Informe de laboratorio: Conveccin ForzadaNoviembre del 2013.

Laboratorio de Transferencia de Calor Andrade Javier, Cifuentes Nstor, Prez Kelwis, Viloria JosConveccin ForzadaGrupo 2 de Mecnica de Fluidos, grupo C.F.1, Facultad de Ingeniera Qumica.Universidad del Atlntico, km 7 antigua va a puerto Colombia, espacio 205A, A.A 1890, Barranquilla, Colombia.

RESUMEN

En la prctica de laboratorio, se trabaj sobre la transferencia de energa propiciado por la diferencia de temperatura de dos fluidos que entran en interaccin en un mismo sistema. El dispositivo implementado nos permiti realizar la transferencia de calor por conveccin forzada, donde por medio de la diferencia de altura por parte del cabezal, que es lo que permite o provoca este tipo de conveccin, por medio de los datos obtenidos se pudo determinar el coeficiente global de transferencia de calor del intercambiador y los respectivos valores de los nmeros adimensionales del proceso.

Palabras Claves: Temperatura, conveccin, intercambiador, nmeros adimensionalesI. Introduccin

El calor es energa en trnsito, debido a la diferencia de temperatura. Transferencia de calor en el rea de la ingeniera que trata los mecanismos encargados de la transferencia de un lugar a otro cuando existe una diferencia de temperatura. La transferencia de calor puede presentarse de 3 formas, por conduccin, conveccin y radiacin.En esta experiencia se estudiara la transferencia de calor por conveccin, esta ocurre siempre que una superficie este en contacto con un fluido que tiene temperatura diferente a la superficie en cuestin, con el trascurso del tiempo, el fluido en contacto inmediato con la pared se calienta por conduccin, provocando que el fluido se haga menos denso. Debido a la diferencia de densidad, se obtiene una fuerza de flotacin resultante, provocando que el fluido ms ligero se eleve y lo reemplace otra cantidad de fluido ms frio, repitindose continuamente este proceso. Puesto que el movimiento del fluido queda establecido por medio de fuerzas naturales se le conoce como conveccin libre, pero si por el contrario, este proceso se da por la adiccin de una fuerza externa se le llama conveccin forzada. La ecuacin que rige la transferencia de calor por conveccin es la siguiente

Donde h es el coeficiente de transferencia de calor dado en W/m2 C, A es el rea de transferencia, Ts es la temperatura de la superficie y T es la temperatura del fluido.En este caso el tipo de transferencia que se ser sometido a estudio es el de conveccin forzada, para ello se utiliz un intercambiador de calor, Un Intercambiador de Calor es un equipo utilizado para enfriar un fluido que est ms caliente de lo deseado, transfiriendo esta calor a otro fluido que est fro y necesita ser calentado. La transferencia de calor se realiza a travs de una pared metlica o de un tubo que separa ambos fluidos. La superficie puede estar formada por tubos u otros conductos de seccin transversal constante, por lminas planas, o formas especialmente diseadas para conseguir una superficie mxima de calor con un pequeo volumen. Una placa de metal caliente se enfra ms rpidamente si se coloca frente a un ventilador que si se expone al aire quieto. Se tiene entonces transferencia de calor por conveccin, y la conveccin es un mecanismo de transferencia de calor desde una superficie a un fluido en movimiento. En contraposicin con la conduccin, la conveccin implica transporte de energa y de materia, por lo tanto, esta forma de transmisin de calor es posible solamente en los fluidos y es adems caracterstica de ellos.

La conveccin forzada tiene lugar cuando una fuerza motriz exterior mueve un fluido sobre una superficie que se encuentra a una temperatura mayor o menor que la del fluido. Esa fuerza motriz exterior puede ser un ventilador, una bomba, el viento, etc. Como la velocidad del fluido en la conveccin forzada es mayor que en la conveccin natural habr mayor transferencia de calor.

