Instituto Tecnológico de Mexicali

Ingeniería Química

Materia:

Laboratorio Integral I

Tema:

Práctica

Determinación del coeficiente de convección

Integrantes:

Nombre del profesor

Norman Edilberto Rivera Pazos

Mexicali, B.C. a 27 de abril de 2015

Aranda Sierra Claudia Janette

Castillo Tapia Lucero Abigail

Cruz Victorio Alejandro Joshua

De La Rocha León Ana Paulina

Guillén Carvajal Karen Michelle

Lozoya Chávez Fernanda Viridiana

Rubio Martínez José Luis

12490384

11490627

12490696

11490631

12940396

12490402

12490417

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Índice

Práctica

Título: “Determinación del coeficiente de convección”

Objetivo 2

Introducción 2

Marco teórico 3

Definición de la convección 3

Tipos de convección 3

Importancia de la convección 3

Ley de enfriamiento de Newton 4

Coeficiente de convección 4

Numero de Reynolds, Prandtl y Nusselt 5

Material, equipo y reactivos 6

Procedimiento 7

Cálculos 7

Análisis 10

Observaciones 10

Evidencias 11

Bibliografía 12

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Práctica XIII

Título:

“Determinación del coeficiente de convección”

Objetivo:

Determinar el coeficiente de convección (h) en dos fluidos (agua y aire) de manera forzada (en

el agua como flujo forzado), y también convección libre que se da entre un metal y el ambiente

(aire).

Objetivos específicos:

Determinar el calor transmitido utilizando el calor específico del metal.

Determinar el coeficiente de convección del aire y del agua.

Determinar el coeficiente de convección cuando es forzada (en el aire).

Introducción

La transferencia de calor está directamente relacionada con los gradientes de temperatura.

Existen diferentes mecanismos de transferencia (conducción, convección y radiación) los

cuales pueden diferenciarse dependiendo de cómo se lleva a cabo esta transferencia. Uno de

estos mecanismos es la convección.

La velocidad de transferencia de calor a través de un fluido es mucho mayor por convección

que por conducción o radiación, por lo cual es un mecanismo que se utiliza mucho en la

industria para aumentar la rapidez de transferencia de calor. Cuanto mayor es la velocidad del

fluido mayor es la velocidad de transferencia de calor.

La transferencia de calor por convección depende de las propiedades del fluido, de la superficie

en contacto con el fluido y del tipo de flujo. Entre las propiedades del fluido se encuentran:

la viscosidad dinámica, la conductividad térmica, la densidad. Entre las propiedades de la

superficie que intervienen en la convección están la geometría y la aspereza. El tipo de

flujo, laminar o turbulento, también influye en la velocidad de transferencia de calor por

convección.

En cualquier caso, la velocidad de transferencia de calor por convección siempre es

proporcional a la diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido. Este hecho se modela

matemáticamente mediante la Ley de Enfriamiento de Newton. La influencia de las propiedades

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del fluido, de la superficie y del flujo se cuantifica en el coeficiente de película o coeficiente de

transferencia de calor por convección (h) del cual se hablará en esta práctica

Marco teórico

Definición de convección

La convección se define como la transmisión de calor debida al

movimiento macroscópico de aire (o un gas) o un líquido

calentado de un lugar a otro, llevando consigo el calor que

contiene. La tasa de flujo de calor varía en función de la

temperatura del gas o líquido en movimiento y de su caudal.

Tipos de convección

Convección natural (libre): El flujo es inducido por fuerzas de empuje que surgen a partir de

diferencias de densidad ocasionadas por variaciones de temperatura en el fluido.

Convección forzada: Se obliga al fluido a fluir mediante medios externos, como un ventilador o

una bomba. Este tipo de convección se clasifica a su vez en externa o interna dependiendo de

si el flujo es interno o externo. El flujo de un fluido se clasifica como interno o externo

dependiendo de si la fuerza al fluido a fluir está dada por un canal confinado (superficie interior)

o por una superficie abierta. El flujo de un fluido no limitado por una superficie (placa, alambre,

exterior del tubo) es flujo externo. El flujo por un tubo o ducto es flujo interno. Si el fluido está

limitado por completo por superficies sólidas. El flujo de líquidos en un tubo se conoce como

flujo en canal abierto si es tubo está parcialmente lleno con el líquido y se tiene una superficie

libre.

