Conveccion Libre y Forzadal

8/3/2019 Conveccion Libre y Forzadal

1/16

CONVECCIN FORZADA

RICHARD AHUMADA ALVAREZ

FRANKT FLOREZ SANTIAGO

RICARDO MERCADO CAMACHO

DIEGO SIMANCAS SOLANO

LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR I

INGENIERO QUIMICO: CRISSTOMO PERALTA HERNNDEZ

FACULTAD DE INGENIERIA

INGENIERIA QUIMICA

BARRANQUILLA - ATLANTICO

2010-2


2/16

CONTENIDO

Pg.

I. Resumen.. II. Introduccin. 1.) Parte experimental

1.1)Descripcin del equipo..1.2) Procedimiento..

2.) Anlisis de resultados y discusin. Datos, clculos, anlisis y graficos.

3.) Conclusiones 4.) Bibliografas..

LISTA DE FIGURAS Y TABLAS

Pg.

I. Esquema 1.II. Esquema del quipo de conveccin (anexos)...............III. Tablas.

Tabla 1Tabla 2Tabla 3... Tabla 4..

IV. Grficos. Grafico 1. Grafico 2. Grafico 3.


3/16

I. RESUMEN

Al analizar las condiciones en las cuales se desarrolla la transferencia de calorpor conveccin de manera experimental, se busco comprobar las ecuacionesdesarrolladas para razonar este mecanismo. Realizar los balances trmicos para

cada ensayo, calcular los coeficientes peliculares experimentales, para lacondensacin del vapor de agua y para el agua. As como calcular los coeficientespeliculares con base a ecuaciones propuestas en la bibliografa para el caso.Adems deducir los nmeros (parmetros) adimensionales de Un, Gr y Pr. Para elagua en cada ensayo, como dar una visin Grafica de estos.

II. INTRODUCCION

La transferencia de calor se realizada a travs de un medio (sistema), es solotransporte de energa provocado por una diferencia de temperatura. En la

transferencia de calor por conveccin, el intercambio de energa pasa entre unasuperficie y un fluido adyacente en movimiento, siendo importante entender ydescribir apropiadamente la naturaleza del flujo del fluido antes de que puedaresolverse el problema asociado a la transferencia de calor.

Como puntos claves para entender mejor los fenmenos de transferencia de calorpor conveccin as como la relacin y discrepancias entre la conveccin libre yforzada tenemos los siguientes:

Cuando ocurre la conveccin libre: Cuando una superficie slida entraen contacto con un fluido de temperatura distinta a la de aquella superficie.Las diferencias de densidad proporcionan la fuerza del cuerpo que serequiere para desplazar el fluido; opuesta a la conveccin forzada laconveccin libre no utiliza una fuerza externa para el desplazamiento delfluido. Para que exista este fenmeno de conveccin libre, debe existir unadiferencia de temperaturas critica que permita que la fuerza boyante superela influencia de las fuerzas viscosas y as el fluido de temperatura mayorcirculara en direccin en que disminuye la temperatura al mismo tiempo quesu densidad aumentara y el fluido fro circulara en direccin del aumento detemperatura al mismo tiempo que su densidad disminuye.

En que circunstancias es mas comn su desarrollo: En la conveccinlibre las velocidades de flujo son generalmente mucho menores que lasasociadas con la conveccin forzada. Por lo tanto las correspondientesvelocidades de transferencia de calor son tambin ms pequeas que laforzada. En muchos sistemas que estn envueltos por muchas formas detransferencia de calor, la conveccin libre provee la mayor resistencia a latransferencia de calor y por lo tanto juega un importante rol en el diseo y


4/16

desarrollo de sistemas en los que se desea minimizar la velocidad detransferencia de calor o minimizar los costos de operacin.

Pueden darse simultneamente la forzada y la libre: Si puedenpresentarse. De la misma forma que hay una regin de transicin y no un

punto de separacin entre el flujo turbulento y laminar debe haber tambinuna regin de transicin entre la conveccin libre de un fluido quepermanece estacionario y el flujo laminar.

