Informe Convección Forzada Externa Completo

7/21/2019 Informe Convección Forzada Externa Completo

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RESUMEN

Durante esta experiencia se estudió el comportamiento de un fluido que pasa a través de

una placa plana al variar la velocidad y el tiempo con el fin de obtener diferentes

temperaturas a distintas longitudes. Una vez obtenidos los datos experimentales se realizó

una gráfica con el fin de hallar correlaciones adecuadas para el cálculo del número de

usselt usando el numero adimensional de !eynolds y "randtl

PALABRAS CLAVES: Convección forzada, Nusselt, Placa plana

ABSTRACT

During this experience the behavior of a fluid going through a flat plate #as studied$

varying its speed and time in order to obtain different temperatures at different lengths.

%nce the experimental data #as obtained$ a chart #as made in order to find suitable

correlations for the usselt&s number using !eynolds and "randtl&s dimensionless number.

KEYWORDS: Forced convection, Nusselt, Flat plate.

1. INTRODUCCIÓN

'a transferencia de calor por convección depende de las propiedades del fluido como la

viscosidad dinámica$ conductividad térmica$ densidad$ calor espec(fico$ velocidad$ tipo de

flu)o y configuración geométrica del fluido.

'a transferencia de calor se puede dar a partir de diferentes mecanismos como lo es la

conducción$ convección y radiación.'a convección forzada sucede cuando el movimiento del fluido es generado por fuerzas

impulsoras externas$ en la práctica este mecanismo es impulsado por un ventilador.

*sta práctica experimental se realiza con el ob)etivo de comprender el fenómeno de la

transferencia de calor a través de una placa plana$ la cual se expone a un fluido caliente que

es forzado a pasar por ella. Una vez obtenido los datos experimentales se implementara las

correlaciones adecuadas para calcular el número adimensional de usselt.

2. MARCO TEÓRICO

*xisten tres mecanismos básicos de transferencia de calor+ conducción$ convección y

radiación. 'a conducción y la convección son seme)antes pues requieren la presencia de un

medio material$ pero difieren en que la convección requiere la presencia del movimiento de

fluidos.

'a convección es el mecanismo de transferencia de calor a través de un fluido$ en

presencia de un movimiento masivo de éste. *sta se clasifica como convección natural ,o



libre- y forzada$ dependiendo de la manera en que se inicia el movimiento del fluido. *n la

convección forzada se obliga a que el fluido fluya sobre una superficie por medios

externos$ como una bomba o un ventilador.

'a transferencia de calor por convección depende de las propiedades del fluido$ de la

superficie en contacto con el fluido y del tipo de flu)o. *ntre las propiedades del fluido se

encuentran+ la viscosidad dinámica $ la conductividad térmica /$ la densidad 0. *ntre las

propiedades de la superficie que intervienen en la convección están la geometr(a y la

aspereza. *l tipo de flu)o$ laminar o turbulento$ también influye en la velocidad de

transferencia de calor por convección.

*n el análisis de la convección es común quitar las dimensiones a las expresiones f(sico1

matemáticas que modelan el mecanismo y agrupar las variables$ dando lugar a los número!"#men#on!$e. *n convección se emplean los siguientes números adimensionales+

Número "e N%e$&: !epresenta la relación que existe entre el calor transferido por

convección a través del fluido y el que se transferir(a si sólo existiese conducción. 2e

expresa como+

Nu=hLc

k Ec (1)

Donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección y 'c la longitud. *n

caso de que se tratase de un tubo$ 'c es reemplazado por el diámetro respectivo en la

fórmula

Número "e Pr!n"$&: Describe el espesor relativo de la capas l(mites de velocidad y

térmicas. *stá definido como+

Pr= μCp

k Ec (2)

Donde 3p es el calor espec(fico del fluido

Número "e Re'no$": !epresenta la relación que existe entre las fuerzas de inercia y

las fuerzas viscosas que actúan sobre un elemento de volumen de un fluido. *s un

indicativo del tipo de flu)o del fluido$ laminar o turbulento. 2e expresa como+

ℜ= ρV f Lc

μ Ec (3)

Donde 4f es la velocidad del flu)o del fluido y 'c la longitud caracter(stica. *n caso detratarse de un tubo$ 'c es reemplazado por el diámetro

'os valores de estos números dependerán también del sistema donde se realice la

convección forzada+ si es una ($!)! ($!n!$ una %(er*#)#e e*+r#)!$ un ,!n)o "e &%,o o

un )on-%n&o "e !$e&!.



. PROCEDIMIENTO• Se encenderá el equipo de trasferencia de calor de convección forzada

• Se encenderá el calentador y el encendido de placa plana

• Se esperara hasta que alcance los 53 oC y se encenderá el extractor de aire

al 20 %

• Se anotara datos de temperatura de entrada y salida del aire y temperatura

de la placa desde los 53 oC hasta los 55 oC

• lcanzado los 55 oC se detendrá el calentamiento de la placa

• !na vez alcanzado nuevamente la temperatura de 53 oC se encenderá el

extractor esta vez al "0 % de su capacidad

• Se repetirá los pasos desde paso " con "0%# $0% y 0 del extractor de aire

/. RESULTADOS

*n la tabla 5$ se encuentran consignados los datos de temperatura tomadosexperimentalmente en el laboratorio para múltiples velocidades.