Figura 1. Trasferencia de calor por conveccin en una placa plana (conveccin forzada)Condiciones de flujo interno

Si se considera un flujo laminar de aire que entra a un tubo con velocidad uniforme los efectos viscosos se vuelven importantes y se produce una capa lmite al aumentar x cuando el fluido hace contacto con la superficie La regin de flujo no viscoso se contrae y termina por unirse con la capa lmite en la lnea central. Al efectuarse dicha unin los efectos viscosos se extienden sobre toda la regin transversal y el perfil de velocidad ya no cambia al aumentar x. Bajo estas condiciones se tiene un flujo completamente desarrollado. El perfil de velocidad completamente desarrollado es parablico para el flujo laminar en un tubo circular

Figura 2. Desarrollo de la capa lmite hidrodinmica laminar en un tubo circular

Consideraciones trmicas en el flujo interno

Si ingresa fluido a un tubo a una temperatura uniforme menor que la temperatura de la superficie, la transferencia de calor por conveccin tiene lugar y se produce una capa lmite trmica.

Figura 3. Desarrollo de la capa lmite trmica en un tubo circular calentado

La conveccin forzada tiene su aplicacin a la gran mayora de los procesos de intercambio de calor, como los intercambiadores de calor, calentadores y enfriadores, donde los fluidos son forzados por bombas o sopladores.

II. MetodologaDurante el desarrollo el desarrollo de esta experiencia el tanque del cabezal constante se est completamente lleno, la vlvula del vertedero (w2) permanece cerrada y la razn de flujo de agua es controlada por medio de la vlvula w1.Ajuste W1 para un flujo correspondiente a un nmero de Reynolds de 100-1000. Establezca una presin de vapor en la cmara de 2 pulgadas de agua.Se registr todas las temperaturas a intervalos de un minuto hasta cuando la lectura permaneci constante en el tiempo, entonces se tom la rata de condensado a intervalos no menores de 10 minutos y adems de esta Mida tambin la rata de agua fra; se repiti este mismo procedimiento 7 veces pero cambiando la altura de la columna de agua o cabezal.III. Resultados y discusionesSiguiendo el procedimiento mencionado anteriormente, se obtuvieron los siguientes datos mostrados en la tablaAguaVapor

h cabezal (pug)T1(C)T2 (C)T3 (C)T4 (C)volumen (ml)Tiempo (s)Q (l/s)volumen (ml)Tiempo (s)Q (l/s)

2,0030533353480,00133,6923E-0550,00180,002,7778E-07

1,7530573557320,0013,822,3155E-0550,00180,002,7778E-07

1,5030593559340,0014,42,3611E-0550,00180,002,7778E-07

1,2530613561340,0016,832,0202E-0540,00180,002,2222E-07

1,0030623762350,0018,281,9147E-0545,00180,002,5000E-07

0,7530563756430,0028,21,5248E-0530,00180,001,6667E-07

0,5030613861340,00341,0000E-0530,00180,001,6667E-07

0,2530644164320,0034,489,2807E-0625,00180,001,3889E-07

Para realizar los diversos clculos que se presentan a continuacin tomamos la siguiente lista de valoresParmetroValor

Cp (J/kg C)4,18

(J/kg)2257000

g (m/s2)9,8

(Pa s)8,90E-04

agua (kg/m3)995

k (W/m K)0,698

T entrada100

vap (kg/m3)958

D (m)0,014

Area (m2)0,00015394

Lo primero que se hizo fue realizar los balances de energa dentro del tubo y la cmara, para ello se calcul la rata de flujo msico del agua lquida y vapor condensado con la relacin

Las ecuaciones que se utilizaron para el balance en el tubo (qc) y el balance en la cmara (qh) son las siguientes

Los resultados obtenidos en cada una de las corridas se muestran en la siguiente tabla:h cabezal (pulg)flujo msico vapor (Kg/s)flujo msico agua (kg/s)Qc (J/s)Qh (J/s)

2,002,6611E-040,036740,46070600,66506

1,752,6611E-040,023040,28891600,66061

1,502,6611E-040,023490,29460600,65838

1,252,1289E-040,020100,25207480,52493

1,002,3950E-040,019050,23890540,58954

0,751,5967E-040,015170,19026360,39703

0,501,5967E-040,009950,12477360,39370

0,251,3306E-040,009230,11580300,32641

Para el clculo del nmero de Reynolds, se utiliza la siguiente frmula:

Ya estableciendo el nmero de Reynolds, se puede se puede estimar valores como es hi, el cual depende de adems de este, del nmero de Prandtl, de las dimensiones del tubo y la constante de transferencia por conduccin, como lo muestra la siguiente ecuacin.

