Lab7convforzadainterna Saavedra

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA

TRANSFERENCIA DE CALOR INFORME N. 7

TEMA: CONVECCIÓN FORZADA INTERNA EN UN DUCTO NRC: 5569

ALUMNO: EDGAR LEONARDO SAAVEDRA NEIRA

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR FECHA DE ENTREGA: 03 de Agosto del 2020

1. TEMA: CONVECCIÓN FORZADA INTERNA EN UN DUCTO 2. OBJETIVOS: -

Determinar experimentalmente la manera en que Reynolds varía para la convección forzada con el aire.

-

Comparar los valores experimentales de los números de Nusselt, Stanton y el coeficiente de fricción con los obtenidos con las fórmulas empíricas.

3. MARCO TEÓRICO: 3.1.

Convección: La convección es la combinación de conducción y transferencia de energía térmica a través de fluidos en movimiento o el movimiento de grupos de partículas calientes hacia áreas más frías en un medio material. A diferencia de conducción pura, ahora, fluido en movimiento esta adicionalmente envuelto en la convección. Este movimiento ocurre en fluidos e en el interior de ellos, pero no en sólidos. Porque en estos, las partículas mantienen su posición relativa hasta tal punto que no se permite el movimiento o el flujo en masa de las mismas, y por lo tanto la conexión no puede ocurrir. La convección se clasifica en natural y forzada. En la convección forzada se obliga al fluido a fluir mediante medios externos, como un ventilador o una bomba. En la convección natural el movimiento del fluido es debido a causas naturales, como el efecto de flotación, el cual se manifiesta con la subida del fluido caliente y el descenso del fluido frio. La convección forzada se clasifica a su vez en externa dependiendo de si el flujo de fluido es interno o externo. El flujo de un fluido se clasifica como interno o externo dependiendo de si se fuerza al fluido a fluir por un canal

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR confinado (superficie interior) o por una superficie abierta. El flujo de un fluido no limitado por una superficie (placa, alambre, exterior de un tubo) es flujo externo. El flujo por un tubo o ducto es flujo interno si ese fluido está limitado por completo por superficies sólidas. El flujo de líquidos en un tubo se conoce como flujo en canal abierto si ese tubo está parcialmente lleno con el líquido y se tiene una superficie libre. La velocidad de transferencia de calor a través de un fluido es mucho mayor por convección que por conducción. Cuanto mayor es la velocidad del fluido mayor es la velocidad de transferencia de calor. La transferencia de calor a través de un fluido es mucho mayor por convección que por conducción. Cuanto mayor es la velocidad del fluido mayor es la velocidad de transferencia de calor.

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR La transferencia de calor por convección depende de las propiedades del fluido, de la superficie en contacto con el fluido y el tipo de flujo. Entre las propiedades del fluido se encuentran: la viscosidad dinámica m, la conductividad térmica k, la densidad r. También se podía considerar que depende de la viscosidad cinemática n, puesto que n=m/ r. entre las propiedades de la superficie que intervienen en la convección están la geometría y la aspereza. El tipo de flujo, laminar o turbulento, también influye en la velocidad de transferencia de calor por convección.

Ilustración 1. Ejemplo físico de convección forzada (Evaporador). Fuente:[1]

-

Número de Nusselt El número de Nusselt representa el mejoramiento de la transferencia de calor a través de una capa de fluido como resultado de la convección en relación con la conducción a través de la misma capa. Entre mayor sea el número de Nusselt, más eficaz es la convección. Un número de Nusselt de Nu = 1 para una capa de fluido representa transferencia de calor a través de ésta por conducción pura.

q conv ˙ h∆T hL = = =Nu qcond ˙ k ∆T / L k Donde:

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR h: Coeficiente convectivo del fluido. k: Conductividad Térmica del Fluido. l: Longitud Característica del elemento. -

Número de Prandtl La mejor manera de describir el espesor relativo de las capas límite de velocidad y térmica es por medio del parámetro número de Prandtl adimensional, definido como:

Pr=

μCp k Donde: μ: Viscosidad dinámica del fluido C p: Calor específico del fluido k: Conductividad térmica del fluido Que tanto la cantidad de movimiento como el calor se disipan a través del fluido a más o menos la misma velocidad. El calor se difunde con mucha rapidez en los metales líquidos (Pr1) en relación con la cantidad de movimiento.

4. EQUIPO UTILIZADO:

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR

Ilustración 2. Esquema del equipo usado en la práctica. Fuente: guía de laboratorio

Ilustración 3. Ubicación de las termocuplas en el equipo usado. Fuente: Guía de Laboratorio

Dimensiones del tubo de ensayo: - Tubo interior: 31.75 [mm] - Espesor de pared: 1.63 [mm] - Espesor del aislante: 19 [mm] 5. PROCEDIMIENTO: 5.1.