Cuando se presentan las dos: A bajas velocidades lineales ambas sonindudablemente operacionales. La influencia de las corrientes deconveccin libre se disipan en la regin de transicin y de turbulenciadebido a lo delicado de la naturaleza de las corrientes de conveccin libre.Los efectos de las fuerzas boyantes (particulares de la conveccin libre)sobre los flujos forzados depende de la direccin de la fuerza boyanterelativa al flujo forzado. Se estudian 3 casos:

a) Fuerza boyante y flujo forzado en la misma direccinb) Direcciones opuestasc) Direcciones perpendiculares

Que determina el desarrollo de la conveccin libre: El desarrollo de laconveccin libre la determina la diferencia en temperaturas y densidad, elefecto neto se denomina fuerza boyante. En la mayora de los casos elgradiente de densidad esta unido al gradiente de temperaturas y la fuerzacorporal o del cuerpo del fluido a la fuerza gravitacional.

DFEINICION DE VARIABLES:

T1= temperatura de entrada de agua al equipo de conveccin.T2= temperatura de pared inferior en el equipo de conveccin.T3= temperatura de salida de agua del equipo de conveccin.T4= temperatura de pared superior en el equipo de conveccin.

ALGORITMO DE CLCULO

realizar los balances trmicos para cada corrida, tanto para vapor y aguarespectivamente

agua ` 3 1Q * *( )l Pm C T T


5/16

calculo de coeficientes peliculares experimentales para el vapor y el agua

Donde h es el coeficiente pelicular para el agua, A el rea de transferencia

de calor, Tml delta medio logartmico para el agua definido:

Donde DE y DI son lo dimetros externo e interno del tubo respectivamente.

Tsat= es la t de saturacin del vapor a la presin determinada por lacolumna de agua que ascendi a 2plg, y con la ecuacin de Antoine y lasconstantes para el agua determinamos esta.

Calculo de coeficientes peliculares con base a ecuaciones propuestas pareele caso. para el clculo de los coeficientes primero se calculan losnmeros adimensionales de Un, Gr y Pr.

ln( )( )

sat

BP A

T C


6/16

1) PARTE EXPERIMENTAL

1.1) DESCRIPCION DEL EQUIPO

Tanque de cabezal de alimentacin constante: en el fondo se encuentranconectadas tres lneas:

1. Lnea de suministro del fluido enfriante al tanque2. Lnea de descarga por vertedero de altura variable3. Lnea de alimentacin del fluido enfriante a la cmara de pruebas

Cmara de pruebas: es un condensador de tubo y coraza. Consiste en unacmara de vidrio de 5plg D.E y 36plg de altura, en el centro de la cual seencuentra un tubo de cobre de plg nominal tipo L, en la superficie externa delmismo se produce la condensacin. La seccin de prueba del tubo mideexactamente 24plg de largo y esta rodeada por una cubierta cilndrica de broceque ha sido instalada para eliminar efectos no deseados de conveccin o

radiacin trmica inducida en el tubo de prueba y el la envoltura de vidrio.Corriente de vapor a la cmara de prueba: el vapor es alimentado a la cmara auna rata de flujo constante por medio de una vlvula de estrangulacin. A medidaque el vapor entra a la cmara desde el fondo, este es descargado hacia abajo pormedio de un tubo en forma de U invertida atraviesa de una malla de aceroinoxidable. Esta malla hace que el vapor ascienda uniformemente a travs de lacmara; adems sirve para facilitar la separacin del condensado del vapor que sealimenta. En la lnea de entrada del vapor se encuentran instalados un termmetro


7/16

bimetlico y manmetro. En la parte superior de la cmara se encentra una vlvulade venteo y un manmetro de agua con sello de este mismo; estos permiten laoperacin del aparato desde la presin atmosfrica (venteo abierto) hasta 8plg deagua.

Colector de condensado: se encuentra en la parte inferior de la cmara deprueba, el condensado que se forma en el tubo de cobre descarga por la parteinferior del tubo, el cual tiene una conexin de salida al exterior donde serecolecta.

