16 de Septiembre 2015

PRACTICA TC-2 DEMOSTRACIN DEL USO DE SUPERFICIES EXTENDIDAS PARA MEJORAR LA TRANSFERENCIA DE CALOR DESDE UNA SUPERFICIE.Juan David BenavidesCdigo 122393juan.benavides@correounivalle.edu.co

Antony TulcnCdigo 1225471antony.tulcan@correounivalle.edu.co

16 de Septiembre 2015

Transferencia de calor desde una superficie 4

Nomenclatura

Q = Flujo de calor Qt = Flujo de calor terico k = Conductividad trmicaAf = rea de aleta en contacto con el flujo de aireAc = rea transversal de la aletaA0 = rea desnuda de la placaAt = rea total en contacto con el flujo de aireLc = Longitud corregidaT1 = Temperaturas de la placa baseT9 = Temperaturas ambiente0 = Eficiencia total del banco de extensiones . superficiales f = Eficiencia para una extensin superficial = Eficacia del banco de extensiones superficialesN = Nmero de aletas = Viscosidad dinmica del airePr = Nmero de PrandtlTf = Temperatura promedio entre T1 y T9 Re = Nmero de Reynolds Nu = Nmero de Nusselth = Coeficiente de conveccin b = Diferencia de temperaturas entre la placa base y el . ambiente

Marco Terico

El calor disipacin por una aleta es dependiente de la forma de la misma que se evala considerando la eficiencia de forma.La eficiencia global de un banco de aletas de fabricacin integral se relaciona con la eficiencia de forma, el rea total de transferencia el rea, segn la siguiente expresin: [3] (1)

La eficiencia individual de un banco de aletas se halla mediante la siguiente ecuacin: [2]

(2)

La eficacia de superficies extendidas se halla mediante la siguiente ecuacin: [2]

(3)

Una manera directa de establecer el calor entregado a una superficie extendida es calculando el potencial elctrico entregado a la placa, esto es: [3]

(4)Dnde:Q [Watts]V [Volts] I [Amperes]

El flujo total de calor para una aleta estar determinado por la ecuacin general de conveccin afectada por la eficiencia global de la aleta, esto es: [3]

(5)

Donde, : (6)

Una forma como verificar la eficiencia de las placas con superficies extendidas es haciendo una resta entre el calor extrado de la placa base con superficies extendidas y el calor extrado por la placa base sin aletas: [2]

(7)

El coeficiente de conveccin del aire depende del nmero de Nusselt: [1]

Dnde:h [W/ m2 K]

Donde, el nmero de Nusselt depende del nmero de Reynolds y de Prandtl: [1]

Las propiedades del fluido son evaluados a una temperatura media entre la temperatura de la placa y la temperatura del aire:

(8)

El nmero de Reynolds lo calculamos mediante la siguiente ecuacin: [1]

(9)Para las espigas: [2] (10)

Para un flujo sobre una placa, la transicin del flujo de laminar a turbulento empieza alrededor de . [1]

Teniendo esto se puede hallar el nmero de Nusselt con la siguiente ecuacin: [2]

(11)

Para las espigas: [2]

(12)

Como ya fue dicho, el coeficiente de conveccin del aire depende del nmero de Nusselt, ahora se puede calcular mediante la ecuacin:

(13)

Para las espigas: [2]

(14)

Datos y Mediciones

Todos los intercambiadores de calor tienen un rea plana de calefaccin (sin considerar las aletas o espigas) de 125 X 150 milmetros. Estas medidas son las mismas que tiene el intercambiador de placa plana.

La Figura 3 muestra la geometra de las superficies extendidas de las placas de los intercambiadores de calor.

Figura 3. Geometra superficies extendidas de las placas [1]

La Tabla 1 y la Tabla 2 muestran las medidas de las superficies extendidas de las placas (espigas y placas) y nmero de extensiones (espigas o placas). Estas mediciones se obtuvieron manualmente con un calibrador.

Tabla 1. Medidas de las espigasLongitud (m)Dimetro (m)Nmero de espigas

0,0440,01816

Tabla 2. Medidas de las aletasL (m) W (m)t (m)Nmero de aletas

0,150,0420,004410

La Tabla 3 muestra los datos de temperatura, velocidad del aire, voltaje y corriente. Estos datos fueron registrados por la consola principal (Figura 2) del mdulo H112P.

Tabla 3. Datos obtenidos en el laboratorioTipoVelocidad[m/s] T1[K]T9[K]Voltaje[v]Corriente [A]

Espigas 0,42310,73309,64510,079

2,25309,71308,26480,075

4,52308,9307,56500,077

Placa0,39314,48310,35520,091

2,26311,78308,25510,082

4,53310,93307,4520,087

Aletas 0,4310,31310,19520,09

2,23309,53308,31530,09

4,56308,94307,36540,092

Anlisis de Datos

La Tabla 4 presenta las propiedades del aire sacados de las tablas termodinmicas tomando como referencia la temperatura Tf. Para usar las tablas termodinmicas se hicieron las siguientes suposiciones: Condicin estacionario de operacin Aire como gas ideal Presin atmosfrica local 1Atm Superficies circundantes estn a temperatura ambiente.