Ponemos el Switch principal en el modo “on”.

5.2.

Procedemos a encender el ventilador.

5.3.

Procedemos a encender las resistencias.

5.4.

Ajustamos con el reóstato en 3 amperios.

5.5.

Esperamos a que las temperaturas en el ducto de aire se estabilicen, para esto es necesario esperar 45 minutos.

5.6.

Empezamos la toma de datos voltaje, presiones, temperaturas de la termocupla de T1 hasta T3.

5.7.

Procedemos a ajustar con el reóstato a 4 amperios.

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR 5.8.

Esperamos a que se estabilice las temperaturas, para esto es necesario esperar 45 minutos.

5.9.

Tomamos datos a este punto.

5.10. Apagamos las resistencias. 5.11. Esperamos 10 minutos para apagar el ventilador. 5.12. Procedemos a apagar el Switch principal en el modo de “off”. 6. ECUACIONES A USAR: Todos los cálculos se dividen en 6 partes: 6.1. Flujo de masa de aire: W =ρ∗A orificio∗Cd∗

√

2∆P ρ

Donde: C d :0.613Coeficiente de descarga del orificio ρ : Densidad del aire cerca del orificio ∆ P : Caída de presión a través del orificio Para determinar la caída de presión es necesario notar que 1 mm de agua = 9.81 N /m2 .

6.2. Flujo de calor: Q 1= -

Calor disipado por calentamiento: P V ∗I KJ = 1000 1000 s

[ ]

Calor perdido a través del asilamiento:

0.0415 ∗2 π∗1.753 1000 KJ Q 2= ∗∆ T aislamiento s r ln 0 ri

( )

[ ]

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR Donde r 0 y r i son el radio exterior e interior respectivamente del tubo de cobre. -

Flujo a través de la pared del tubo: Fp=

Q 1−Q 2 Areade la pared interna del tubo

El flujo de calor se requiere para el cálculo del coeficiente de transferencia de calor, h. El calor de conducción a lo largo del tubo de cobre no contribuye para el flujo de calor, para una sección dada del tubo, el calor que fluye en el interior de uno debe ser igual al calor que fluye en el exterior del otro. 6.3. Selección de la temperatura media del aire para la sección de transferencia de calor: La posición de la termocupla está en el diagrama en el tablero del instrumento. Para la lectura de la temperatura debe ser entre las secciones 2 y 5 que estén libres de los efectos de entrada y salida. Esto nos hace pensar que los cálculos de transferencia de calor estén hechos alrededor de la sección 4. Calcular el calor total absorbido por este punto por segundo y el valor medio de la temperatura del aire para este punto. -

El calor por conducción: Q 3=

380.6 2 πrt KJ ∙ ∙∆T 1000 106 s

[ ]

r :Radio medio del tubo de cobre [mm] t :Espesor de la pared [mm] -

Calor total para una sección elegida:

Q T =( Q1−Q 2 ) ∙

b ( 1753 )+Q 3

b :Largo del tubo de calor para sección elegida [mm] -

Valor de la temperatura media:

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR

Tb=T 1 +

Calor total W ∗C P Donde: T 1 : Temperatura del aire a la entrada. Cp : Calor específico para la temperatura de entrada del aire.

6.4. Coeficiente de transferencia de calor: h=

Flujo de calor Tb−Tw La temperatura de la pared Tw está dada por la termocupla cerca del punto donde se realiza el balance de energía o del grafico de la temperatura de la pared contra el largo del tubo. 6.5. Valores experimentales de Nu , St y f

Nu=

st=

-

Número de Nusselt:

-

Número de Stanton:

h∗d k

h ρ∗v∗Cp -

P1−P2=

Cálculos del factor de fricción f, usando la simple ecuación:

4 f ∗L∗ρ∗v2 2d Esta ecuación es basada en la suposición que toda la caída de presión es debida a la fricción. Por el calor que fluye en el tubo esta suposición no e valida porque parte de la caída de la presión es debida a la aceleración asociada con la expansión del aire que pasa a lo largo del tubo calentado. Una que toma en cuenta la aceleración puede ser hecha con razonable precisión usando la ecuación:

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR

P1−P2=

1 W ρ A

2

( )

P1 4 f ∗L T 2−T 1 + +ln 2d T P2

( )

