CONVECCIÓN. María Claudia Romero, Natalia Ballesteros, Julián Vargas E, Jair Murillo.

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1 CONVECCIÓN María Claudia Romero, Natalia Ballesteros, Julián Vargas E, Jair Murillo. OBJETIVOS GENERAL Determinar las diferencias entre la convección libre y la forzada, en una placa plana y en una, placa con aletas. 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. Resumen La transferencia de calor por convección se debe al movimiento de fluidos. El fluido frío entra en contacto con la superficie caliente y luego el calor se transfiere al resto de la mezcla de fluidos. La convección natural o libre ocurre cuando el movimiento del fluido no se complementa con agitación mecánica; Por otra parte, cuando el líquido es mecánicamente agitado, el calor se transfiere por convección forzada. La convección libre y forzada se podría hacer a velocidades diferentes, la última es más rápida por esta razón es la más común. Los factores que benefician las altas transferencias en la convección forzada no tiene necesariamente el mismo efecto sobre la convección libre. La transferencia de calor por convección depende de las propiedades del fluido en la superficie en contacto y el caudal. Algunas de sus propiedades son la viscosidad, la conductividad térmica, densidad y las propiedades involucradas en la superficie en el fenómeno de la convección son la geometría y la aspereza, sin embargo la tasa de flujo, si fue laminar ó turbulento, también tiene influencias sobre la tasa de transferencia de calor por convección. Abstract Heat transfer by convection is due to fluid movement. The cold fluid is adjacent to hot surfaces then heat is transferred to the rest of the fluid mixture. The natural or

2 free convection occurs when fluid motion is not complemented by mechanical agitation; On the other hand, when the fluid is mechanically agitated, heat is transferred by forced convection. The free and forced convection could be done at different speed, the last is faster for this reason is the most common. The Factors who benefit high transfers into the forced convection does not have necessarily the same effect on the free convection. Heat transfer by convection depends of fluid's properties on the surface in contact and flow rate. Some of their properties are viscosity, thermal conductivity, density and the properties involved into the surface in the phenom of convection are the geometry and roughness nevertheless the rate of flow, if it was laminar or turbulent, also has influences on the rate of heat transfer by convection. Datos Experimentales Tabla1.Placa lisa P= 12.1W Exp 1 Exp 2 Exp3 Tem. Placa Tem. Ambiente V.aire(m/s)(0,2,4) Tabla2.Placa lisa Placa lisa Exp 1 Exp 2 Exp3 Tem. Entrada Tem. Central Tem.salida Modelo de cálculos y resultados Placa lisa Convección libre: Ley de enfriamiento de Newton: =h ( ) (1) h= ( ) (2) Tabla3.placa con aletas P= 15.2W Exp1 Exp 2 Tem. Placa Tem.ambiente V.aire(m/s)(0, Tabla4.Placa con aletas Placa lisa Exp 1 Exp 2 Tem. Entrada Tem. central 40.8,36.5, ,27.8,273 Tem.salida Donde: q =calor por convección (W) h= Coeficiente de transferencia de calor por convección. (W/m 2 k) T =Temperatura de la uper icie. (K) T =Temperatura del luido. (K) A=Área uper icie expue ta. (m 2 ). Para este caso se definen los siguientes parámetros para una placa vertical:

3 Se calcula el numero número de RaleyghRayleigh, con el fin de establecer si el flujo es laminar o turbulento. = Pr= ( ) (3) Donde: β = Ra =Numero de Rayleigh α=difu ividad térmica [m 2 /s] g=gravedad [m/s 2 ] ν=vi co idad cinemática [m 2 /s] y se define el numero número de nuselt Nusselt asi : 0.670Ra u= ( / Pr) 9 16 Para 10 flujo laminar u h= L L * k 4 9 (4) (5) Temperatura de película del fluido, a esta temperatura se evalúan las propiedades del mismo Para los datos de la placa lisa tablas (2,3). Además para encontrar la temperatura del aire establecemos un promedio del perfil de temperaturas (entrada, centro, salida) Convección forzada Así como en la convección libre las propiedades del fluido se evalúan a la temperatura de película,. Se calcula el número de Reynolds, para determinar el tipo de flujo y así escoger la correlación adecuada: = (6) Si el flujo es laminar sobre toda la placa, la correlación apropiada es: u L =0.664* Re L 1/2 * Pr 1/ 3 Pr 0.6 (7) el coeficiente de transferencia de calor por convección h se despeja de la ecuación(5) como en la convección libre. Placa con aletas El coeficiente de transferencia de calor por convección se determinará a partir de la ley de enfriamiento de newton = (4) A = N A + A (7) t f b = temperatura en la superficie de la placa = temperatura de aire =2*w = + /2 =( )

4 Donde: N= numero de aletas = 9 l = longitud de la placa =0.067m w=ancho del arreglo=0.10m L = longitud de la base = 0.11m t = 0.004m se puede calcular asi así el área total de superficie de la aleta y con ello mediante la ecuación (2) calcular el coeficiente de convección para este arreglo. Placa lisa Convección libre: por Por medio de la ecuación (2) calculemos el coeficiente de convección h= ( ) h = Hay un pequeño error debido a que tomaron una temperatura del ambiente diferente a la reportada en la tabla 1 Aire Placa plana = 323K L[m] 0.11 [ ] Viscosidad cinemática [m 2 /s] x10-6 Difusividad [m 2 /s] x 10-6 Pr 0,703 k [W/m-K] 28.0x10-3 β[k -1 ] por correlaciones se tiene : = ( ) = Hay una pequeña variación debido a la T del ambiente que tomaron para el cálculo (302.5 K) ahora calculemos el numero de nuselt Nusselt promedio * ( ) u = ( / 0.703) 16 + = Entonces el coeficiente promedio de transferencia de calor por convección: h = h =5.733 Convección forzada: Para los experimentos de la placa lisa la se tienen las siguientes propiedades del aire a la temperatura de película. NOTA: las temperaturas de película de los experimentos 2 y 3 son casi que iguales luego se pueden utilizar las propiedades del aire utilizadas en el experimento

5 = x10 = OJO: Debido a que el aire está circulando a través de un ducto rectangular, la dimensión a usar para el cálculo del Re debe ser el diámetro equivalente del ducto. Podemos utilizar la ecuación (7) para a partir de esta calcular el coeficiente de convección u L =0.664*( ) 1/2 *(0.703) 1/ 3 u L = Así entonces : h = h = Entonces el coeficiente de Coeficien.convec L. de enfriamiento conveccion.libre Convec forzada(2) Convec forzada(4) Convec forzada(4) convección para el experimento 1 de la sección con aletas es: h= Placa lisa Correlaciones empíricas conveccion.libre Convec forzada(2) Placa aletas ( ) Está muy alto debido a la baja área trabajada. Además también hay problemas con la T ambiental h = X para el caso de placas con aletas calculemos el area área total =( )0.11 = = =0.069 =2*0.10*0.069 = m 2 A t = Error en el cálculo = Tabla.5 de resultados Análisis de resultados Observando los resultados de la placa lisa existe un distanciamiento notable entre los valores del coeficiente de transferencia de calor por convección determinados a partir de la ley de enfriamiento de newton Newton y correlaciones empíricas. la