Importancia de la convección

La convección es un mecanismo que la misma naturaleza realiza para el transporte de energía.

Esto se puede observar por ejemplo en el manto terrestre ya que este se encuentra en un

estado de intensa convección con respecto al transporte de energía a lo largo de todo este y

también puede observarse este fenómeno a través de las brisas marinas, solo por mencionar

algunos.

Industrialmente, se puede observar la convección en los congeladores, particularmente en el

evaporador del equipo de refrigeración.  Otro ejemplo seria en la elaboración de bebidas

alcohólicas como el coñac, o tequila o whiskey, al condensar ya el producto, en el evaporado se

usan intercambiadores de calor que pueden de tubo y coraza, estos trabajan bajo la convección

Fig. 1 Mecanismo de convección

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ya que existe un flujo en ese intercambio y más si el intercambiador es a contracorriente y para

estar alimentando liquido frio al condensador se recircula ese liquido enfriador a una torre de

enfriamiento donde el mecanismo seria también de convección y ya lo devuelve frio otra vez al

condensador.

Ley de enfriamiento de Newton

La ley de enfriamiento de Newton enuncia que la rapidez con que se enfría un objeto es proporcional

a la diferencia entre su temperatura y la temperatura del medio ambiente en el cual se encuentra el

objeto y un coeficiente convectivo. Esta ley nos permite calcular el calor transferido a través de

la convección. Se denota matemáticamente de la siguiente manera:

q ´ ´=h(T−T∞)

Donde:

q ´ ´ : Flujo de calor transmitido por unidad de área (W/m2)h: Coeficiente de convección (o película)(W/m2 .oC)T : Temperatura del objeto (oC).T ∞: Temperatura del ambiente (oC).

Para calcular el coeficiente de convección o película se despeja de la fórmula de enfriamiento

de Newton “h”, quedando de la siguiente manera:

h= q ´ ´(T−T ∞)

Coeficiente de convección (o película)

El coeficiente de transferencia de calor por convección (h) depende de

las condiciones en la capa límite, en las que influyen la geometría de la

superficie, la naturaleza del movimiento del fluido y una variedad de las

propiedades termodinámicas del fluido y de transporte. Al final, el

estudio de la convección se reduce a ver cómo podemos determinar

este coeficiente. Como se puede apreciar en la figura 2 las condiciones

de flujo varían de punto a punto sobre la superficie, al igual que q’’, por lo tanto h también varía

a lo largo de la superficie. Es por esta razón que en la ley de enfriamiento de Newton, se utiliza

a h como un coeficiente promedio para toda la superficie.

Fig. 2 Variables involucradas en la convección

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Número de Reynolds, Prandtl, Nusselt

Existen importantes parámetros adimensionales utilizados en la transferencia de calor en el flujo

de fluidos, los cuales son de gran utilidad, estos son los números de Reynolds, Prandtl y

Nusselt los cuales se definirán a continuación.

Numero de Reynolds: Es un parámetro adimensional cuyo valor indica si el flujo sigue un

modelo laminar o turbulento. Este de denota matemáticamente de la siguiente manera:

ℜ= ρvDμ

Donde:

ρ: Densidad del fluido (kg/m3).

v: Velocidad del fluido (m/s).

D: Diámetro por donde pasa el fluido (m)

μ: Viscosidad del fluido (kg/m.s)

Numero de Prandtl: Es un número adimensional en cual cuando tiene un valor bajo nos dice la

conducción de calor es efectiva en comparación a la convección, pero cuando la convección es

eficiente transfiriendo calor en comparación con la conducción, entonces se considera que el

número de Prandtl es alto. Matemáticamente se denota:

Pr=Cp μ

k

Donde:

C p: Calor especifico del fluido (J/Kg oC).

μ: Viscosidad del fluido (kg/m.s).

k : Coeficiente de conductividad térmica (W/m oC)

Número de Nusselt: Se calcula para estimar la relación convectiva a la transferencia de calor

por convección. Este debe ser calculado solamente en paredes sólidas, así, consideramos

entonces superficies sólidas a las caras del dominio que tengan velocidades prescritas e iguales

a cero. Este número también es calculado en la superficie de los bloques sólidos.

Matemáticamente se denota:

Nu=hDk

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Donde:

h: Coeficiente de convección del fluido (w/m2 oC).

