COEFICIENTE DE CONVECCIÓN Y

NÚMERO DE NUSSELT CONVECCION COEFICIENT AND

NUSSELT NUMBER

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PANAMA

FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA

INVESTIGACION PARA EL CURSO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Resumen

Una de las formas de transferencia de calor más comunes es la convección, la cual consiste en la transferencia de calor de un cuerpo de mayor temperatura a un fluido de menor temperatura y viceversa por acción de movimientos del fluido. El objetivo de estudio de este experimento es la determinación del coeficiente de convección (el cual mide o rige que tan efectiva es una transferencia de calor) mediante el empleo de una resistencia eléctrica, y estudiar el comportamiento del mismo bajo diversas situaciones.

Abstract

It is common practice to use filters in ventilation systems, exhaust gas or filtered water and many of us are familiar to that; Various techniques are used to achieve filter substances or particles and one of these is activated carbon. Activated carbon has been used since antiquity in medicine but not until today when its use has diversified into many areas and one of those is the one that concerns us discuss in this investigation is its application to exhaust gas, the activated carbon filters are the most widely used even though there are already new technologies.

INTRODUCCIÓN

Todos hemos visto alguna vez como los alimentos se calientes después de haberlos dejado sobre la mesa durante un período corto de tiempo se enfrían, hasta que alcanzan la temperatura del aire circundante, lo mismo sucede con cualquier objeto que se encuentre a una temperatura elevada y se deje en reposo en cualquier lugar. Ahora nos preguntamos ¿a qué se debe esto?.

La respuesta a esto es la convección una de las 3 formas existentes de transferencia de calor. Una transferencia de calor se da cuando se tiene una diferencia de temperaturas y se da la transferencia de energía de un cuerpo a otro, siempre esta transferencia de energía ira desde el cuerpo con mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura. Entonces la convección natural dependerá en mayor parte de las propiedades del o los fluidos, como la densidad, temperatura y presión.

La convección puede ser de dos tipos: forzada o natural. La forzada de da cuando se obliga al flujo a moverse sobre o a través del objeto que se desea calentar o enfriar mediante el empleo de bombas o ventiladores y en su mayor parte conducido a través de tuberías. En cambio la convección natural es en la cual el fluido se mueve debido a las variaciones de densidad que sufre cuando está en contacto con el objeto a enfriar o calentar. Nuestra investigación tiene como finalidad en la determinación del coeficiente de calor por convección bajo diferentes situaciones en distintos días, lo que nos dará una idea del comportamiento de este coeficiente en nuestra región y su consecuente aplicación en un sistema de transferencia de calor que se desee aplicar en esta región.

El experimento consiste en aplicar voltaje a una resistencia de potencia, la cual disipará calor cuando la corriente empiece a fluir a través de ella. La potencia de la resistencia es teóricamente igual al flujo de calor que liberará y teniendo el conocimiento del área superficial de la resistencia y midiendo la diferencia de temperatura entra la resistencia procederemos a

Convección y Numero de Nusselt |1

Manuel Osorio

Fernando Osorio

Sundar Singh

realizar el cálculo de este coeficiente.

OBJETIVOS

• Estudiar el comportamiento del coeficiente de transferencia de calor

• Poner a prueba los conceptos teóricos mencionados en la teoría.

• Entender de forma integral como las condiciones ambientales influyen en la transferencia de calor por convección natural.

MARCO TEORICO

Generalidades del Coeficiente de Convección y Número de Nusselt

La transferencia de calor a través de un líquido o gas puede ser por conducción o convección, dependiendo de la presencia de algún movimiento masivo del fluido. La transferencia de calor a través de un fluido es por convección cuando se tiene un movimiento masivo de este último y por conducción cuando no existe dicho movimiento. Por lo tanto, la conducción en un fluido se puede concebir como el caso límite de la convección, correspondiente al caso de fluido en reposo.

La transferencia de calor por convección es complicada por el hecho de que comprende movimiento del fluido así como conducción del calor. El movimiento del fluido mejora la transferencia de calor, ya que pone en contacto porciones más calientes y más frías de ese fluido, iniciando índices más altos de conducción en un gran número de sitios. Por lo tanto, la velocidad de la transferencia de calor a través de un fluido es mucho más alta por convección que por conducción. De hecho, entre más alta es la velocidad del fluido, mayor es la velocidad de la transferencia de calor.

Considérese el enfriamiento de un bloque caliente con un ventilador que sopla aire sobre su superficie superior. Se sabe que el calor se transfiere del bloque hacia el aire circundante más frío y que llega el momento en que el bloque se enfría. También se sabe que el bloque se

enfría más rápido si se pone a funcionar el ventilador a una velocidad más alta. Si se reemplaza el aire por agua, incluso se mejora más la transferencia de calor por convección.

La transferencia de calor por convección depende de múltiples propiedades de los fluidos como lo son la viscosidad dinámica (µ), la conductividad térmica (k), la densidad (ρ), y el calor específico (cp); así como también depende de la velocidad que tenga el fluido, la configuración geométrica y la aspereza de la superficie sólida, además también se debe considerar el tipo de flujo ya sea laminar o turbulento. Por tanto, se espera que las relaciones de la transferencia de calor por convección sean un tanto complejas debido a su dependencia de tantas variables. Esto no es sorprendente, ya que la convección es el mecanismo más complejo de transferencia de calor.

Una forma de representar este mecanismo es representándolo mediante la ley de Newton de enfriamiento:

q̇=h (T s−T ∞)O

Q̇=h A s(T s−T ∞)Donde:

h =coeficiente de transferencia de calor por convección, W/m2˚C

As=área superficial de transferencia de calor, m2

Ts=temperatura de la superficie, ˚C

T ∞=¿temperatura del fluido suficientemente

lejos de la superficie, ˚C

En términos simples podemos definir el coeficiente de convección como la razón de la transferencia de calor entre una superficie sólida y un fluido por unidad de área superficial por unidad de diferencia en la temperatura.

En los estudios sobre convección, es práctica común quitar las dimensiones a las ecuaciones que rigen y combinar las variables, las cuales se agrupan en números adimensionales, con el fin de reducir el número de variables totales.

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También es práctica común quitar las dimensiones del coeficiente de transferencia de calor hcon el número de Nusselt, que se define como:

Nu=h Lck

Dónde: k es la conductividad térmica del fluido y Lc es la longitud característica. Este número recibió el nombre en honor de Wilhelm Nusselt, quien realizó contribuciones significativas a la transferencia de calor por convección durante la primera mitad del siglo XX, y se concibió como el coeficiente adimensional de transferencia de calor por convección.

El número de Nusselt representa el mejoramiento de la transferencia de calor a través de una capa de fluido como resultado de la convección en relación con la conducción a través de la misma capa. Entre mayor sea el número de Nusselt, más eficaz es la convección. Un número de Nusselt de Nu 1 para una capa de fluido representa transferencia de calor a través de ésta por conducción pura.

ANALISIS DE DATOS

REFERENCIAS

Convección y Numero de Nusselt |3