Esta es conocida como ecuación de Guggenheim, toda su demostración está dada en la referencia 3. 6.6. Cálculo de Nu , St y f usando las expresiones aceptadas: Nu=0.023∗ℜ0.8∗Pr 0.4 St=0.023∗ℜ0.2∗Pr 0.6 −1

f =0.079∗ℜ 4 (Sólo para régimen turbulento ) Donde: ℜ=

ρ∗v∗D μ

Puede notarse que el número de Prandtl ( Pr)=u Cp/k tiene siempre el mismo valor y varía muy poco con la temperatura y la presión. Una tabla para valores dados de u , Cp, K y Pr para aire seco y algunas temperaturas puede encontrarse en el apéndice II. La analogía de Reynolds está basada sobre la suposición que Pr=1, y puede escribirse como: f Nu= ℜ 2 Como St =Nu /(ℜ. Pr ) , esta ecuación queda: St=

f 2

Por sustitución en la primera ecuación de St y poniendo Pr=1, Nosotros obtenemos una fórmula alternativa de la cual f puede ser calculada: f =0.046∗ℜ−0.2 Los valores obtenidos por estas ecuaciones pueden ser comparados con los valores experimentales. 7. TABULACIÓN DE DATOS:

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR Tabla 1. Parámetros ambientales de la máquina el día del ensayo. Fuente: Guía de Laboratorio

DIA Presión atmosférica Temperatura de entrada Temperatura del cuadro Presión en el ventilador Caída de presión en el orificio Caída de presión a lo largo del ensayo

1 (1-2) 558 mm Hg 33 °C 22.3 °C 463 mm H2O 135 mm H2O 125 mm H2O

Tabla 2. Parámetros eléctricos aplicados en cada ensayo. Fuente: Guía de Laboratorio

N° Ensayo 1 2 3 4 5

Amperaje [A] 3 3.5 4 4.5 4.8

Voltaje [V] 135 120 180 200 215

Tabla 3. Datos tomados para cada termocupla en cada ensayo realizado. Fuente: Guía de Laboratorio

N° Termocupla

1

2

3

4

5

N° Ensayo 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2

Termocupla Actual [°C] 54.1 60.9 69.6 78.1 84.3 58.4 66.7 76.8 87.3 95 60.4 69.4 86.6 91.5 99.7 61.5 70.8 91.9 93.8 102.3 63.2 73.1

Diferencia con aislamiento

 

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR

6

7

8

9

10

11

12

13

3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

85 97.3 106.3 60.1 69 80.2 91.5 99.8 58.7 67.2 78.4 89.3 97.2 75.3 91.5 107.8 126.8 140.6 32.1 35.1 39.1 42.9 45.8 76 92.4 109.4 130.1 145.1 38.2 43.5 49.2 55.8 60.4 76.9 93.9 111 132.2 146.7 35.1 39.3 44.3 50 52.9

8. CÁLCULOS , GRÁFICOS Y RESULTADOS:

43.2 56.4 68.7 83.9 94.8

  37.8 48.9 60.2 74.3 84.7

  41.8 54.6 66.7 82.2 93.8

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR Los ensayos seleccionados fueron el 1 y 3. Datos necesarios: Tabla 4. Datos necesarios a tener en cuenta para el desarrollo de la práctica. Fuente: Autor

1753 mm 40 mm 32.6 mm 1.2 mm 558 mm Hg 33 °C 22.3 °C 463 mm H2O 135 mm H2O 125 mm H2O

Longitud calentada del tubo Diámetro placa orificio Diámetro interno del tubo Espesor de la pared del tubo Presión atmosférica Temperatura de entrada Temperatura del cuadro Presión en el ventilador Caída de presión en el orificio Caída de presión a lo largo del ensayo

1.753 m 0.04 m 0.0326 m 0.0012 m 74393.9 N /m 2 306 K 295.3 K 4540.47895 N / m 2 1323.89775 N / m 2 1225.83125 N / m 2

Constante de los gases: R=8.314472 R=287.1

[

[

J 1 mol Aire 1000 g aire ∗ ∗ mol∗K 28. 96 g aire 1 Kg

][

J Kg∗K

][

]

]

Área del tubo interno: 2

A=π∗D =

π∗0.0326 2 −4 2 =8.34689× 10 [m ] 4

Área placa orificio: A=

π∗D 2 π∗0.042 −3 2 = =1.2566 ×10 [m ] 4 4

PARA EL ENSAYO 1: -

Cálculo de los parámetros experimentales. a. Flujo de masa de aire: o Densidad del aire a diferente presión, por medio de la ley de los gases ideales: P V =m R T

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR

P

ρ=

m =m R T ρ

(78393.9+ 4540.47895 ) P = R∗T ent 287,1∗306

ρ=0,763713

Kg m3

[ ]

W =ρ∗A orificio∗Cd∗

√

2 ∆ P orificio ρ −3

√

W =0.763713∗1.2566 × 10 ∗0,613∗

W =0.034638

2 ( 1323.89775 ) 0.763713

Kg s

[ ]

b. Flujo de calor: o Calor disipado por calentamiento: Q 1=

P 135∗3 KJ = 1000 1000 s

Q 1=0.405

[ ]

