ndice

Resumen del contenido del informe.2

Objetivos de la experiencia....3

Caractersticas Tcnicas de los Equipos e Instrumentos empleados.4

Descripcin del mtodo seguido....7

Presentacin de los resultados.......8

Discusin de los resultados, conclusiones y observaciones personales...12

Apndice: a) Desarrollo de los clculos.....14 b) Tablas de valores obtenidos y calculados..28

Bibliografa..........32

Resumen del contenido del informe

En el presente informe se aborda el mecanismo de transferencia de calor por conveccin, el cual se encuentra dividido en dos partes; conveccin forzada y conveccin natural, donde en ambas se busca evaluar el coeficiente pelicular, claro est en diferentes condiciones, en la primera se dispone de un tnel de viento donde el fluido se hacer pasar a diferentes velocidades, mientras que en las segunda parte se estudia la transferencia entre el aire y el exterior del ducto cubierto por aislante , donde se estudia la pared superior, inferior y vertical de este. Adems se indica de forma detallada el procedimiento y los instrumentos requeridos con sus respectivas caractersticas tcnicas para llevar a cabo la experiencia en s junto con el desarrollo de los clculos. Referente a las dos partes que compone la experiencia ocurre que en ambas se determinan los coeficientes peliculares mediante dos mtodos matemticos a fin de establecer alguna comparacin entre ellas, adems analizarlas mediante graficas junto con variables como el nmero de Reynolds (Re), nmero de Rayleigh (GrPr) y nmero de Nusselt con la finalizad de establecer ciertas relaciones y conclusiones.

Objetivos de la experiencia

Objetivo General:

Aplicar los conocimientos de transferencia de calor en conveccin, para evaluar el coeficiente de acuerdo a las situaciones fsicas planteadas.

Objetivo especfico:

a)Determinar el coeficiente para el caso particular de un ducto rectangular horizontal, con una resistencia elctrica interna, mediante dos modelos matemticos.

b)Efectuar un anlisis comparativo de los resultados.

c)Determinar el coeficiente para una placa con conveccin natural, mediante dos modelos matemticos.

Caractersticas Tcnicas de los Equipos e Instrumentos empleados

Tnel de viento.Tiene una seccin circular en la salida y seccin rectangular en la entrada, adems cuenta con una resistencia elctrica en su interior. Una parte de la seccin rectangular se encuentra cubierta por un aislante trmico de poli estireno por su exterior. Adems tenemos el ventilador que genera el flujo de aire y se encuentra conectado al motor.

Transductor digital de temperatura:Marca: Fluke, modelo 51 II. Rango de medida:Rango

Termopares tipo J-210 a 1200C (-346 a 2192F)

Termopares tipo K-200 a 1372C (-328 a 2501F)

Termopares tipo T-250 a 400C (-418 a 752F)

Termopares tipo E-150 a 1000C (-238 a 1832F)

Unidad de medida: Grados Celsius, grados Fahrenheit o grados Kelvin. Exactitud: Sobre 100C, [0,05%+0,3C]. Bajo 100C, [0,2%+0,3C]. Resolucin: 0,1C. Termocuplas de contacto y de inmersin:Un cambio de temperatura produce un cambio de la fuerza electromotriz, las Termocuplas traducen esta diferencia de potencial.

Tipo (ISA): KAleaciones bsicas: Cromo y AluminioRango de utilizacin:Grados Celsius: -200 a 1372CFem (mV): -5.51 a 51.05

Ampermetro anlogo Marca: Coway Electronic Enterprice

Rango de medicin [A]Divisin de escala

0 10,02

0 2,50,1

0 50,1

0 100,2

0 250,5

Voltmetro anlogo Marca: Coway Electronic Enterprice

Rango de medicin [V]Divisin de escala

0 50,1

0 100,2

0 250,5

0 501

0 1002

0 2505

0 50010

0 100020

Cronmetro digital Marca: CasioIncremento digital: 0,01 [s]