Termocuplas: el equipo tiene un total de (4) Termocuplas: dos de las cualesestn localizadas una en la entrada y otra en la descarga del agua en el tubo de laseccin de pruebas; la otras dos estn soldadas con plata a la parte superior einferior de la superficie externa de la seccin de pruebas. Estas Termocuplasestn conectadas a un interruptor selector montado en la parte central derecha dela cubierta de madera. Las Termocuplas son ledas en un aparato traductor de milivoltios tal como un potencimetro conectado a las terminales salientes en la caja

del interruptor.

ESQUEMA 1: IMGENES DEL EQUIPO


8/16

Lnea de servicios:

Agua: la alimentacin de agua al equipo se toma de la red de tuberaproveniente de la torre de enfriamiento por medio de tubos PVC. Vapor: para conectar el equipo al sistema de vapor del laboratorio

proveniente de la caldera, se utiliza una vlvula de globo, una vlvulareductora (reguladora) de presin y una trampa de vapor termodinmica.

Condensado: el condensado del operacin se lleva hasta un sistema detubera en donde se transporta hasta un tanque y se utiliza como agua derecirculacin en la alimentacin de la caldera.

Agua caliente: el aguade servicio utilizada se lleva a un sistema de tuberaque comunica a la torre de enfriamiento.

Corriente elctrica: se utiliza una lnea de 110 voltios para el uso de

potencimetro.

PROCEDIMIENTO

Identificar las lneas de uso para la prctica de conveccin dentro delequipo.

Graduar el nivel del tubo vertical que tiene el rebosadero, este tubo es el deen medio de los tubos que descienden de la cmara acumuladora,

posteriormente quitar la tapa roscada que tiene esta cmara, para asegurarque el agua circulara. Purgar la lnea de vapor antes de conectarla al equipo de prctica. Abrir la vlvula de paso de agua fra, vlvulas de paso primero del agua

dentro del equipo y posteriormente abrir las despus permitir el paso delvapor dentro del equipo.

Esperar 15 minutos para que el equipo alcance el estado estable. Tomar datos de temperaturas a la entrada salida del agua; as como

tambin temperaturas de pared inferior y superior, adems medir flujo decondensado y agua para cada corrida.

El numero de corridas establecidas para cada experiencia (libre y forzada)

fue de 8, en donde para la forzada se parta de una altura superior a cerohasta este valor; en el caso de la libre que se deba partir desde cero hastavalores inferiores se tomo un poco mas arriba de cero buscando hacer unempalme entre dichas experiencias.


9/16

ANALISIS Y DISCUCION DE RESULTADOS

Para la realizacin de los diferentes clculos con los datos tomados en laexperiencia, y con la ayuda del Donald Q. Kern (libro de transferencia de calor).se

trabaj con unidades inglesas (Btu, horas, pies, lbm, etc.) con el fin de utilizarlatablas de este texto adems de realizarla conversin de los datos tomados en ellaboratorio y cada variable para tener una consistencia dimensional. En la tabla 1se puede apreciar los datos tomados en el laboratorio, en la tabla 2 se aprecia laspropiedades del fluido a su respectiva temperatura.

Procediendo a hacer los balances trmicos obtenemos para el agua y para elcondensado:

Siendo:

Expresados en Btu/h, y dados para cadacorrida por:

As con ayuda Excel se obtienen los valores para cada corrida.

Para el clculo de coeficientes peliculares individuales y totales, en cada carreratenemos en cuenta:

Y obtenemos resultados para Hi, Un, Pr, Gr y Re referenciados en la tabla 3, endonde:

corrida q agua q cond

1 10320,8071 1199,451182 9251,40291 1095,6445

3 8592,5816 1032,66213

4 7450,17475 1027,11822

5 6642,84672 1030,03983

6 5372,73336 973,93113

7 4660,07767 908,642196

8 2946,05023 859,55976

cp(btu/lbm*F) 1

hfg(btu/lbm) 1370,3

longitud ft 2

Superficie *pie lineal

ft^2/ft 0,163

Ai ft^2 0,326

o o

aguaq = 222.4311 lbm/h *1(Btu/ Flbm)*(100.4-80) F=10320.8071 Btu/h

agua ` 3 1Q * *( )

l Pm C T T

o ocondq = 0.85976 lbm/h [1370.3 Btu/lbm +(*1(Btu/ Flbm)*(125 F))]=1199.45118 Btu/h


10/16

As obtenemos para cada corrida los coeficientes peliculares referenciados en latabla 3.