KJ s

[ ]

o Calor perdido a través del asilamiento: 0.0415 ∗2 π∗1.753 1000 KJ Q 2= ∗∆ T aislamiento s r ln 0 ri

[ ]

( )

Donde: r i=16.3 mm ; r 0 =

32.6+(32.6+19) =42.1mm 2

0.0415 ∗2 π∗1.753 1000 KJ Q 2= ∗40.933 s 0.0258 ln 0.0163

(

Q2=0.0407

)

KJ s

[ ]

[ ]

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR o Flujo a través de la pared del tubo: Fp=

Q 1−Q 2 Areade la pared interna del tubo

Fp=

0.405−0.0407 π∗D∗L

Fp=

0.405−0.0407 π∗0.0326∗1.753

Fp=2.02913

KW m2

[ ]

c. Selección de la temperatura media del aire para la sección de transferencia de calor: o El calor por conducción: Q 3=

380.6 2 πrt KJ ∙ 6 ∙∆T 1000 10 s

Q 3=

380.6 2 π (42.1)(1.2) KJ ∙ ∙ 40.933 6 1000 s 10

[ ] [ ]

Q3=0.004945

KJ s

[ ]

o Calor total para una sección elegida: Q T =( Q1−Q 2 ) ∙

b ( 1753 )+Q 3

Q T =( 0.405−0.0407 ) ∙

+ 0.004945 ( 1380 1753 )

Q T =0.33623[ KW ]

o Valor de la temperatura media:

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR Calor total W ∗C P Donde T 1 es la temperatura de entrada, y el valor de Cp se indica más adelante. 0.33623 Tb=306+ 0.034638∗1,00724 Tb=T 1 +

Tb=315.6372[K ] d. Coeficiente de transferencia de calor: Flujo de calor Tb−Tw

h=

Tw , Corresponde a las temperaturas de las termocuplas 9,11 y 13. h L1=

2.02913 315.6372−316.2

h L =3.6234

KW m2 K

[ ]

Tabla 5. Valores de los coeficientes locales y promedio para las termocuplas 9,11 y 13. Fuente: Autor

h1 h2 h3

3.62344643 0.41924174 2.41563095

KW m2 K

[ ]

2.15277304

h´

e. Valores experimentales de Nu , St y f Valores necesarios para el cálculo: Tabla 6. Constantes para al aire seco a presión manométrica en base a los parámetros ambientales expuestos. Fuente: Autor

T [° C ]

Cp

[

KJ Kg . K

300

1,007

315.637

1,00763

]

N.s m2 184,6

μ(10−7)

[ ]

191.981

m2 s 15,89 −6

v(10 )

[ ]

17.4631

k (10−3 )

KW mK

[ ]

Pr

26,3

0,707

27.457

0.7092

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR 350

1,009

208,2

20,92

o Número de Nusselt: Nu=

h∗d k

Nu=

2.15277∗1.753 27.457 ×10−3

Nu=137.444 o Número de Stanton: st=

h∗L ρ∗v∗Cp p∗v=

w 0.034638 = A 8.34689 ×10−4

p∗v=41.4981 st=

2.15277∗1.753 41.4981∗1.00763

st=0.090 o Cálculos del factor de fricción f : P1−P2=

4 f ∗L∗ρ∗v2 2d

f=

( P ¿ ¿ 1−P2 )∗2 d ¿ 4( L∗ρ∗v 2 )

f=

(1225.83125)∗2(0.0326) 4 (1.753∗0,763713∗17.4631−12)

f =0.005238

30

0,7

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR f. Cálculo de Nu , St y f usando las expresiones aceptadas: ℜ= ℜ=

4∗m˙ π∗D∗μ

4∗0.034638 π∗0.0326∗191.981×10−7 ℜ=70467.21 ℜ> 2300

∴ Existe un flujo turbulento dentro del tubo Nu=0.023∗ℜ0.8∗Pr 0.4 Nu=0.023∗70467.210.8∗0.70920.4 Nu=151.504 St=0.023∗ℜ0.2∗Pr 0.6 St=0.023∗70467.210.2∗0.70920.6 St =0.1745 f =0.079∗ℜ

−1 4

f =0.079∗70467.21

−1 4

f =4.8488× 10−3 g. Cálculo de Nu , St y f usando las expresiones aceptadas: f =0.046∗ℜ−0.2 f =0.046∗70467.21−0.2 f =4.93356× 10−3 f Nu= ℜ 2 Nu=