6 La diferencia entre estos valores se debe a varios factores uno de ellos es que para el caso de la ley de enfriamiento de newton Newton los valores de temperatura utilizados para hacer los cálculos tienen una gran incertidumbre por el aparato mismo con que se miden las temperaturas del fluido, los errores lógicos que se cometen por en ela manipulamiento manipulación del equipo. Los valores de h obtenidos para placa lisa mediante las correlaciones para flujo libre se encuentran dentro del rango típico del valor del coeficiente de convección entre una superficie y un gas, que varía de 2-25 W /m 2 K, mientras que el valor obtenido experimentalmente no cae dentro de este rango (pero está muy cercano). Todos los valores de h obtenidos para las aletas se encuentran dentro del rango típico? (Están reportando valores muy altos en la tabla 5). Los valores obtenidos para flujo forzado caen dentro del rango que varía de W/m 2 K.Otro aspecto importante en este caso es el comportamiento de flujo que tiene el aire en la placa vertical para nuestros casos el flujo fue laminar para el experimento 2 en la placa lisa y casi que critico crítico con carácter más laminar que turbulento para el experimento 3 en la misma placa. Esto influye notablemente en las correlaciones empíricas puesta puesto que los números adimencionales adimensionales Reynolds y nusselt Nusselt dependen de estas condiciones de flujo y de la naturaleza del fluido. además Además, es válido decir que los coeficientes de convección calculados con estas correlaciones son promedio, es decir es un estimado de sobre la superficie de la placa y no sobre un punto en particular (Confuso). asi Así entonces uno asume que el valor de este coeficiente calculado a partir de la ley de enfriamiento de newton Newton también lo es, cosa que no es totalmente cierta por el hecho de que la temperatura del fluido (aire) tiene un perfil de temperaturas con lo que es muy difícil establecer a ciencia cierta cuál es la temperatura optima óptima y correcta para hacer los cálculos. Por otro lado, para el caso de placa con aletas se hicieron los cálculos a partir de la ley de enfriamiento de newton Newton. par Para ello se calculo calculó el área superficial expuesta en contacto con el fluido para este arreglo en particular. sin Sin embargo se pudo haber utilizado también correlaciones empíricas en las que a partir de la geometría y dimensiones del la placa se pudiera estimar el número de nusselt Nusselt y con ello calcular el coeficiente de convección para este tipo de placa. Conclusiones Se demostró que en la convección libre el valor del coeficiente de convección es menor que para la convección forzada y que en la convección

7 libre el movimiento del fluido se debe a las fuerzas de empuje dentro de este. mientras que en la convección forzada se impone de forma externa. Cómo se demostró esto último? Los resultados calculados por medio de las correlaciones empíricas fueron mejores que los estimados experimentalmente debido a la uniformidad de los resultados arrojados y por la estabilidad que tienen estos en el rango expuesto por la teoría El aumento en la transferencia de calor en placas con superficies extendidas no se debe a un aumento en el coeficiente de Convección sino en a un aumento del área de transferencia Bibliografía: INCROPERA, Frank P y DEWITT David, Fundamentals of hueat and mass transfer, 4 edición, Editorial Wiley, 1996, Estados Unidos de Norteamérica. Capítulos 7,8,9. INCROPERA, Frank P y DEWITT David, Fundamentals of hueat and mass transfer, 4 edición, Editorial Wiley, 1996, Estados Unidos de Norteamérica. DONALD Q. KERN. Procesos de Transferencia de Calor. Compañía Editorial Mc GrawHill. New Cork. 1972

8 CONVECCIÓN Ítem evaluado Observaciones Nota Objetivos e introducción Objetivos bien. No hay introducción 2,5 10 Abstract y palabras clave Datos obtenidos tabulados y correspondencia con el preinforme En el abstract se limitan a dar teoría sobre el fenómeno de convección. Lo escrito quedaría mejor ubicado en la introducción. No hay palabras claves. % informe 3,0 7 5,0 7 Bien Cálculo Modelo Bien 5,0 12 Resultados Tabulados Discusión y análisis Con la placa plana está todo bien. Con la placa con aletas hay problemas en los cálculos Se comparan los resultados con los dados en la literatura. Se dan causas de error. No se comparan los resultados entre placa lisa y con aletas, o entre convección libre y forzada 3,8 17 4,0 22 Conclusiones Bien, aunque algunas cosas mencionadas en las conclusiones no están 4,5 12 discutidas en el análisis Bibliografía No se indica de dónde se sacaron las ecuaciones y datos usados 4,0 7 Presentación del informe El tamaño de la letra se puede disminuir para trabajar en las dos columnas 4,6 6 NOTA FINAL 4,0