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Universidad de Antioquia Departamento de Ingeniera Qumica

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II GUA DE LABORATORIO

SEMESTRE 2010-1

CONVECCIN

Diana Catalina Correa

I. OBJETIVOS 1.1. GENERAL

1.1.1 Determinar las diferencias entre la conveccin libre y la forzada, en una placa

plana, placa con aletas y una placa con cilindros.

1.2. ESPECFICOS

1.2.1 Comprobar el efecto del uso de superficies extendidas para aumentar la

transferencia de calor por conveccin. 1.2.2 Determinar los coeficientes de conveccin libre y forzada para los sistemas

estudiados.

II. MARCO TERICO CONVECCIN El modo de transferencia de calor por conveccin se compone de dos mecanismos. Adems de la transferencia de energa debida al movimiento molecular aleatorio (difusin), la energa tambin se transfiere mediante el movimiento global, o macroscpico del fluido. El movimiento del fluido se asocia con el hecho de que en cualquier instante grandes nmeros de molculas se mueven de forma colectiva o como agregados. Tal movimiento, en presencia de un gradiente de temperatura, contribuye a la transferencia de calor. Como las molculas en el agregado mantienen su movimiento aleatorio, la transferencia total de calor se debe entonces a una superposicin de transporte de energa por el movimiento aleatorio de las molculas y por el movimiento global del fluido. Se acostumbra utilizar el trmino conveccin cuando se hace referencia a este transporte acumulado y el trmino adveccin cuando se habla del transporte debido al movimiento volumtrico del fluido.

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Figura 1. Fluido sobre una superficie calentada

Estamos especialmente interesados en la transferencia de calor por conveccin que ocurre entre un fluido en movimiento, y una superficie limitante cuando stos tienen diferentes temperaturas. Considere el flujo del fluido sobre la superficie calentada de la figura 1. Una consecuencia de la interaccin fluido-superficie es el desarrollo de una regin en el fluido en la que la velocidad vara de cero en la superficie a un valor finito asociado con el flujo. Esta regin del fluido se conoce como capa lmite hidrodinmica o de velocidad. Ms an, si las temperaturas de la superficie y del fluido difieren habr una regin del fluido a travs de la cual la temperatura vara de Ts en y = 0 a T en el flujo exterior. Esta regin, denominada capa lmite trmica, puede ser ms pequea, ms grande o del mismo tamao que aquella en la que vara la velocidad. En cualquier caso, si Ts > T ocurrir la transferencia de calor por conveccin entre la superficie y el flujo exterior. El modo de transferencia de calor por conveccin se sustenta tanto en el movimiento molecular aleatorio como en el movimiento volumtrico del fluido en la capa lmite. La contribucin debida al movimiento molecular aleatorio (difusin) domina cerca de la superficie donde la velocidad del fluido es baja. De hecho, en la interfaz entre la superficie y el fluido (y = 0), la velocidad del fluido es cero y el calor se transfiere slo por este mecanismo. La transferencia de calor por conveccin se clasifica de acuerdo con la naturaleza del flujo. Hablamos de conveccin forzada cuando el flujo es causado por medios externos como un ventilador, una bomba o vientos atmosfricos. Como ejemplo, considrese el uso de un ventilador para proporcionar enfriamiento por aire mediante conveccin forzada de los componentes elctricos calientes sobre un arreglo de tarjetas de circuitos impresos (figura 2a). En cambio, en la conveccin libre (o natural) el flujo, es inducido por fuerzas de empuje que surgen a partir de diferencias de densidad ocasionadas por variaciones de temperatura en el fluido. Un ejemplo es la transferencia de calor por conveccin libre, que ocurre a partir de componentes calientes sobre un arreglo vertical de tarjetas de circuitos en aire inmvil (Figura 2b). El aire que hace contacto con los componentes experimenta un aumento de temperatura, y en consecuencia una reduccin en su densidad.

