Convecci¢n Libre y Forzada

Prof. S. Rincn; Ing. D. Contento

Facultad de Ingeniera Departamento de Ingeniera Mecnica y Mecatrnica Laboratorio de Transferencia de Calor

CONVECCIN LIBRE Y FORZADA

1. TEORIA La conveccin es un proceso de transporte de energa por la accin combinada de conduccin de calor, almacenamiento de energa y movimiento de mezcla. La transferencia de calor por conveccin, se presenta cuando un fluido est en contacto con un slido. Si las temperaturas del fluido y el slido son diferentes habr transferencia de calor entre la superficie del slido y el fluido. La transferencia de calor es por conveccin libre, si el movimiento del fluido es ocasionado por fuerzas de empuje debidas a diferencias de densidad., que son causadas por diferencias de temperatura en el fluido. La transferencia de calor es por conveccin forzada cuando se induce un movimiento artificial entre el fluido y el slido, que impulsa el fluido sobre la superficie del slido. El coeficiente de transferencia de calor est definido como:

ATTQh

fp )( =

&

h : Coeficiente de transferencia de calor Q& : Calor transferido

pT : Temperatura de la pared

fT : Temperatura del fluido A : rea perpendicular a las lneas de flujo de calor

2. EQUIPO De acuerdo al plano del laboratorio del equipo para las prcticas de conveccin libre y forzada est compuesto por: Cmara de prueba Es una cmara de vidrio que encierra un tubo condensador, de cobre de pulgada de dimetro nominal. La parte de prueba de este tubo de cobre , exactamente 24 pulgadas de longitud, est cubierta por un cilindro metlico que elimina conveccin trmica indeseable, radialmente inducida entre el tubo y la cubierta de vidrio . Recipiente de condensado El condensado que se forma sobre el tubo metlico se recoge en la parte inferior de la zona de prueba de la cul pasa a una rata uniforme en el recipiente. Circuito del vapor El vapor entra por la parte inferior del sistema y se descarga en la cmara a travs de un tubo doblado en U, de tal manera, que lo desva verticalmente hacia abajo a una almohadilla de viruta de acero inoxidable. Este material distribuye uniformemente a la seccin de prueba. Termopares Son del tipo Cromel-alumen, dos localizados en la entrada y salida de agua respectivamente y otros dos soldados a la superficie exterior del tubo de cobre. 3. COEFICIENTES DE PELCULA El coeficiente de transferencia de calor prctico est definido como:



ATTQh

fp )( =

&

h : Coeficiente de transferencia de calor (interior o exterior) Q& : Calor transferido

pT : Temperatura de la pared

fT : Temperatura del fluido A : rea perpendicular a las lneas de flujo de calor (interior o exterior) El coeficiente de transferencia de calor terico est definido como:

DkNuh =

Donde , En conveccin libre Pr)(GrfNu = En conveccin forzada Pr)(RefNu = h : Coeficiente de transferencia de calor o coeficiente de pelcula D : Dimetro interior o exterior k . Conductividad trmica del fluido Gr : Nmero de Grashof Nu : Nmero de Nusselt Pr : Nmero de Prandtl Re = Nmero de Reynolds Consideraciones de las ecuaciones para la transferencia de calor por conveccin: Para la determinacin de los coeficientes de pelcula tericos interiores considere que se tiene conveccin libre en un tubo vertical, donde el agua que circula dentro del tubo vertical es calentada mediante vapor saturado. El coeficiente de pelcula terico exterior, corresponde a condensacin laminar tipo pelcula, solo si el nmero de Reynolds es menor de 1800. En

caso contrario utilice la frmula emprica para condensacin en pelcula turbulenta, sobre superficies verticales. Para la determinacin del coeficiente de pelcula prctico interior considere para su definicin que el flujo de calor corresponde al calor ganado por el agua de proceso que circula por el interior del tubo vertical. Para la determinacin del coeficiente de pelcula prctico exterior considere para su definicin que el flujo de calor corresponde al flujo de calor cedido por el vapor. 4. OBJETIVOS _ Determinar los coeficientes de pelcula prcticos interior y exterior. _ Determinar los coeficientes de pelcula tericos interior y exterior. 5. PROCEDIMIENTO Para la prctica de conveccin libre deben seguir los siguientes pasos: Indicaciones para ajustar el flujo de agua: 1. Retire el tapn de parte superior del tanque de alimentacin, para obtener presin atmosfrica. 2. Cierre las vlvulas W-1 y W-2 que dan paso al agua del proceso y al vertedero respectivamente. 3. Abra completamente la vlvula de sobreflujo W-2 y la vlvula de descarga W-3 4. Cierre las llaves S-1 y S-2 5. Con el indicador de nivel, ajuste el nivel a cero.