4.93356 ×10−3 70467.21 2 Nu=173.827

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR

St=

f 2

St =

4.93356× 10−3 2

St=2.46678× 10−3PARA EL ENSAYO 2: -

Cálculo de los parámetros experimentales. a. Flujo de masa de aire: o Densidad del aire a diferente presión, por medio de la ley de los gases ideales: 2 ∆ P orificio W =ρ∗A orificio∗Cd∗ ρ 2 ( 1323.89775 ) W =0.763713∗1.2566 × 10−3∗0,613∗ 0.763713

√

√

W =0.034638

Kg s

[ ]

b. Flujo de calor: o Calor disipado por calentamiento: Q 1=

P 180∗4 KJ = 1000 1000 s

Q1=0.72

[ ]

KJ s

[ ]

o Calor perdido a través del asilamiento: 0.0415 ∗2 π∗1.753 1000 KJ Q 2= ∗∆ T aislamiento s r ln 0 ri

( )

Donde: r i=16.3 mm ; r 0 =

[ ]

32.6+(32.6+19) =42.1mm 2

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR 0.0415 ∗2 π∗1.753 1000 KJ Q 2= ∗65.2 s 0.0258 ln 0.0163

(

Q2=0.0649

[ ]

)

KJ s

[ ]

o Flujo a través de la pared del tubo: Fp=

Q 1−Q 2 Areade la pared interna del tubo

Fp=

0.72−0.0649 π∗0.0326∗1.753

Fp=3.64886

KW m2

[ ]

c. Selección de la temperatura media del aire para la sección de transferencia de calor: o El calor por conducción: Q 3=

380.6 2 πrt KJ ∙ 6 ∙∆T 1000 10 s

Q 3=

380.6 2 π ( 42.1 ) ( 1.2 ) KJ ∙ ∙65.2 6 1000 s 10

[ ]

Q3=0.007877

[ ]

KJ s

[ ]

o Calor total para una sección elegida: Q T =( Q1−Q 2 ) ∙

b +Q 3 1753

( )

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR

Q T =( 0.72−0.0649 ) ∙

+0.007877 ( 1380 1753 )

Q T =0.52359[ KW ] o Valor de la temperatura media: Tb=T 1 +

Calor total W ∗C P Donde T 1 es la temperatura de entrada, y el valor de Cp se indica más adelante.

Tb=306+

0.52359 0.034638∗1,00724 Tb=321.0074[ K ] d. Coeficiente de transferencia de calor:

h=

Flujo de calor Tb−Tw Tw , Corresponde a las temperaturas de las termocuplas 9,11 y 13.

h=

3.64886 321.0074−316.2

h L1=0.17633

KW m2 K

[ ]

Tabla 7. Valores de los coeficientes locales y promedio para las termocuplas 9,11 y 13. Fuente: Autor

h1

0.17633647

h2

0.29926841

h3

0.19520345

h´

e. Valores experimentales de Nu , St y f Valores necesarios para el cálculo:

KW m2 K

[ ]

0.22360278

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR Tabla 8. Constantes para al aire seco a presión manométrica en base a los parámetros ambientales expuestos. Fuente: Autor

T [° C ]

Cp

[

KJ Kg . K

]

N.s m2 184,6

μ(10−7)

[ ]

300

1,007

321.0074

1,00784

194.5155

350

1,009

208,2

m2 s 15,89

v(10−6 )

[ ]

h∗d k

Nu=

0.2236∗1.753 27.85 ×10−3

27.85

0.7041

20,92

30

0,7

h∗L ρ∗v∗Cp w 0.034638 = A 8.34689 ×10−4

p∗v=41.4981 st=

0.2236∗1.753 41.4981∗1.00763

st=0.009374 o Cálculos del factor de fricción f : 4 f ∗L∗ρ∗v2 P1−P2= 2d f=

( P ¿ ¿ 1−P2 )∗2 d ¿ 4( L∗ρ∗v 2 )

Pr

18.003

o Número de Stanton:

p∗v=

[ ]

0,707

Nu=140.74

st=

KW mK

26,3

o Número de Nusselt: Nu=

k (10−3 )

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR

f=

(1225.83125)∗2(0.0326) 4 (1.753∗0,763713∗18.003−12 )

f =0.004 973 f. Cálculo de Nu , St y f usando las expresiones aceptadas: ℜ= ℜ=

4∗m˙ π∗D∗μ

4∗0.034638 −7 π∗0.0326∗194.5155× 10 ℜ=69549.2144 ℜ> 2300

∴ Existe un flujo turbulento dentro del tubo Nu=0.023∗ℜ0.8∗Pr 0.4 Nu=0.023∗69549.21440.8∗0.70410.4 Nu=149.49 St=0.023∗ℜ0.2∗Pr 0.6 St =0.023∗69549.2144 0.2∗0.70410.6 St =0.1733 −1

f =0.079∗ℜ 4 f =0.079∗69549.2144

−1 4

f =4.86477× 10−3

g. Cálculo de Nu , St y f aplicando la analogía de Reynolds: f =0.046∗ℜ−0.2 f =0.046∗69549.2144−0.2 f =4.9465× 10−3