Los siguientes parmetros adimensionales calculados con la ayuda de Excel paracada corrida se tabulan en la tabla 3. En donde cada parmetro y propiedad delfluido ha sido dada o especificada en otras tablas y clculos. Entre los cualestenemos:

Para el clculo del coeficiente global tenemos:

Siendo Km la conductividad trmica del acero ya referenciada con anterioridad, yHi y Ho ya calculados y tabulados en la tabla 4.

A continuacin se encuentran las tablas donde se encuentran tabulados losclculos para cada corrida.

2 1

1 3

2 1

2

1

118.47 86 32.47

118.47 100.4 18.07

24.6068142

2.3*log

p

p

i

t t t

t t t

t tt

tt

2 2

10320.8071 /1286.59148

* (0.326 * 24.6068142 ) * *

agua

i o o

i i

q Btu h btuh

t A ft F h ft F


11/16

corrida altura(plg) t1 t2 t3 t4VOLUMEN1

(ml)prom tiempo1

Vol condensado

(ml)

tiempo cond

(s)flujo1 (Ft^3/h)

flujo cond

(ft^3/h)

1 2 30 54 38 50 250 8,85 20 180 3,591429413 0,014126289

2 1,75 30 55 37 56 250 9,49 18 180 3,349225533 0,01271366

3 1,5 30 57 38 57 250 10,63 17 180 2,990042362 0,012007346

4 1,25 30 62 38 59 250 12,26 17 180 2,592508181 0,012007346

5 1 30 62 38 62 250 13,75 17 180 2,311574568 0,012007346

6 0,75 30 65 39 71 250 17,66 16 180 1,79978201 0,0113010317 0,5 30 69 42 72 250 22,66 15 180 1,402654471 0,010594717

8 0,25 30 70 41 88 250 34,64 14 180 0,917556302 0,009888402

9 0 30 78 45 80 250 56,53 14 180 0,562252792 0,009888402

TABLA No 1

TABLA No 2

propiedades del fluido a temperatura media

corrida densidad agua lb/ft^3 densidad cond. lb/ft^3 masa de agua (lbm/h) masa cond (lbm/h) tmedia (F) k(Btu/h*ft^2*)(F/ft)

1 61,93388784 60,8624104 222,4311864 0,85976 93,2 0,359 1,93

2 61,93388784 61,3763458 207,4305585 0,780318 92,3 0,3589 1,93

3 61,93388784 61,3296244 185,1849483 0,736406 93,2 0,359 1,93

4 61,93388784 61,2361816 160,5641109 0,735284 93,2 0,359 1,935 61,93388784 61,1738864 143,1648 0,734536 93,2 0,359 1,93

6 61,93388784 60,9870008 111,4674972 0,689216 94,1 0,3597 1,93

7 61,983724 60,9247056 86,94174757 0,64548 96,8 0,361 1,93

8 61,983724 60,58831152 56,87355658 0,5991216 95,9 0,3605 1,93

9 61,983724 60,58831152 34,85052185 0,5991216 99,5 0,3622 1,93


12/16

CORRIDA ti Hi Hi*D/K G D*G/ c*/K JH= Nu/Pr JH= Nu/Pr^(1/3) Gr

1 24,60681416 1286,591475 185,164047 106092,3073 2831,320184 5,39275766 34,3356885 105,589248 2563850,54

2 32,85085103 863,8600109 124,3598975 98937,50469 2640,377622 5,39426024 23,0541153 70,909277 3164150,2

3 35,01745809 752,6991879 108,3271812 88327,08556 2357,213888 5,39275766 20,08753 61,7732533 3276031,24

