza particular del proceso de transferencia de calor por convección, la ecuación o modelo apropiado es de la forma Donde q", el flux de calor por convección (W/m 2 ), es proporcional a la diferencia entre las temperaturas de la superficie y del fluido, T s y T, respectivamente. Esta expresión se conoce como la ley de enfriamiento de Newton, y la constante de proporcionalidad h (W/m 2 K) se denomina coeficiente de transferencia de calor

4 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II Página 4 de 8 por convección. Éste depende de las condiciones en la capa límite, en las que influyen la geometría de la superficie, la naturaleza del movimiento del fluido y una variedad de propiedades termodinámicas del fluido y de transporte. Cuando se usa la ecuación, se supone que el flujo de calor por convección es positivo si el calor se transfiere desde la superficie (T s > T ) y negativo si el calor se transfiere hacia la superficie (T > T s ). Sin embargo, si T > T s no hay nada que nos impida expresar la ley de enfriamiento de Newton como En cuyo caso la transferencia de calor es positiva si es hacia la superficie. III. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Y MANUAL CONTROL DEL VENTILADOR MEDIDOR DE TEMPERATURA MEDIDOR DE POTENCIA ENCENDIDO Figura 3. Consola de control del módulo para la práctica de convección En la Figura 3, podemos encontrar el control de encendido del equipo, los controladores de potencia y ventilador y además podemos encontrar el medidor de temperatura, cuyo valor depende de la potencia suministrada.

5 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II Página 5 de 8 FLUJO DE AIRE VENTILADOR CAJA DE PRUEBAS CALENTADA SONDA DE TEMPERATURA Figura 4. Vista frontal del módulo para la práctica de convección La Figura 4 es una vista frontal del equipo. En ella podemos encontrar la sonda de temperatura que conecta el medidor de temperatura con la parte lateral de la caja de pruebas. Además, se encuentra el cable que suministra la potencia, que va desde la consola hasta la parte inferior de la caja de pruebas. Finalmente, podemos localizar la ubicación del ventilador y la salida de flujo de aire.

6 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II Página 6 de 8 CAJA DE PRUEBAS CALENTADA T salida T central SONDA DE TEMPERATURA VELOCIDAD DEL AIRE CALENTADOR T entrada Figura 5. Vista lateral del módulo para la práctica de convección En la figura 5, tenemos la vista lateral del equipo. Allí podemos observar donde van conectados a la caja de pruebas el cable que suministra la potencia y el medidor de temperatura mencionados en la figura 4. Además, se denotan tres puntos en los cuales se medirán la temperatura a la entrada, en el medio y a la salida del dispositivo. En general, el equipo para realizar las pruebas de convección consiste de un conducto rectangular ubicado en forma vertical. A 0.37 m desde el borde superior del conducto se encuentra una caja de pruebas en la que se puede ubicar una superficie lisa, una superficie con aletas o un banco de tubos. Una ventana ubicada al mismo nivel sobre la pared del conducto permite ver el dispositivo instalado (Ver figura 4). El flujo del aire a través del conducto puede darse en forma natural o forzada. La velocidad forzada del aire se regula usando un ventilador de velocidad graduable que se encuentra en la parte superior del equipo (Ver figura 4). Los valores de temperatura de la superficie expuesta de la caja de pruebas, así como la del aire que circula por el conducto se pueden medir usando un termistor sonda que se inserta a través de unos agujeros espaciados uniformemente que están en la parte lateral del equipo (Ver figura 5).

7 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II Página 7 de 8 El control general del montaje se hace a través de una consola eléctrica que cuenta con dos lectores digitales. Con uno de ellos se observa la potencia suministrada al permutador y con el otro la temperatura de la placa o del aire, usando el termopar correspondiente. Además, se encuentra el control del ventilador y el encendido del equipo (Ver Figura 3). IV. PROCEDIMIENTO 1. Colocar en la unidad de calentamiento o caja de pruebas, ya sea la superficie lisa, la superficie con aletas o el banco de tubos. 2. Anotar la temperatura ambiente del aire (T A ) para cada caso. 3. Conectar el cable que suministra la potencia a la caja de pruebas. 4. Ajustar la potencia de calentamiento a unos 75W aproximadamente. Tener en cuenta que al aumentar la potencia, la temperatura también aumentará, pero no debe sobrepasar 90ºC. Cuando el valor de la temperatura esté lo suficientemente alto (cercano a 80ºC), se debe bajar la potencia significativamente hasta que la temperatura tome un valor estable. 5. Ajustar la velocidad del ventilador con la perilla, dependiendo del experimento que se esté llevando a cabo (0m/s para convección libre y valores definidos para convección forzada).cada posición de la perilla corresponde a una velocidad del aire determinada dentro del ducto, la cual se puede leer de una tabla que se encuentra en la pared lateral de la consola de control (Figura 5). 6. Esperar a que la temperatura de la placa no cambie (estado estacionario en el ducto). 7. Anotar las lecturas de temperaturas: de la lámina T H, del aire a la entrada T entrada, del aire en la zona de la placa T central y del aire a la salida de la unidad de calentamiento T salida (Figura 5) 8. Realizar tres experimentos y llenar la siguiente tabla para cada tipo de placa. TABLA Convección Libre y Forzada Experimento Placa lisa Temperatura de la Placa (ºC) Temperatura Ambiente (ºC) Velocidad de Aire (m/s) 0 2 4

8 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II Página 8 de 8 Temperatura en Diferentes Puntos (ºC) Experimento Entrada Central Salida V. CÁLCULOS Y RESULTADOS 1. Calcule coeficientes de transferencia de calor por convección para los diferentes casos y diferentes placas, por medio de la ley de enfriamiento de Newton. 2. Comparar los resultados obtenidos anteriormente. 3. Analizar la temperatura en diferentes puntos identificando la distribución de la temperatura. 4. Calcule coeficientes de transferencia de calor por convección para la placa lisa usando correlaciones empíricas (tanto en convección libre como forzada) y comparar con los resultados obtenidos en el numeral 1. VI. BIBLIOGRAFÍA INCROPERA, Frank. DEWITT David. Fundamentos de transferencia de calor. cuarta edición, Editorial Prentice Hall 1999, México.