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR f Nu= ℜ 2 Nu=

4.9465 ×10−3 69549.2144 2 Nu=17 2.0126

St=

f 2

4.9465× 10−3 St = 2 St =2.47325× 10−3

9. RESULTADOS -

Resumen:

Tabla 7. Comparación de Nu, St y f, para los dos ensayos para cada método presentado. Fuente: Autor

I Ensayo (3 A−135V ) Valores

Experimental

Empírico

A. Reynolds Error 1[%] Error 2[%]

Nusselt ( Nu)

133.444

151.504

173.827

11.921

23.232

Stanton ( St ¿

0.09

0.1754

0.024678

4.8689

26.469

Coef. fricción( f ¿

0.005238

0.0048488

0.00493356

8.0273

6.171

II Ensayo ( 4 A−180 V ) Valores

Experimental

Empírico

A. Reynolds Error 1[%] Error 2[%]

Nusselt ( Nu)

140.74

149.49

172.0126

5.853

18.179

Stanton ( St ¿

0.009374

0.1733

0.00247325

9.4591

27.901

Coef. fricción ( f )

0.004973

0.00486477

0.0049465

2.225

0.536

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-

Gráficas Temperaturas vs distancia: a. Primer ensayo

Temperatura vs Distancia (3 A - 135 V) 90 80 70

T [°C]

60 50 40

Interior del tubo

30

Sup. Interna

20

Sup. Externa (Aislamiento)

10 0

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

x [mm]

Ilustración 4. Gráfica temperatura vs distancia para el primer ensayo. Fuente: Autor

b. Segundo Ensayo:

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Temperatura vs distancia (4 A - 180 V) 120 100

T [°C]

80 Interior del tubo

60

Sup. interna 40

Sup. Externa (Aislamiento)

20 0

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

x [mm]

Ilustración 5. Gráfica temperatura vs distancia para el segundo ensayo. Fuente: Autor

Análisis general: Como se puede observar en ambas gráficas de las ilustraciones 4 y 5, el comportamiento es prácticamente igual; en el interior del tubo se puede observar un pico de temperatura cerca de los 1150 [mm], después de esto desciende y se proyecta con un comportamiento cuasi lineal, lo que hace pensar que después de este punto, se puede presentar un flujo completamente desarrollado; además de la presencia de las capas límite tanto de velocidad como térmica. La superficie interna del tubo se mantiene casi constante a los largo de la sección, mientras que la superficie externa posee un mínimo de temperatura cerca de los 1000 [mm], lo que se relaciona con la transferencia de calor en el interior del tubo donde después de esa distancia se posee un máximo.

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10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: Conclusiones: -

Como era de esperarse, en el segundo ensayo se presentan temperaturas más altas, esto se debe a la entrega de más calor, como el flujo másico, densidad y parámetros ambientales son los mismos, el calor en forma de potencia es la única variable que provoca este cambio; esto está directamente relacionado con el número de Reynolds, ya que la viscosidad depende de las condiciones iniciales; por ello para el ensayo número 2, donde se tiene una mayor temperatura media, la viscosidad también lo hace, disminuyendo de esta forma, el número de Reynolds; para ambos casos se tienen ℜ> 2300que para un tubo interno es corresponde a flujos turbulentos.

-

El número de Reynolds que se relaciona también de forma directa con el número de Stanton y el coeficiente de fricción, dependiendo de la forma de la correlación se determinará si esta relación es directa o inversa.

-

En la Tabla 7, de resumen se puede distinguir la comparación entre los números antes mencionados, se tiene que en ambos ensayos la teoría ratifica en gran medida la parte experimental realizada ya que los valores son muy similares, los errores no superan el 5% admitido dentro de la ingeniería.

-

Como se puede observar en ambas gráficas de las ilustraciones 4 y 5, el comportamiento es prácticamente igual; en el interior del tubo se puede observar un pico de temperatura cerca de los 1150 [mm], después de esto desciende y se proyecta con un comportamiento cuasi lineal, lo que hace pensar que después de este punto, se puede presentar un flujo completamente desarrollado; además de la presencia de las capas límite tanto de velocidad como térmica. La superficie interna del tubo se mantiene casi constante a los largo de la sección, mientras que la

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR superficie externa posee un mínimo de temperatura cerca de los 1000 [mm], lo que se relaciona con la transferencia de calor en el interior del tubo donde después de esa distancia se posee un máximo. Recomendaciones: -

Tener siempre presente las condiciones ambientales a las que se ve sometido el experimento, ya que de estos parámetros como la presión y temperatura ambiente, dependerán las características termofísicas del fluido, de esta forma se podrá minimizar los errores de cálculo y de igual forma tener valores más acertados.