4 42,19728788 541,5821233 77,94357392 76583,76179 2043,815957 5,39275766 14,4533797 44,4470915 3774557,73

5 45,48756436 447,9648606 64,47033741 68284,86687 1822,340628 5,39275766 11,9549851 36,7640184 3988211,94

6 56,2671908 292,9020794 42,07193245 53166,30348 1418,86657 5,382263 7,81677381 24,0069777 4725973,637 58,28348868 245,2618589 35,10211277 41468,33341 1106,679008 5,36288089 6,54538363 20,0539783 4738910,35

8 75,92204045 119,0295182 17,05924672 27126,8024 723,9418684 5,370319 3,17657977 9,74151467 6031223,25

9 72,52593996 86,96616737 12,40544445 16622,5444 443,6112917 5,3451132 2,32089462 7,09512459 5545743,4

TABLA No 3

CORRIDA Hi Ho y U

1 1286,591475 475,2575515 0,000279032 365,8436314

2 863,8600109 488,2841662 0,000415461 336,3935847

3 752,6991879 483,8208902 0,00047695 321,2505076

4 541,5821233 496,9977203 0,000662873 289,4656853

5 447,9648606 481,2457416 0,000801402 263,98708126 292,9020794 593,2945842 0,001228055 228,7971681

7 245,2618589 658,4299773 0,001471896 211,0999375

8 119,0295182 8377,076407 0,00302866 145,0171798

9 86,96616737 5846,737912 0,004164838 108,4589609

TABLA No 4


13/16

Para el vapor que se encontraba en la cmara que marcaba 2 pulgadas de aguamanomtricas se encontr una temperatura de saturacin y con esta se busco suHfg, realizando este calculo con la ecuacin de Antoine

Teniendo en cuenta que:

A 212 F =100.13 C en las tablas de vapor saturado se encontr unHfg=1370.3Btu/lbm.

GRAFICAS

GRAFICA1.

y = 0.0361x - 19.544

R = 0.8888

1

10

100

1000

400 4000

Nu/(Pr)^1/3

NRe

Nu/(Pr)^1/3 Vs Re

sustancia

constantes de Antoine

a b c

agua 16,3872 3885,7 230,17

tsat 100,1352522

presin absoluta en pascales psi

101822,72 14,57504433

ln( )

( )sat

BP A

T C

ln( )sat

sat

BT C

A P


14/16

GRAFICA 2.

GRAFICO 3.

y = -1449.6x + 7E+06

R = 0.958

1000000

10000000

500 5000

Gr

NRe

Gr Vs Re

y = -1E-06x + 0.0039

R = 0.8225

0.00001

0.0001

0.001

0.01

0.1

1400 4000

Y

NRe

Y Vs Re


15/16

CONCLUSINES Y RECOMENDACIONES

Aunque no se pudo trabajar con datos de las dos experiencia de conveccin (librey forzada). En nuestro caso solo tomamos datos para la conveccin forzada,logramos establecer de manera experimental a partir de medidas de flujo y de

temperaturas para el agua liquida como para el vapor, as como la presin desaturacin del vapor, los diferentes parmetro adimensionales y los coeficientespeliculares (Nu, Pr, Gr, Re, Hi, Ho, y U) adems de graficar relaciones entre estos.

Como se puede observar el los resultados tabulados se hallo una variacin delNRe que vara desde el rgimen laminar al rgimen turbulento, lo que resultaba unpoco engorroso para hallar los parmetros (, p, q) de la ecuacin:

En donde lo ideal seria tener una mayor cobertura de un rgimen especifico, parauna mejor determinacin de dichos parmetros, y siendo la conveccin forzadaaquella que se da a agregar una energa extra al fluido ya sea por agitacinmecnica o por el empuje ejercido por una diferencia de altura como en este caso.Lo ideal al seria manejar NRe superiores al limite inferior del rgimen turbulento.

LITERATURA O REFERENCIAS


16/16

ANEXOS

ESQUEMA DEL EUIPO DE COVECCION LIBRE Y FORZADA

Conveccion Libre y Forzadal

Documents

Transcript of Conveccion Libre y Forzadal