Con los valores obtenidos durante la prctica tambin es posible estimar el valor de ho por medio de la siguiente ecuacin

Por ltimo se calcul el valor de nmero de Nusselt, y el valor del espesor del interior del tubo que se utiliz en el intercambiador, respectivamente

Los valores obtenidos de nmero de Reynolds, Prandtl, de Nusselt, coeficientes de transferencia por conveccin de los fluidos, espesor del tubo y Tml son mostrados en la siguiente tabla.h cabezal (pulg)NrePrGrTml (C)hi(W/m2 C)ho (W/m2C)Nuy (m)

2,003754,1540,00536,49184E+1421,4733,549700,6870,672900,02080555

1,752354,2690,00536,98179E+1424,4128,716628,2760,575970,02430699

1,502400,6600,00537,22677E+1426,4228,903631,3490,579720,0241494

1,252054,0400,00537,47175E+1428,4327,439642,0460,550360,02543784

1,001946,7310,00537,59423E+1428,3626,953619,9340,540610,02589691

0,751550,3630,00536,85931E+1422,3224,983648,1130,501100,02793865

0,501016,7500,00537,47175E+1426,8021,706585,5750,435360,03215722

0,25943,6190,00537,83921E+1428,1421,172609,0580,424660,03296737

h cabezal (pulg)NreU (W/m2 C)

2,003754,15432,0158287

1,752354,26927,4608894

1,502400,66027,6381225

1,252054,04026,3148071

1,001946,73125,8300083

0,751550,36324,0560062

0,501016,75020,9300299

0,25943,61920,4611676

A continuacin se muestran las grficas del coeficiente global, nmero de Nussetl y Prandtl, adems del espesor de la pelcula contra el nmero de Reynolds.

Anlisis de resultadosDe acuerdo con los resultados obtenidos, se realiz el anlisis de los resultados en base a las proporcin de los flujos de vapor y agua, las diferencia de alturas que inciden en la conveccin forzada y los coeficientes de transferencia global de calor en el intercambiador, se puede notar que la presin ejercida por la columna de agua en el cabezal (su altura) tiene una relacin directa con el flujo de agua en fase liquida, no tanto as para la fase gaseosa, pero esta modificacin en el flujo que se presentaba a medida que se disminua el flujo de agua lquida, cambiaba su nmero de Reynolds y de all la mayora de datos y resultados de experimento como son los coeficientes de transferencia por conveccin y por ende el global entre otros.

En base a las velocidades de transferencia de calor obtenidas para el tubo (qc) y para la cmara (qh), se infiere que la mayor transferencia de calor se da en el tubo, debido a que esta ltima es proporcional a la velocidad del fluido, entre mayor sea el flujo de agua que fluye por el tubo, mayor es la superficie de contacto entre el sistema agua-tubo, los flujos volumtricos en el tubo son mayores que en la cmara. Con respecto a los nmeros dimensionales, se pudo comprobar que estos son determinantes al momento de calcular valores como los coeficientes de transferencia, estos a su vez depende de valores como la velocidad de flujo, la viscosidad y el valor de coeficiente de transferencia de calor, ambos factores dependen de la temperatura a la que se encuentran.

IV. ConclusionesDe la experiencia realizada se pudo concluir lo siguiente

Se logr comprobar que uno de los factores que ms incide en el coeficiente global de transferencia de calor del intercambiador es las velocidades y el tipo de flujo (laminar o turbulento) con las que viajan a travs de los compartimientos Se logr determinar el comportamiento del proceso de conveccin forzada a travs de los nmero adimensionales calculados para la experiencia Se confirm un proceso de conveccin, en este caso forzada, se debe a la fuerza dada por la columna de agua (altura del cabezal) Se determinaron los coeficientes de transmisin global de calor para el proceso de conveccin forzada entre un vapor circulando en una cmara y un lquido que flua a travs de una tubera en contacto con el vapor.

V. Bibliografa:

Procesos de Transferencia de calor Donald Q. kern Yunus A. engel. Transferencia de calor y masa. 3ra edicin, McGraw-Hill Interamericana, 2007, Mexico DF. R. Byron Bird, Warren E. Stewart, Edwin N. Lightfoot. Fenmenos de Transporte. 1ra edicin, ediciones Repla s.a., 1987, Mxico D.F.