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Como ahora es ms ligero que el aire de los alrededores, las fuerzas de empuje inducen un movimiento vertical por el que el aire caliente que asciende de las tarjetas es reemplazado por un flujo de entrada de aire ambiental ms fro.

Figura 2. Ejemplos de conveccin Aunque supusimos conveccin forzada pura en la Figura 2a y conveccin natural pura en la figura 2b, pueden existir las condiciones correspondientes a conveccin mezclada (combinada) forzada y conveccin natural. Por ejemplo, si las velocidades asociadas con el flujo de la figura a son pequeas y/o las fuerzas de empuje son grandes, sera posible inducir un flujo secundario comparado al flujo forzado impuesto. El flujo de empuje inducido sera normal para el flujo forzado y tendra un efecto significativo sobre la transferencia de calor por conveccin a partir de los componentes. En la figura 2b habra conveccin mezclada si se usara un ventilador para forzar aire hacia arriba a travs de las tarjetas de circuitos, ayudando con ello al flujo de empuje, o hacia abajo, oponindose a dicho flujo. Dos casos especiales de inters son la ebullicin y la condensacin. Por ejemplo, la transferencia de calor por conveccin resulta del movimiento de fluido inducido por las burbujas de vapor generadas en el fondo de una cacerola en la que se est hirviendo agua (figura 2c) o por la condensacin de vapor de agua sobre la superficie externa de una tubera de agua fra (figura 2d). Sin importar la naturaleza particular del proceso de transferencia de calor por conveccin, la ecuacin o modelo apropiado es de la forma

Donde q", el flux de calor por conveccin (W/m2), es proporcional a la diferencia entre las temperaturas de la superficie y del fluido, Ts y T, respectivamente. Esta expresin se conoce como la ley de enfriamiento de Newton, y la constante de proporcionalidad h (W/m2 K) se denomina coeficiente de transferencia de calor

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por conveccin. ste depende de las condiciones en la capa lmite, en las que influyen la geometra de la superficie, la naturaleza del movimiento del fluido y una variedad de propiedades termodinmicas del fluido y de transporte. Cuando se usa la ecuacin, se supone que el flujo de calor por conveccin es positivo si el calor se transfiere desde la superficie (Ts > T) y negativo si el calor se transfiere hacia la superficie (T > Ts). Sin embargo, si T > Ts no hay nada que nos impida expresar la ley de enfriamiento de Newton como

En cuyo caso la transferencia de calor es positiva si es hacia la superficie.

III. DESCRIPCIN DEL EQUIPO Y MANUAL

Figura 3. Consola de control del mdulo para la prctica de conveccin

En la Figura 3, podemos encontrar el control de encendido del equipo, los controladores de potencia y ventilador y adems podemos encontrar el medidor de temperatura, cuyo valor depende de la potencia suministrada.

ENCENDIDO

CONTROL DEL

VENTILADOR

MEDIDOR DE

TEMPERATURA

MEDIDOR DE

POTENCIA

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Figura 4. Vista frontal del mdulo para la prctica de conveccin

La Figura 4 es una vista frontal del equipo. En ella podemos encontrar la sonda de temperatura que conecta el medidor de temperatura con la parte lateral de la caja de pruebas. Adems, se encuentra el cable que suministra la potencia, que va desde la consola hasta la parte inferior de la caja de pruebas. Finalmente, podemos localizar la ubicacin del ventilador y la salida de flujo de aire.