-

Cuando no se tienen los valores exactos de los parámetros termo físicos, interpolar de forma correcta los mismos para evitar tener errores de cálculo.

-

También tener en cuenta la ley universal de los gases, ya que de esta forma se puede obtener la relación de viscosidades cinemáticas presentes en el fenómeno.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS -

Frank, P. Incropera; David, P. Dewitt (1999). Fundamentos de Transferencia de Calor (4ta ed.). México.

-

Yunus A. Cengel (2007). Transferencia de calor y masa. (4ta ed.). USA

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CONSULTA 1. Tema: Aplicaciones industriales de la convección forzada 2. Objetivos 2.1.

Objetivo General: -

Investigar el proceso de convección en las torres de enfriamiento de tiro inducido.

2.2.

Objetivos específicos: -

Determinar las aplicaciones de la transferencia de calor por convección.

-

Identificar los usos, aplicaciones de las torres de enfriamiento.

3. Marco teórico: Algunas aplicaciones en donde se aplican los conceptos de transferencia de calor por convección son: -

Aires acondicionados

-

Aislantes térmicos en construcciones

-

Intercambiadores de calor

-

Torres de enfriamiento

-

Hornos de convección

3.1.

Torres de refrigeración: Las torres de refrigeración son sistemas mecánicos destinados a enfriar masas de agua en procesos que requieren una disipación de calor. El principio de enfriamiento de estos equipos se basa en la evaporación, el equipo produce una nube de gotas de agua bien por pulverización, bien por caída libre que se pone en contacto con una corriente de aire. La evaporación superficial de una pequeña parte del agua inducida por el contacto con el

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR aire, da lugar al enfriamiento del resto del agua que cae en la balsa a una temperatura inferior a la de pulverización. El uso más habitual de estos equipos está asociado a los sistemas de refrigeración, tanto en aire acondicionado como en producción de frío (hostelería, alimentación, laboratorios, etc.), sin embargo, en el ámbito industrial estos equipos se usan para el enfriamiento de cualquier parte de un proceso que genere calor y deba ser disipado (por ejemplo, procesos de molienda que generan calor por fricción, enfriamiento de reacciones exotérmicas, disipación de calor residual en centrales de producción de energía eléctrica, etc.) [1]

Ilustración 6. Torre de refrigeración de tiro inducido. Fuente:[1]

Funcionamiento: 1. El agua proveniente del circuito o proceso a refrigerar ingresa a la parte superior de la torre y se pulveriza. 2. Por la parte inferior de la torre a través de aberturas, ingresa aire, impulsado mediante un ventilador ubicado en la copa de la misma (provocando el contraflujo). 3. Para aumentar la superficie de contacto aire – agua, se emplean rellenos de alto rendimiento, compuestos por bloques, formados por láminas corrugadas de PVC autoextinguible termo formadas.

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR 4. El agua a escurrir por entre las láminas corrugadas desciende por los canales de relleno y expone continuamente una película superficial de evaporación a la corriente de aire inducido por el ventilador. 5. Esta corriente de aire entra a baja velocidad y se satura de humedad a su paso por el relleno y carga consigo el vapor del agua que en el último análisis retiene el calor retirado del agua en circulación. 6. La salida de aire (caliente) se produce por la parte superior de la torre y lleva consigo pequeñas gotas de agua, y para que estas gotas no se dispersen en el ambiente exterior, si instala un separador de gotas, antes de la salida de la corriente de aire; su principio de funcionamiento se basa en que las pequeñas gotas choquen en la paredes y por la coalescencia, se aglutiné, formando gotas de mayor volumen y peso que posteriormente caen por gravedad. 7. El agua (a menor temperatura) se recoge en el estanque colector, ubicado en la parte inferior de la torre, y una vez enfriada es devuelta y reusada al circuito. 3.2.

Procesos industriales donde existen torres de enfriamiento: 3.2.1. Fabricación de yogurt

Ilustración 7. Circuito del proceso industrial para la fabricación de lácteos como yogurt. Fuente:[2]

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR Como se observa en la Ilustración 2, en el proceso de elaboración de yogurt u otros lácteos, se usan torres de enfriamiento con el mismo funcionamiento anteriormente mencionado, disminuir la temperatura del fluido, para el posterior envasado. 3.2.2. Industria vitivinícola:

Ilustración 8. Proceso industrial para la fabricación de vino tinto: Fuente:[3]

En la fabricación de vinos, también se pueden encontrar torres de enfriamiento encargadas de disminuir la temperatura de los productos en las fases finales de producción, en este proceso, además de disipar calor, también sirve como filtro para asegurar la calidad del vino. 3.2.3. Industria alimentaria: Como se ha fundamentado, en la mayoría de procesos de producción de líquidos o bebidas como vinos, lácteos, jugos, azúcar de caña, entre otros; donde existen

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR fermentación de por medio, o un calentamiento de la materia prima con el objetivo de destruir bacterias, se pueden encontrar torres de refrigeración. La industria quesera es otro ejemplo del uso de estas torres, son usadas durante el proceso de enfriamiento del suero de la leche que posteriormente se convierte en queso. La fabricación de mermelada también es otra clara aplicación de estos sistemas.