Huincha de medirEscala: mm (escala usada), Resolucin: 1mm

Descripcin del mtodo seguido.Al comienzo de la experiencia el profesor dicta una introduccin terica al laboratorio, explica el procedimiento y organiza a los alumnos para realizar las mediciones correspondientes a la experiencia.En el montaje experimental se instalan los transductores , los que se disponen de la siguiente manera: se mide la temperatura ambiental (T00ext), temperatura del fluido a la entrada al interior del ducto (T001), en el interior del ducto a la salida (T002), en la pared interior a la entrada del ducto (Tw1) , en la pared interior a la salida del ducto (Tw2), la pared exterior superior (Tw sup) con la termocupla de contacto al igual que la pared exterior inferior (Tw inf) y la pared exterior vertical.Adems de los transductores se instala el voltmetro y ampermetro conectados a la resistencia elctrica que se encuentra dentro del tnel de viento , El anemmetro que registrara los valores de la velocidad de salida del aire por el tnel , para determinar el valor de la velocidad de salida se realizan 8 mediciones a lo largo de la seccin circular a la salida del ducto de modo de obtener un perfil de velocidad adecuado, cuyo promedio corresponde al valor de la velocidad media a la salida, una vez instalados todos los instrumentos se mide la temperatura y se mide el tiempo con el cronmetro hasta que dicho valor de temperaturas se haya estabilizado, luego de esto se registra el valor entregado por cada uno de los instrumentos anteriormente mencionados en la tabla de la pizarra para una velocidad del motor de 200 RPM como la primera serie de datos, luego se realiza de forma anloga para 300, 400, 500 y 600 RPM.Una vez realizadas las mediciones se procede a medir el dimetro de la salida del tnel, las dimensiones de la zona rectangular del ducto donde se encuentra cubierta por el aislante trmico de poliestireno, adems de las dimensiones de la entrada rectangular del tnel con tal de obtener el valor del rea de entrada. Dando de esta forma por finalizada la experiencia.

Presentacin de los resultados

A partir de los clculos desarrollados se obtuvieron los siguientes resultados que se encuentran tabulados:

Resultados obtenidos referentes a la conveccin forzada.

RPMRei Seider -Tatei Gnielinski

[BTU/hr* ft2 F] [BTU/hr* ft2 F]

22032005,067561,54875361,426813463

30040914,642611,885526881,725960748

40058062,472932,489860042,259509232

50074820,304583,045466932,748680929

60091718,010723,578701783,217684286

Resultados obtenidos referentes a la conveccin natural. Superficie superior Caliente:

RPMCorrelacin Utilizada

Mac-AdamsAl-Arabi y El-Riedy

e [BTU/hr* ft2F]Nusselt e[BTU/hr* ft2 F]Nusselt

2200,37500292183,879267960,41517438792,86633239

3000,4215931994,149934720,466765739104,2374277

4000,481879267107,47132010,533527142118,9861044

5000,44758607599,871504660,495531911110,572023

6000,41589528692,877482330,460457321102,8286411

Superficie Inferior Caliente:

RPMCorrelacin Utilizada

Mac-AdamsFujii e Imura

e[BTU/hr* ft2 F]Nusselt e[BTU/hr* ft2 F]Nusselt

2200,18999760942,303948970,14852615233,07057225

3000,18411586441,005693660,14482941832,25613385

4000,20171276744,819383820,15587433934,63456102

5000,19521486843,399555070,15181964233,75399673

6000,18610173741,430781260,14608817432,52336555

Superficie Vertical Caliente:

RPMCorrelacin Utilizada

Mac-AdamsSquire-Ecker

e[BTU/hr* ft2 F]Nusselt e[BTU/hr* ft2 F]Nusselt

2200,46065916426,518523450,4288263424,68602002

3000,51660499629,675043350,4809061627,62441566

4000,51674134829,694873640,48103308927,64287562

5000,52655660630,2324370,49017008628,14329186

6000,51448646529,551359810,47893402527,50927899

Grfico del coeficiente pelicular interior v/s nmero de Reynolds para la conveccin forzada

Grfico del nmero de Nusselt v/s nmero de Rayleigh para la pared superior caliente

Grfico del nmero de Nusselt v/s nmero de Rayleigh para la pared Inferior caliente

Grfico del nmero de Nusselt v/s nmero de Rayleigh para la pared Vertical caliente

Discusin de los resultados, conclusiones y observaciones personales.