D: Diámetro por donde pasa el fluido (m).

k: Coeficiente de conductividad térmica del material (w/m oC).

Coeficiente de convección

Donde se aplica (convección)

Como se aplica, unidades, ley de enfriamiento de newton

Conversión forzada y libre

Números adimensionales (Nusselt, Reynolds, Pradtl)

Valores teóricos

Fluido

Coeficiente convectivo de

transferencia de calor (

W /m2 K ¿

Aire.-convección libre 5-25

Aire.-convección forzada 10-200

Agua.-convección libre 20-100

Agua.-convección forzada 50-10,000

Material, equipo y reactivos

Experimento Material y equipo Material a estudiar

1 1 Soporte universal Tubo de cobre

3 Pinzas(2) Tres dedos, y (1) dos

dedosAgua

2 Guantes1 Termómetro infrarrojo1 Regla1 Cronómetro1 Vaso de ppt 100 ml1 Probeta 50 ml1 Balanza1 Termómetro

2 1 Manguera 1 in Agua1 Vernier

1Termómetro

infrarrojo*1 Cronómetro1 Probeta 1000 ml1 Termómetro

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Procedimiento:

a) Experimento 1 (Convección en aire tanto libre y forzada)

1. Limpiar los materiales a utilizar y ordenar el equipo.

2. Con la regla tomar la medida de la longitud del tubo así como el diámetro.

3. Colocar la fibra de vidrio alrededor del tubo con el fin de servir como aislante.

Nota: No en los extremos. (Separar un poco más de uno de los extremos con el fin de que no se queme el unicel).

4. Medir la temperatura de los extremos y registrar.

5. Prender la plancha.

6. Colocar el tubo en un soporte universal con su respectiva pinza.

7. Colocar uno de los extremos del tubo en la plancha.

8. Apagar al pasar 240 segundos con el cronómetro.

9. Tomar la temperatura en cada extremo del tubo.

10. Dejar enfriar durante 240 segundos con el aire del ambiente.

11. Repetir del paso 7-10 pero esta vez dejarlo enfriar con aire saliente de los tubos de la

refrigeración. (registrar la temperatura de dicho aire)

12. Poner agua en un vaso de precipitado.

13. Repetir del paso 7-10 pero esta vez en agua.

14. Tomar el peso del tubo los tubos y del agua.

b) Experimento 2 (Convección en agua forzada)

1. Limpiar los materiales a utilizar y ordenar el equipo.

2. Con el vernier tomar la medida del diámetro interno de la manguera.

3. Colocar la manguera a la toma de agua.

4. Medir la temperatura de entrada y salida y registrar. (tomar la temperatura del

ambiente).

5. Mantener un flujo estable y medir el caudal. Esto se hace tomando el tiempo en que

se tarda en llenar la probeta de 1000 ml.

Cálculos y Resultados

Para el experimento 1

Se debe de calcular el calor transferido, por lo que se utiliza la siguiente ecuación:

Q=mC p(T2−T1)

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q=Qt

Recordando que el tiempo en todos los experimentos fue de 240 s.

Exp 1 M (kg)Cp (J /kg℃

)T 1 (℃) T 2 (℃)

∆T (℃

)Q (J) q (W )

Bronce* 0.4306 385 387 62 325 53878.82 224.50

Bronce** 0.4306 385 367 63.4 303.6 50331.11 209.71

Bronce*** 0.4306 385 325 47.6 277.4 45987.65 191.62

*convección libre en aire, ** convección forzada en aire y ***convección libre en agua

Utilizando la ley de enfriamiento de Newton, sabemos que h estaría dado por:

h= q ' '(T s−T ∞)

Suponiendo un flujo estacionario y un sistema adiabático, entonces por la ley de la

conservación de la energía:

q ' ' cond=q ' 'conv

−K(T 2−T1)

dx=h(T s−T∞)

Por lo tanto:

h=K (T 1−T 2)(T s−T ∞)dx

Utilizando la constante de conducción térmica obtenida en la práctica pasada.

