CONVECCION TERMICA1. IntroduccinLa conveccin es una de las tres
formas de transferencia de calor por movimiento real de las
molculas de una sustancia. Este fenmeno slo podr producirse en
fluidos en los que por movimiento natural (diferencia de
densidades) o circulacin forzada (con la ayuda de ventiladores,
bombas, etc.) puedan las partculas desplazarse transportando el
calor sin interrumpir la continuidad fsica del cuerpo.Considrese la
placa caliente mostrada en la figura. La temperatura de la placa es
Tpy la temperatura del fluido es T. La velocidad de la corriente
aparece como se muestra, reducindose a cero en la placa como
resultado de la viscosidad. Como la velocidad de la capa de fluido
en la pared es nula, en este punto el calor slo puede ser
transferido por conduccin. As, la transferencia de calor podra
calcularse haciendo uso de la ecuacin con la conductividad trmica
del fluido y el gradiente de temperaturas del fluido en la
pared.
Entonces, L por qu si el calor fluye por conduccin en esta capa
se habla de transferencia de calor por conveccin y se necesita
tener en consideracin la velocidad del fluido? La respuesta es que
el gradiente de temperaturas depende de la rapidez a la que el
fluido se lleva el calor; una velocidad alta produce un gradiente
de temperaturas grande.La transferencia de calor por conveccin se
expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:
Conveccin natural.Es debida al gradiente trmico, y se justifica
por los siguientes puntos: Por la diferencia de densidad o de peso
especfico que aparece debido a las diferentes temperaturas. Esto
produce que el fludo ms fro circule hacia abajo y el ms caliente
hacia arriba, produciendo una corriente ascendente. En esta
consideracin participa la fuerza de gravedad Las partculas lquidas
o gaseosas tienen movimientos relativos continuos, que aumentan al
aumentar sus estados trmicos. Este movimiento transporta la energa
calrica en forma de energa cintica mientras se desplaza la partcula
y va colisionando con las millones que encuentra en su camino, y a
su vez stas hacen lo mismo, verificndose una conveccin a nivel
molecular de flujo muy turbulento. El movimiento de las partculas
es conocido como movimiento browniano.
Conveccin forzada.Es cuando se aplican medios mecnicos para
hacer circular el fluido. Ejemplos: ventilador, bomba, agitador,
etc
En la Tabla 1.2 se dan los valores aproximados del coeficiente
de transferencia de calor por conveccin.
2. Marco tericoEl transporte de calor a travs de un medio
material se puede realizar por dos mecanismos: conduccin o
conveccin. La conduccin se realiza mediante la transferencia de
energa entre molculas adyacentes, y tiene lugar siempre que exista
un gradiente de temperatura. La transferencia de calor por
conveccin implica el transporte de calor a travs de una fase y el
mezclado de porciones calientes y fras de un gas o lquido. Si el
movimiento del fluido se debe exclusivamente a una diferencia de
densidades originada por diferente calentamiento se habla de
conveccin natural; si en ese movimiento influye la agitacin externa
o provocada, se habla de conveccin forzada. En fluidos, el
transporte de calor por conduccin es despreciable frente a la
conveccin.
Perfil de Velocidades Perfil de Temperaturas
Transmisin de calor entre un slido y un fluido que circula
paralelo a su superficie Valores orientativos de coeficientes de
transmisin de calor por conveccin (cuadrado 5.2 aguado)FluidoTipo
de Conveccioh(W/m2*K)
AireNatural5-30
AireForzada10-500
Aire(Congelacion)Forzada5-10
Agua LiquidaForzada500-1000
Agua LiquidaForzada500-6000
Agua EbullicionForzada3000-60000
Agua condensacinForzada6000-120000
Vapor de Agua SobrecalentadoForzada10-300
Coeficiente de Conveccin o Coeficiente de Pelcula: Representado
habitualmente como h, cuantifica la influencia de las propiedades
del fluido, de la superficie y del flujo cuando se produce
transferencia de calor por conveccin.La transferencia de calor por
conveccin se modela con la Ley del Enfriamiento de Newton:
Donde: es el coeficiente de conveccin ( coeficiente de pelcula)
es el rea del cuerpo en contacto con el fluido es la temperatura en
la superficie del cuerpo es la temperatura del fluido lejos del
cuerpo.