A travs del desarrollo de la experiencia fue posible notar una serie de factores que influyen en la transferencia de calor por medio de la conveccin, esta sea conveccin forzada o conveccin natural, adems de establecer diversas comparaciones no tan solo en los dos tipos de conveccin, sino tambin en los mtodos utilizados para calcular el coeficiente pelicular y las variables asociadas a estos. Referente al nmero de Reynolds se tiene que este se encuentra estrechamente relacionado con el aumento de la transferencia de calor donde este depende de la velocidad a la que se mueve el fluido, y como vimos al aumentar las RPM del motor, aumenta la rapidez con que se desplaza el aire, obteniendo as mayores valores de Re, prueba de ello tambin es la grfica h interior v/s Re donde se ve reflejado que al aumentar este ltimo se ve aumentado el coeficiente pelicular. Adems ocurre que en un flujo turbulento se generan remolinos en el fluido donde al entrar en contacto con las paredes de un slido producen mayor roce, lo que se traduce en un aumento en el intercambio de calor. Adems observando las ecuaciones tanto de Seider-Tate y Gnielinski, tenemos que el factor ms relevante para la transferencia de calor por conveccin forzada es el nmero de Reynolds.Si observamos la correlacin de Seider-Tate es posible observar que esta analiza el cambio de la viscosidad del fluido con la temperatura, eso es , cuando la temperatura de la superficie es diferente a la del fluido, pero ocurre que como se puede apreciar en los valores de la Tw y la T00 la diferencia es muy pequea, con lo que al extraer los valores de las viscosidades a travs de estas temperaturas se obtienen valores relativamente similares, con lo que el cuociente entre dichas viscosidades que aparece en la ecuacin es cercano a la unidad, por lo que no afecta mayormente el valor del nmero de NusseltAcerca de la ecuacin de Gnielinski tenemos que est a diferencia de la ecuacin de Seider-Tate analiza los efectos causados por la friccin entre el fluido y las paredes interiores del tnel, donde dicho coeficiente de friccin f es proporcional al nmero de Nusselt dado que la friccin en las paredes favorece la transferencia de calor y la velocidad en que se transfiera. Por lo tanto es posible establecer que la correlacin de Gnielinski nos ofrece un valor de Nusselt ms exacto que el entregado por la correlacin de Seider- Tate.Sobre el nmero de Prandtl no es posible establecer algn tipo de comparacin dado que para los rangos de temperaturas que se trabaj en la experiencia este nmero se mantuvo constante puesto que las diferencias de temperaturas no eran lo suficientemente grandes como para variar su valor.Tambin fue posible observar que el nmero de Grashof al igual que el nmero de Reynolds en el caso de la conveccin forzada, favorece la transferencia de calor, dado que si observamos la grfica Nusselt v/s Rayleigh (GrPr) tenemos que a medida que aumenta su valor tambin se ve incrementado el Nusselt adems como el nmero de Grashof corresponde al cuociente entre las fuerzas de empuje y las viscosas que actan sobre el fluido, siendo proporcional a las fuerzas de empuje, entonces al ser mayores estas ltimas se tiene mayor velocidad del fluido logrando de esta forma una mayor transferencia.Observando los mtodos utilizados, se desprende que el mtodo de Mac Adams depende de la orientacin de la placa, lo cual es de suma importancia para la conveccin natural, pero por otra parte las constantes C y n se asignan segn ciertos rangos del nmero de Rayleigh, donde dichos rangos son muy amplios lo cual produce cierto margen de error. En cambio el mtodo de Al-Arabi y El-Riedy est acotado para placas rectangulares horizontales con superficie caliente superior, y para un intervalo ms acotado de nmero de Rayleigh, por lo que se presume ms certero al momento de su utilizacin. La prediccin de Squire-Eckert, acotada para placas verticales, entrega valores certeros para Ra > 105, por lo que el valor arrojado en los clculos realizados con esta son muy confiables. El modelo de Fujii e Imura para placas planas horizontales con superficie caliente hacia abajo, tiende a ser entregar unos valores de nmero de Nusselt notoriamente menores en el grfico, pero aun vlidos para la experiencia.Al comparar la transferencia de calor entre las paredes superior, inferior y vertical, tenemos como se puede observar en los resultados y grficos que en la placa superior se alcanzan valores superiores a los de las pared inferior esto se debe a que en la pared superior el fluido que con que est en contacto puede desplazarse de mejor manera y a mayor velocidad con lo que alcanza la turbulencia favoreciendo de esta manera la transferencia de calor, mientras que en la pared inferior el fluido caliente al llegar a la superficie inferior queda atrapado debajo de la placa, entorpeciendo que el aire que se encuentra ms abajo no pueda llegar a la placa, viendo as reducida la velocidad de transferencia. Se observa que para la placa vertical, sus coeficiente peliculares fueron los ms altos, pero sus nmeros de Nusselt los ms bajos.Finalmente gracias a lo expuesto con anterioridad es posible decir que la transferencia de calor, especficamente los valores del coeficiente pelicular en el caso de la conveccin forzada son mayores que en la conveccin natural, esto se debe a que en la primera acta un medio externo para llevar a cabo un aumento de la velocidad de transferencia, donde se ven afectados las variables como la velocidad del fluido, que se relaciona con el nmero de Reynolds, el cual es la principal variable presente en la transferencia de calor.

Apndicea) Desarrollo de los clculos.

A continuacin se muestra el desarrollo de los clculos pertinentes para obtener los coeficientes peliculares tanto para la primera como para la segunda parte de la experiencia. En que dichos son clculos son realizados usando la primera serie de datos correspondiente a 200 RPM, dado que para las RPM restantes se procede se forma anloga para las dos partes de la experiencia.

Calculo del coeficiente pelicular h interno.El valor de este coeficiente pelicular debe ser obtenido mediante dos mtodos matemticos, el primero que se utilizara ser el de Seider-Tate y el segundo ser el de Gnielinski.

Calculo del coeficiente pelicular interior usando el mtodo matemtico de Seider-Tate.

Ecuacin que se encuentra en el apunte de ctedra del curso, donde cuya restriccin es que es vlida para valores de 10.000