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1 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI, Equipo Rojo, Ing. Química
PRÁCTICA #13
“Estimación del coeficiente de convección/película (h)”
OBJETIVO GENERAL:
Determinar el coeficiente de convección térmica desde una fuente de energía hacia los
alrededores.
Objetivos Específicos:
- Obtener los parámetros necesarios para el cálculo del coeficiente de convección
por medio de la ley de enfriamiento de Newton.
- Analizar los resultados obtenidos.
- Comparar teóricamente el valor del coeficiente de convección.
MARCO TEÓRICO:
Convección.
El modo de transferencia de calor por convección se compone de dos mecanismos.
Además de la transferencia de energía debida al movimiento molecular aleatorio
(difusión), la energía también se transfiere mediante el movimiento global, o
macroscópico del fluido. El movimiento del fluido se asocia con el hecho de que, en
cualquier instante, grandes números de moléculas 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 moléculas en el agregado mantienen su movimiento
aleatorio, la transferencia total de calor se debe entonces a una superposición de transporte
de energía por el movimiento aleatorio de las moléculas y por el movimiento global del
fluido. Se acostumbra utilizar el término convección cuando se hace referencia a este
transporte acumulado y el término advección cuando se habla del transporte debido al
movimiento volumétrico del fluido.
La transferencia de
calor por convección se
clasifica de acuerdo con la
naturaleza del flujo.
Hablamos de convección
forzada cuando el flujo es
causado por medios
externos, como un
ventilador, una bomba o
vientos atmosféricos.
Como ejemplo,
considérese el uso de un
ventilador para
proporcionar enfriamiento
por aire mediante
convección forzada de los
componentes eléctricos
calientes sobre un arreglo de tarjetas de circuitos impresos. En cambio, en la convección
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 convección libre, que ocurre a partir de
componentes calientes sobre un arreglo vertical de tarjetas de circuitos en aire inmóvil.
Figura 1 Procesos de transferencia de calor por convección. (a) Convección
forzada. (b) Convección natural. (c) Ebullición. (d) Condensación.
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El aire que hace contacto con los componentes experimenta un aumento de temperatura
y, en consecuencia, una reducción en su densidad. Como ahora es más ligero que el aire
de los alrededores, las fuerzas de empuje inducen a un movimiento vertical por el que el
aire caliente que asciende de las tarjetas es reemplazado por un flujo de entrada de aire
ambiental más frío.
Ley de enfriamiento de Newton.
Sin importar la naturaleza particular del proceso de transferencia de calor por convección,
la ecuación o modelo apropiado es de la forma:
𝑞" = ℎ(𝑇𝑠 − 𝑇∞)
donde 𝑞", el flujo de calor por convección (W/m2), es proporcional a la diferencia entre
las temperaturas de la superficie y del fluido, 𝑇𝑠 y 𝑇∞, respectivamente. Esta expresión 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 por convección. Éste
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 propiedades
termodinámicas del fluido y de transporte.
Coeficiente de convección.
Cualquier estudio de convección se reduce finalmente a un estudio de los medios por los
que es posible determinar h.
A juzgar por sus unidades, el coeficiente de transferencia de calor por convección
h se puede definir como la razón de la transferencia de calor entre una superficie sólida
y un fluido por unidad de área superficial por unidad de diferencia en la temperatura.
El coeficiente de transferencia de calor h, depende de las variables antes
mencionadas y, por consiguiente, es difícil de determinar. A menudo, el flujo de fluido
se confina por medio de superficies sólidas y es importante entender la manera en que la
presencia de esas superficies afecta a ese flujo. Considérese el flujo de un fluido en un
tubo estacionario o sobre una superficie sólida que no es porosa (es decir, que es
impermeable al fluido). Todas las observaciones experimentales indican que un fluido en
movimiento llega a detenerse por completo en la superficie y toma una velocidad cero
con respecto a esta última. Es decir, un fluido en contacto directo con un sólido, “se
adhiere” a la superficie debido a los efectos viscosos y no se desliza. Esto se conoce como
la condición de no deslizamiento.
En general, el coeficiente de transferencia de calor por convección varía a los largo
de la dirección del flujo (o dirección x). En esos casos, el coeficiente promedio o medio
de transferencia de calor por convección para una superficie se determina al promediar
de manera adecuada los coeficientes locales sobre toda esa superficie.
Tabla 1.1 Valores típicos del coeficiente de transferencia de calor por convección.
Proceso h
(W/m2 ∙ K)
Convección libre
Gases
Líquidos
2 – 25
50 – 1,000
Convección forzada
Gases
Líquidos
25 – 250
50 – 20,000
Convección con cambio de fase
Ebullición o condensación
2,500 – 100,000
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MATERIALES:
- Lámpara de pruebas.
- Agua.
- Sal.
- 2 hojas de papel.
- Tape.
- 1 vaso de precipitados de 100 ml.
- 1 lámina de aluminio.
- Hilo.
- Termómetro graduado.
- Termómetro infrarrojo.
- Cronómetro.
PROCEDIMIENTO:
1. Pedir y limpiar material a utilizar.
2. Preparar una solución salina con 100 ml de agua en el vaso de precipitados y un
poco de sal.
3. Conectar el foco y acomodar los electrodos en la solución salina.
4. Hacer una especie de pared de papel (circular) para evitar un poco las pérdidas de
calor del foco.
5. Para obtener el flujo de calor, atar una lámina de aluminio con un hilo y calentarla
para determinar la radiación que llega a la lámina.