FLUJO DE AIRE

VENTILADOR

SONDA DE

TEMPERATURA

CAJA DE PRUEBAS

CALENTADA

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Figura 5. Vista lateral del mdulo para la prctica de conveccin

En la figura 5, tenemos la vista lateral del equipo. All podemos observar donde van conectados a la caja de pruebas el cable que suministra la potencia y el medidor de temperatura mencionados en la figura 4. Adems, se denotan tres puntos en los cuales se medirn la temperatura a la entrada, en el medio y a la salida del dispositivo. En general, el equipo para realizar las pruebas de conveccin consiste de un conducto rectangular ubicado en forma vertical. A 0.37 m desde el borde superior del conducto se encuentra una caja de pruebas en la que se puede ubicar una superficie lisa, una superficie con aletas o un banco de tubos. Una ventana ubicada al mismo nivel sobre la pared del conducto permite ver el dispositivo instalado (Ver figura 4). El flujo del aire a travs del conducto puede darse en forma natural o forzada. La velocidad forzada del aire se regula usando un ventilador de velocidad graduable que se encuentra en la parte superior del equipo (Ver figura 4). Los valores de temperatura de la superficie expuesta de la caja de pruebas, as como la del aire que circula por el conducto se pueden medir usando un termistor sonda que se inserta a travs de unos agujeros espaciados uniformemente que estn en la parte lateral del equipo (Ver figura 5).

CAJA DE PRUEBAS

CALENTADA

SONDA DE

TEMPERATURA

Tentrada

Tcentral

Tsalida

CALENTADOR

VELOCIDAD DEL

AIRE

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El control general del montaje se hace a travs de una consola elctrica que cuenta con dos lectores digitales. Con uno de ellos se observa la potencia suministrada al permutador y con el otro la temperatura de la placa o del aire, usando el termopar correspondiente. Adems, se encuentra el control del ventilador y el encendido del equipo (Ver Figura 3).

IV. PROCEDIMIENTO

1. Colocar en la unidad de calentamiento o caja de pruebas, ya sea la superficie lisa, la superficie con aletas o el banco de tubos.

2. Anotar la temperatura ambiente del aire (TA) para cada caso.

3. Conectar el cable que suministra la potencia a la caja de pruebas. 4. Ajustar la potencia de calentamiento a unos 75W aproximadamente. Tener en

cuenta que al aumentar la potencia, la temperatura tambin aumentar, pero no debe sobrepasar 90C. Cuando el valor de la temperatura est lo suficientemente alto (cercano a 80C), se debe bajar la potencia significativamente hasta que la temperatura tome un valor estable.

5. Ajustar la velocidad del ventilador con la perilla, dependiendo del experimento que

se est llevando a cabo (0m/s para conveccin libre y valores definidos para conveccin forzada).Cada posicin de la perilla corresponde a una velocidad del aire determinada dentro del ducto, la cual se puede leer de una tabla que se encuentra en la pared lateral de la consola de control (Figura 5).

6. Esperar a que la temperatura de la placa no cambie (estado estacionario en el

ducto). 7. Anotar las lecturas de temperaturas: de la lmina TH, del aire a la entrada Tentrada,

del aire en la zona de la placa Tcentral y del aire a la salida de la unidad de calentamiento Tsalida (Figura 5)

8. Realizar tres experimentos y llenar la siguiente tabla para cada tipo de placa.

TABLA

Conveccin Libre y Forzada Placa lisa

Experimento 1 2 3

Temperatura de la Placa (C) Temperatura Ambiente (C) Velocidad de Aire (m/s) 0 2 4

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Temperatura en Diferentes Puntos (C) Experimento 1 2 3

Entrada Central Salida

V. CLCULOS Y RESULTADOS

1. Calcule coeficientes de transferencia de calor por conveccin para los diferentes casos y diferentes placas, por medio de la ley de enfriamiento de Newton.

2. Comparar los resultados obtenidos anteriormente. 3. Analizar la temperatura en diferentes puntos identificando la distribucin de la

temperatura. 4. Calcule coeficientes de transferencia de calor por conveccin para la placa lisa

usando correlaciones empricas (tanto en conveccin libre como forzada) y comparar con los resultados obtenidos en el numeral 1.

VI. BIBLIOGRAFA

INCROPERA, Frank. DEWITT David. Fundamentos de transferencia de calor. cuarta edicin, Editorial Prentice Hall 1999, Mxico.