Tabla 4. Propiedades del aire a Tf de cada superficie extendida [2]TipoTf [K]K[W/ m K]Pr [Kg/ s m]

Espigas

310,1852,7054E-020,70561,68907E-05

308,9852,6965E-020,70571,67693E-05

308,232,6909E-020,70581,66929E-05

Placa

312,4152,7219E-020,70531,71164E-05

310,0152,7041E-020,70561,68735E-05

309,1652,6978E-020,70571,67875E-05

Aletas

310,252,7059E-020,70561,68973E-05

308,922,6960E-020,70581,67627E-05

308,152,6903E-020,70591,66848E-05

La Tabla 5 presenta el nmero de Reynolds calculado a partir de la ecuacin (8) y (9).

Tabla 5. Numero de Reynolds para cada tipo de superficie extendidaTipoRe

Espigas

447,5829985

2415,130236

4873,935444

Placa

1014,028577

5932,933509

11948,02859

Aletas

994,2416836

5587,404037

11478,72492

En la Tabla 6 se muestran el nmero de Nusselt y coeficiente de conveccin calculados a partir de las ecuaciones (11), (12) y (13), (14) respectivamente.

Tabla 6. Nmero de Nusselt y h para un flujo laminar.TipoNusselth [W/ m2 K]

Espigas10,4530253315,7107

22,9308248734,4646

31,8084885347,8076

Placa18,8234115811,5737

45,5359011927,9980

64,6233661339,7341

Aletas18,6391629912,0061

44,1899652228,3709

63,3413850840,5823

La Tabla 7 se muestra los datos necesarios para calcular las eficiencias de aletas en superficies extendidas tipo espigas y tipo aletas.

Tabla 7 datos utilizados para calcular eficienciasEspigasAletas Rectangulares

A00,014678496A00,01215

Af0,00274261Af0,01326

Ac0,000254469Ac0,00066

At0,058560262At0,00666

Lc0,0485Lc0,0442

L0,044l0,042

P0,056548668P0,3088

N16N10

K Aluminio209.03Aplaca 0.01875

En la Tabla 8 se muestra la eficiencia de una superficie extendida (Espigas y aletas) obtenida de la ecuacin (2) y la eficiencia global de la placa con las superficies extendidas hallada con la ecuacin (1).

Tablas 8. Valores de las eficiencias para superficies extendidasTipof0

Espigas0,9870,990

0,9720,979

0,9620,972

Aletas0,9830,911

0,9610,794

0,9450,712

La Tabla 9 muestra la eficacia que tiene cada tiene cada banco de aletas a la hora de disipar calor, este dato se obtiene con la ecuacin (3)

Tabla 9. Eficacia para cada tipo de superficie extendidaTipo

Espigas15,255

4,199

3,374

Aletas0,512

1,024

1,073

La tabla 10 muestra el flujo de calor terico que se obtiene con la ecuacin (5) y el flujo de calor experimental (4) entregado a una superficie extendida.

Tabla 10. Calor Experimental y terico.TipoQ [W]Qt extrado [W]

Espigas4,0290,993

3,62,866

3,853,645

Placa4,7320,065

4,1820,682

4,5241,080

Aletas4,680,033

4,770,699

4,9681,160

Discusin de Resultados

Usar una superficie extendida con el flujo forzado de aire, aumenta la transferencia de calor ya que existe un rea de contacto mayor entre el fluido y el material adems, ofrece una mayor resistencia para el fluido que transita a su alrededor.Las superficies extendidas mejoran la transferencia de calor ya sea desde el fluido o desde la placa. Esto se debe a lo anteriormente nombrado.El principal factor que determina la eficiencia de una superficie extendida es la geometra de esta. Otro aspecto importante es el nmero de superficies salientes de la placa y su ubicacin. Las placas con aletas son muy usadas debido a su distribucin y peso, generalmente las encontramos en procesadores de pc, radiadores, motores y algunos ventiladores.Las placas con espigas se hallan en el mercado en pocos casos debido a que es ms complejo de producir que las aletas. Su uso generalmente se presenta en intercambiadores de calor, en algunos evaporadores y en refrigeradores (parte trasera).

Bibliografa

[1] Cengel, Y. A.; Boles, M.A.: transferencia de calor y masa. Mc Graw-Hill, 1996. [2] Incropera, F. P; DeWitt, D. P: Fundamentos de transferencia de calor. PRENT1CE HALL, Mxico. 1999 [3] Guas de laboratorio de ingeniera mecnica 2, universidad del valle 2015

Transferencia de calor desde una superficie pg. 4