TABLA 1. DATOS E0PERIMENTALES DE TEMPERATURAS

4elocidad ,m6s-

7iempo

,s-

75

,83-79

,83-7:,83-

7;

,83-

5$9

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'os datos obtenidos de la temperatura de pel(cula están consignados en la tabla ,9- y dados

por la siguiente expresión+

T f =T

1+T

2

2 Ec(4)

TABLA 2. TEMPERATURA DE PELCULA

4elocidad

,m6s-

7iempo

,2- 7f ,83-

5$9

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*n la siguiente tabla se muestran las propiedades termodinámicas y f(sicas del aire a las

temperaturas de pel(culas calculadas

TABLA .PROPIEDADES TERMO SICAS DEL AIRE MEDIDAS A LATEMPERATURA DE PELCULA.

ρ ,Bg

6m:-

3p,C6Bg

B-

μ ,

s6m9-

B,6m

B- "r

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*l flu)o de calor ,q- que disipa la placa esta expresado por+

q [W ]=V

2

R Ec (5)

Donde 4 es el volta)e y ! la resistencia del calentador

Eientras que todo el calor de la placa es disipado por el aire por convección entonces+

q [W ]=h Ac (T 2−T 1) Ec (6)

Fgualando las ecuaciones obtenemos y despe)ando h tenemos que



h= V

2

RAC (T 2−T 1) Ec(7)

"ara el sistema estudiado+

• 4GA$@=4oltios• !G=A.= Ω

• HcG<.<<@>?m9

TABLA /. COICIENTE DE TRASERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓNE0PERIMENTAL.

4elocidad ,m6s- 7iempo,s- hexp ,6m9 B-

5$9

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'os números adimensionales de usselt y !eynolds se pueden calcular con las ecuaciones

,5- y ,:-. *stos cálculos se muestran en la siguiente tabla ,?-

TABLA 3. NUMERO DE NUSSELT Y REYNOLDS.

4elocidad,m

6s-

7iempo,

2- u !e

5$9

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TABLA 4. PROMEDIO DE LOS N5MEROS DE NUSSELT Y REYNOLDS PARALAS 6 VELOCIDADES.

4elocidad

,m6s-

u !e

5$9 9$;<= 5<><$;9:

5$? 9$=<= 5:;9$;9>

5$@ 9$?=5 5=@?$999

9$: 9$?;> 9<;@$=A5

9$=? 9$?;A 9:=9$;;@

9$A? 9$?=5 9?;9$5:A

:$9 9$?=? 9A??$A@9

"lanteando una correlación que relacione : números adimensionales de la siguiente forma

Nu=CRem P r0.36 Ec(8)

De la tabla : podemos notar que el valor de "r siempre se encuentra cerca de <.><;.

Nu=0.881CRem



"ara linealizar la anterior expresión aplicamos logaritmo natura a ambos miembros$

aplicamos las propiedades de los logaritmos y obtenemos la siguiente expresión+

ln ( Nu )=−0.126+ ln (C )+m ln (ℜ ) Ec (9)

TABLA 6. LO7ARITMO NATURAL DEL N5MERO DE NUSSELT Y REYNOLDSPARA LAS 6 VELOCIDADES.

4elocidad ,m6s- 'n,u- 'n,!e-

5$9 <$A>A =.@>=

5$? <.@?A >$9<9

5$@ <.@;< >$;:=

9$: <.@:? >$=9?

9$=? <.@:? >$>=>

9$A? <.@;< >$A;5

:$9 <.@;9 >$@?>

7R8ICO 1. Ln 9NU VS Ln 9RE

6.500 7.000 7.500 8.000 8.5000.820

0.840

0.860

0.880

0.900

0.920

0.940

0.960

0.980

f(x) = 0.04x + 0.65

Ln (Nu) Vs Ln (Re)

Ln Re

Ln Nu



De la ecuación de la recta tenemos que m es igual a <$<:>9 y que se es igual a

−0.126+ln (C )=0,6523

3 G 9.9;;<@

3. AN8LISIS Y DISCUSIONES

'os datos obtenidos experimentalmente cuentan con un margen de error$ esto se debe a

factores como el error humano a la hora de tomar ; temperaturas diferentes

simultáneamente cada :< segundos y una posible falla en los sensores$ ya que las

temperaturas 7: fueron muy similares en todos los casos$ esta deber(a de variar porque a

mayor velocidad el fluido saldrá a una temperatura superior$ basándonos en que a mayor

velocidad incrementa la transferencia de calor

REERENCIAS

• 3engel I. Transferencia de calor y masa. :ed. *ditorial+ Ec Jra# hill.

Fncorpera K. L Deitt D. Fundamentos de transferencia de calor . ;ed. *ditorial+

"rentice hall

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