Exp 1 Intento q (W ) T 1 (℃) T 2 (℃)T s (℃

)T ∞ (℃)

K (

W /m℃)dx (m)

h (W /m2℃

)

Aire

libre

1 224.50 - 62 26.8 25 - - 6.07

2 - 367 63.4 26.8 25 125.52 0.098 231258.50

Aire

forzado

3 209.71 - - 25.6 13 12.8 - 16.38

4 - 367 63.4 25.6 13 125.52 0.098 28177.96

Agua

libre

5 191.62 - - 29 26 - - 19.08

6 - 325 47.6 29 26 125.52 0.098 118432.81

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Nota: En el intento 1 es utilizando el calor obtenido a partir del C p del bronce y el intento 2 es utilizando

el promedio de la constante de conductividad térmica calculada en la práctica “Aplicación de la ley de

Fourier” pero considerando la T ∞ como la del aire ambiente. El intento 3, 4 son iguales a los anteriores

pero utilizando la temperatura del aire acondicionado. En el intento 5 y 6 es considerando temperaturas

del agua en la convección.

Experimento 2

En este caso las formulas necesarias son:

Nu=C∗Rea∗Pr

1 /3 Re=vDρμ

Pr=C pμ

k

Nu=hDK→h=

N uK

D

A continuación los valores de las variables conocidas a 26℃

v=0.13494m / s D=0.0185m ρ=982kg/m3

μ=8.73x 10−4Pa∗s C p=4180 J /kgK k=0.58W /mK *

L=0.18m

*Constante de conducción del agua.

Re=2808.65 Pr=0.0291

Para determinar las constantes C y a es necesario obtener el número de Reynolds y comparar

con la siguiente tabla:

Reynolds C A

1-40 0.75 0.4

40-103 0.51 0.5

103-2x105 0.26 0.6

2x105-106 0.076 0.7

Nu=C∗R ea∗Pr

13 →N u=0.26 Re

0.6∗P r1 /3

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h=Nu K

L→h=293.85W /m2K

Análisis

Como podemos observar en la tabla de resultados tanto la convección del aire libre y forzado y

del agua son correspondientes ya sea que estén dentro del margen de valores o están casi

llegando a uno de los extremos. Esto ocurre para la constante de convección solamente en los

intentos donde se utilizaba el calor de conducción igual al calor que se transmitiría por

convección. (Intento 1,3 y 5).

En el caso de los intentos 2,4 y 6, estos valores no coincidieron en lo más mínimo, suponemos

que estos resultados como están tan alejados se debe principalmente a como en este caso

utilizamos la constante de conductividad de la práctica pasada y a su vez no utilizamos el

mismo tubo, ni el aislante y las medidas del tubo eran un poco distintas, entonces es posible

que no podríamos usar la misma constante. Por lo tanto los valores que tomaremos como

reales son lo del intento 1, 3 y 5.

En lo que estamos seguros es que el ejercicio es posible realizarlo y obtener valores concisos

de la manera en cómo se desarrolló, ya que tanto en el aire como en el agua, siendo libre o

forzado, el valor se puede obtener.

Comparación

Sustancia Valor de h calculado Valor de h teórico

Aire (Convección libre) 6.07 5-25

Aire (Convección forzada) 16.38 10-200

Agua(Convección libre) 19.08 20-100

Agua(Convección forzada) 293.85 50-10,000

Observaciones

Hay que tener en cuenta que solo hay un termómetro de infrarrojo y que los demás equipos

querrán usarlo.

Calentar y mantener la temperatura de la plancha.

Cuidar los materiales a usar (que sean los mismos).

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El agua utilizada tenía cloro y esta a su vez era de la llave.

Evidencias

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Bibliografías

Fuentes de libros

Incropera. (2000). “Fundamentos de Transferencia de Calor”. Ed. Pearson. 4ta edición.

Cengel, Yunus. (1996) “Termodinámica”. Ed. Mc Graw-Hill. 6ta edición.

Wark, K. Richards. (2001). “Termodinámica” Ed. Mc Graw-Hill. 6ta edición.

Moran J. (1999). “Fundamentos de Termodinámica Técnica”. 1ra edición. Ed. Reverte.

Fuentes electrónicas

http://docsetools.com/articulos-utiles/article_106262.html

http://www.cimec.org.ar/ojs/index.php/mc/article/viewFile/403/388

http://es.slideshare.net/Karinanne/prctica-x-y-xi-aplicacin-de-la-ley-de-fourier?

ref=http://equipo2-lab-1-2015-1.blogspot.mx/