6. Tomar la temperatura en el ambiente alrededor del foco.
7. Encender el foco y al mismo tiempo disponer de un cronómetro y determinar un
cierto tiempo para tomar la temperatura a la que se llega en las paredes del papel.
8. Realizar los cálculos correspondientes para obtener el valor del coeficiente de
convección o película.
9. Realizar las repeticiones necesarias de los pasos 6, 7 y 8.
10. Obtener los cálculos necesarios para determinar el coeficiente de convección.
11. Limpiar el área de trabajo.
Figura 2 Bombilla de prueba y solución salina. Figura 3 Foco encendido, convección.
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Figura 4 Tomando temperatura de los alrededores. Figura 5 Calculando el flujo de calor con una lámina.
Figura 6 Paredes de papel para evitar pérdidas de calor.
Figura 7 Calculando flujo de calor.
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CÁLCULOS Y RESULTADOS:
Tiempo (s) T1 T2 (punto 1) T2 (punto 2) T2 (punto 3) T2 prom h
20 27 29 30 30 29,67 3,645
40 26 32 33 32 32,33 1,535
60 26 34 35 35 34,67 1,121
NOTA: Todas las temperaturas en la tabla están en °C; h está en W/m2K.
Área = 0,00557972 m2
Diámetro = 0,0596 m
Radio = 0,0298 m
q = 0,05423121 W
¿Y el flujo de calor de dónde salió?, Del cálculo en la lamina de aluminio:
q" = 7,23082759 W/m2 Flujo de calor por unidad de área
q = 0,05423121 W Flujo de calor
T1 = 300,35 °C Temperatura inicial
T2 = 304,95 °C Temperatura tras 20 segundos
Emisividad = 0,25 (Valor para aluminio oxidado)
=
5,67E-08 W/m2K4
A = 0,0075 m2 Área de la lámina
ANÁLISIS:
Con los resultados obtenidos podemos percatarnos de que hubo un error grave en cómo
se sustituyeron los valores en la fórmula ya que para ella se utiliza el flujo de calor, área
de la superficie que se tomó como el área de la bombilla, temperatura de la superficie que
se tomó como la temperatura en la pared de papel dispuesta alrededor del foco,
temperatura de los alrededores y el coeficiente de convección que estamos buscando.
Como es posible observar, no hay congruencia entre el área y temperatura de la superficie,
ya que no se tomó la misma superficie.
De igual forma, investigando un poco más, consideramos que al tratarse de un
foco transfiriendo calor será mucho mayor la transferencia realizada por radiación que
por convección, justo como funciona el sol, entonces el valor del coeficiente de
convección debería de ser pequeño. Si lo pensamos un poco suena considerable ya que el
papel no elevó demasiado su temperatura en los lapsos de tiempo, a comparación del foco,
cuya temperatura se elevaba más.
Al tratarse de un foco, de vidrio, el hecho de utilizar el termómetro infrarrojo para
calcular la temperatura en su superficie pudo habernos causado problemas o
inconvenientes por el hecho de que el filamento se encuentra muy alto en el foco, con el
termómetro podríamos apuntar al filamento y obtener un valor de temperatura muy alto
a comparación de la temperatura en la superficie del foco, esto supondría errores en los
cálculos de igual manera.
Suponiendo que en lugar del área del foco se tomara el área de las hojas de papel,
podemos llegar a obtener estos resultados:
𝜎
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Tiempo (s) T1 T2 (punto 1) T2 (punto 2) T2 (punto 3) T2 prom h
20 27 29 30 30 29,67 0,169
40 26 32 33 32 32,33 0,071
60 26 34 35 35 34,67 0,052
NOTA: Todas las temperaturas en la tabla están en °C; h está en W/m2K.
Área = 0,12064492 m2
q = 0,05423121 W
Como es posible observar, los resultados obtenidos para h son muy pequeños.
Según lo consultado bibliográficamente el valor para el coeficiente de convección natural
en aire es de 5 a 25 W/m2K, pero, considerando que en este caso el papel no es un emisor
directo de la fuente de energía, es más bien como un distribuidor de la energía que le
irradió el foco, parece coherente que su valor de convección sea muy pequeño, además
porque su diferencia de temperatura con el medio ambiente es muy pequeña.
OBSERVACIONES:
La lectura de la temperatura pudo haber sido un poco inconsistente debido a errores de
paralaje, también a que estaba encendido el aire acondicionado en el laboratorio y ello
modificaba la temperatura de los alrededores.
Al principio hubo un error al tomar como flujo de calor los 60 watts del foco,
siendo que éste los emite en todas direcciones de forma equitativa y en nuestras
mediciones sólo era necesario considerar el flujo de calor en un punto, el cual solo sería
una porción de los 60 watts totales. Para corregir la medición se calculó el flujo de calor
en una lámina de aluminio por medio de radiación.
Los cálculos obtenidos no son congruentes con el resultado ya que se tomó como
área de la superficie el área del foco, y como temperatura de la superficie la temperatura
del papel.
Se tenía la limitación de no poder usar el termómetro infrarrojo durante mucho
tiempo debido a que los demás equipos necesitaban del mismo.
FUENTES DE INFORMACIÓN:
Libros:
- Incropera, Frank; DeWitt, David. (1999). Fundamentos de Transferencia de
Calor. Editorial Prentice Hall. Cuarta Edición. México. Págs. 2, 5-8.
- Cengel, Yunus; Ghajar, Afshin. (2011). Transferencia de Calor y Masa. Editorial
McGraw-Hill. Cuarta Edición. México. Págs. 374-376.