6. Abra la vlvula W-1 y permita que el tanque de alimentacin se llene rpidamente. Establezca un nivel o cabeza, por medio de la vlvula de entrada W-1 a medida que el nivel se aproxime al punto de sobre flujo (o rebose), permitiendo un flujo suficiente para mantener una presin constante. Indicaciones para ajustar el flujo de vapor: 1. Verifique que las vlvulas de vapor V1 y L, estn completamente cerradas. 2. Drene la instalacin, evacue el condensado de la tubera de alimentacin de vapor, con la vlvula L y la trampa de vapor localizada en la parte posterior del equipo. 3. Abra la vlvula de ventilacin S-4, situada en la parte superior de la cmara de prueba. 4. Escoja la posicin A-C (B -cerrada), en la llave de tres posiciones S-3, para desalojar el condensado de la cmara de vapor que se forma durante el perodo de calentamiento del equipo. 5. Abra la vlvula V1, para sacar el aire de la cmara, hasta que salga vapor por S-4. Indicaciones para ajustar la presin en la cmara de prueba Cierre la vlvula S-4, simultneamente cierre la vlvula de flujo de vapor V1, para controlar la presin en la cmara de prueba. Esta presin se regula con la vlvula V1 y el piezmetro localizado en la parte superior de la cmara, la cul no debe sobrepasar de 2 pulgadas, en columna de agua. Para lo cual, la presin de vapor en el manmetro debe marcar como mnimo 20 psi y como mximo 25 psi. Para la prctica de conveccin forzada deben seguir los siguientes pasos:

Indicaciones para ajustar el flujo de agua: 1. Coloque el tapn en la parte superior del tanque de alimentacin. 2. Cierre la vlvulas W-2, con la cul se elimina el sobreflujo. Indicaciones para ajustar el flujo de agua: 1. Abra la vlvula de alimentacin W-1 y mida el caudal en la descarga. Calcule el nmero de Reynolds. Grade hasta obtener el Reynolds deseado. Indicaciones para ajustar el flujo de vapor: Considerar las indicaciones relacionadas para conveccin libre. 6. MEDICIONES Cuando el equipo se encuentre estable, realice tres mediciones a diferentes niveles de referencia del vertedero (variando la posicin del indicador de nivel ) de los siguientes datos: Caudal de agua Temperatura de entrada del agua Temperatura de la pared inferior del tubo Temperatura de la salida de agua Caudal del condensado Temperatura del condensado 7. CLCULOS Realice el balance trmico para determinar el calor cedido por el vapor y el calor ganado por el agua de proceso. Calcule los coeficientes de pelcula prcticos interior y exterior Calcule los coeficientes de pelcula tericos interior y exterior



Compare los valores de los coeficientes de pelcula tericos y prcticos 8. PREGUNTAS 1. Describa el proceso de conveccin libre y forzada en el equipo. Que hace los dos procesos diferentes, en el equipo? 2. Cul es el significado fsico del nmero de Reynolds ? 3. Cul es el significado fsico del nmero de Prandtl ? 4. Qu recomendaciones hara usted a esta prctica? 9. REFERENCIAS MILLS, A.F.: Transferencia de Calor. McGraw-Hill / Irwin, 1999. KERN, D.: Procesos de Transferencia de Calor. Decimocuarta, Edicin. Continental. 1980. ZISKI. N.: Transferencia de Calor. McGraw Hill Primera Edicin, 1975.



PLANO DEL LABORATORIO DEL EQUIPO PARA LAS PRCTICAS DE CONVECCIN LIBRE Y FORZADA

Convecci¢n Libre y Forzada

Documents

Transcript of Convecci¢n Libre y Forzada