Ilustración 9. Proceso de elaboración de mermelada de fruta. Fuente:[4]

3.2.4. Industria Farmacéutica: Muchos de los procesos más importantes de la industria farmacéutica generan calor y requieren un sistema de refrigeración adecuado. [5] Algunos de los procesos farmacéuticos clave que requieren un sistema de refrigeración eficiente: -

Procesamiento por lotes en reactores multipropósito, que requiere agua de enfriamiento para reacciones químicas a altas temperaturas y cristalización de productos finales a bajas temperaturas.

-

Refrigeración de ungüentos antes de verter y envasar.

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR -

Control de la temperatura del proceso de moldeo al formar gelatina para cápsulas.

-

Calentamiento y posterior enfriamiento de los componentes de las cremas antes de mezclarlas.

-

Calentamiento y enfriamiento durante la esterilización de productos farmacéuticos líquidos.

-

Agua utilizada en el proceso de granulación húmeda para la formación de tabletas.

Ilustración 10. Torres de enfriamiento reales, usadas en la industria farmacéutica. Fuente:[6]

4. Conclusiones y recomendaciones: -

Las torres de enfriamiento son equipos muy usados, como se ha fundamentado, tienen grandes y demasiadas aplicaciones dentro de la industria, la transferencia de calor predominante se da entre un fluido de mayor temperatura con otro de menor temperatura y en distinto estado, por lo cual es difícil identificar un mecanismo de T.C. conocido hasta ahora, sin embargo cuando las gotas de agua y el aire chocan y confluyen con las láminas se experimenta la transferencia de calor por convección, como hay un número determinado de láminas dependiendo del diseño en cada una de

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR éstas, el calor se va disipando en forma de vapor, disminuyendo así la temperatura del líquido. -

Las torres de enfriamiento se ven presentes en todos los procesos que impliquen un calentamiento del líquido de importancia dentro de sus circuitos del proceso, en la mayoría de estos, el calentamiento tiene el objetivo de eliminar bacterias de su estructura molecular, pero todo proceso es mejor trabajarlo en frío ya sea por seguridad como por consumo energético y por ello el uso de un sistema de refrigeración como las torres de enfriamiento, son de suma importancia.

-

La convección así mismo tiene gran aplicación en el campo de la climatización, en su mayoría para bajar temperaturas de un espacio, como los aires acondicionados.

Referencias bibliográficas: [1]

Anonimo, “TORRES DE REFRIGERACIÓN Y CONDENSADORES EVAPORATIVOS.” [Online]. Available:https://www.mscbs.gob.es/ciudadanos/saludAmbLaboral/agenBiologic os/pdfs/4_leg.pdf. [Accessed: 21-Jul-2020].

[2]

L. Latam, “Diseño de una línea de producción de yogurt batido.,” 1 de noviembre, 2016. [Online]. Available: https://www.lacteoslatam.com/sectores/66-yogures/3482-diseño-de-una-línea-deproducción-de-yogur-batido.html. [Accessed: 21-Jul-2020].

[3]

E. M. de Dionisio, “Pomar tinto,” 14 de agosto, 2014. [Online]. Available: https://dinisalacarta.wordpress.com/2014/08/19/postales-de-lara-dionisio-y-susplaceres-reinan-en-tierras-del-cuji-y-el-cardon-i/pomar-tinto/. [Accessed: 21-Jul2020].

[4]

daianis92, “Proceso de elaboracion,” 14 de junio, 2012. [Online]. Available:

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA TRANSFERENCIA DE CALOR https://pt.slideshare.net/daianis92/proceso-de-elaboracion. [Accessed: 21-Jul2020]. [5]

B. T.E., “Torres de refrigeración para la industria farmacéutica.” [Online]. Available: https://www.btetorri.com/es/torres-de-refrigeracion-industriafarmaceutica.php. [Accessed: 21-Jul-2020].

[6]

Torraval, “La refrigeración en el proceso de moldeo de plásticos por inyección,” 19 de junio, 2017. [Online]. Available: https://www.interempresas.net/Plastico/Articulos/187730-La-refrigeracion-en-elproceso-de-moldeo-de-inyeccion.html. [Accessed: 21-Jul-2020].