El coeficiente de conveccin depende de mltiples parmetros
relacionados con el flujo del fluido a travs del cual se da la
conveccin. As, depender de si la conveccin es forzada o natural; si
es forzada, del rgimen (laminar o turbulento) en que se produce; de
la rugosidad de la superficie de intercambio, de su temperatura, de
la velocidad del flujo y su viscosidad, de la forma de la
superficie de intercambio, de si el derrame es interior o
exterior.Las formas clsicas de estimarlo se basan en el empleo de
correlaciones de nmeros adimensionales (nmero de Nusselt), de
manera que en general se dispone de una igualdad entre el nmero de
Nusselt, que es proporcional al coeficiente de conveccin, y una
cierta expresin que involucra al nmero de Reynolds y al nmero de
Prandtl en conveccin forzada, y al de Prandtl y al nmero de Grashof
en conveccin natural.Ecuacin de Nusselt
El nmero de Nusselt incorpora el coeficiente h que intentamos
hallar, pero tambin puede verse como el cociente de las
resistencias trmicas por conduccin y conveccinAdems, si se piensa a
la conveccin como una secuencia de los mecanismos de conduccin,
almacenamiento de la energa y transporte, para obtener un alto
valor de h si el fluido tiene una baja conductividad trmica, har
falta mejorar la velocidad de transferencia
El nmero de Reynolds agrupa variables que estn relacionados con
la cinemtica de los fluidos viscosos. En el movimiento de los
fluidos viscosos se contraponen dos fuerzas, las de inercia y las
viscosas. Segn predominen unas u otras, el rgimen de movimiento es
diferente. As si predominan las viscosas el rgimen es laminar, pero
si las inerciales se hacen muy grandes frente a las viscosas el
rgimen se vuelve turbulento.
El nmero de Prandtl contiene dos magnitudes que ataen a las
propiedades trmicas de los fluidos y la viscosidad, cuyo valor
depende fuertemente de la temperatura. En el caso de los gases, el
nmero de Prandtl generalmente no vara.
3. Objetivo general Determinar el coeficiente de conveccin
trmica o coeficiente de pelcula. 4. Objetivos especficos Calcular
el flujo de calor que entrega el agua caliente. Calcular el
coeficiente de conveccin trmica experimental con la ley Newton
(experimental). Calcular el coeficiente de conveccin trmica terica
con la ecuacin de Nusselt (terico). Calcular el error porcentual
entre el valor terico y experimental.
5. Equipo y material utilizado
Redes de tuberas concntricas. Medidor de caudal. Fuente de
energa trmica Sensores para medir la temperatura. Tanque.
Termocuplas
6. Esquema de la practica
Sistema computarizado para realizar las lecturas de los diversos
equipos
Redes de tuberas concntricas.
7. Descripcin de la practicaSe utilizo para la prctica un
intercambiador de tubos concntricos, al cual se opero desde una
computadora que tena instalado el software de cada equipo. Para
realizar las lecturas de las temperaturas y de caudal el equipo
tiene sensores instalados el cual nos permite realizar la toma de
medidas desde la computadora localizando las diferentes etiquetas
que lleva el equipo que nos permite diferenciar el fluido ya sea
frio o caliente. El fluido caliente que entra al intercambiador
llega desde un tanque de almacenamiento conectado al equipo, la
temperatura del fluido caliente es regulable a las necesidades del
proceso y uno mismo la ejecuta desde la computadora. El lquido frio
en esta prctica entra desde un grifo comn de agua potable.Luego de
abrir las llaves de paso que uno necesita el fluido empieza a
circular por el equipo y efecta el intercambio de calor el
recorrido del fluido por los tubos puede ser paralelo y en sentido
contrario dependiendo de las preferencias del ejecutor. Una vez
alcanzando temperaturas constantes en el proceso se lleva a cabo la
lectura de datos en este caso las grficas del experimento sern
lneas rectas.
8. Tabulacin de datos
8.1. Tabla para el agua calienteCaudal 1,4
Temperatura 1( C)35,3
Temperatura 2( C)31,5
8.2. Tabla para el agua fraCaudal 1,5
Temperatura 1( C) 16,9
Temperatura 2( C)19,2
8.3. Tabla para temperaturas de superficieTemperatura de
superficie1( C)32
Temperatura de superficie 2( C)28
9. Tabulacin de resultados10. Conclusiones11.
RecomendacionesBibliografa "Calor y Termodinmica" . M. W. Zemansky
y R. H. Dittiman. Ed. MacGraw Hill. "Fsica". Tomo 1.Tipler 3ra
Edicin. De. Revert. "Tratamiento Matematico de Datos". Spiridonov.-
Ed. Mir. Transferencia de Calor J.P Holman 8.aEdicion. Editora:
Concepcin Fernndez Madrid Compuesto e impreso en Fernndez Ciudad,
S. L.
http://www.cecatherm.com/calefaccion-radiante/radiacion-conveccion-conduccion
http://termodinamica.4t.com/conveccion.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Convecci%C3%B3n
1. Anexos
Calculo de h experimental
Calculo de h terico
restr
