Laboratorio de Transferencia de Calor. Convección Térmica. Mario Moreno Fajardo Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil – Ecuador Ecuador
[email protected] Resumen La práctica que se llevó a cabo se identificó las propiedades de la transferencia de calor por convección y se midió el coeficiente de transferencia de calor convectivo desde una superficie plana de metal hacia el aire. Una de las principales preocupaciones en la ingeniería es el análisis de los problemas de transferencia de calor con respecto a la velocidad velocidad a la cual el calor se va a transferir en las condiciones dadas. Para esta práctica se simulo dos sistemas en las cuales a diferentes temperaturas temperaturas entraron en contacto ocasionando un gradiente de temperatura dentro del sistema en esta etapa la energía se transfirió. La transferencia de calor es el proceso mediante el cual la energía se transporta de un punto a otro en forma de conducción, convección o radiación. Para efectos de esta práctica se centró en el fenómeno por convección la cual fue un proceso de transporte de energía que involucro la acción combinada de conducción de calor, almacenamiento de energía y movimiento de mezcla. Para esta práctica se utilizó un banco de prueba que consto de un calentador adaptado a una placa metálica plana, un ventilador adaptado, además además como protección conto con una malla metálica que evito todo contacto humano con la finalidad de evitar cualquier accidente. También hubo un concentrador de flujo a lo largo de la prueba que confino el aire que suministro el ventilador. Con esta etapa de la práctica se pudo calcular el coeficiente de convección en una placa plana sometida a convección libre y a convección forzada, obteniendo así una comparación de los dos modelos y teniendo valores mayores para la convección forzada debido a que esto es dependiente de la turbulencia y por ende de la velocidad del fluido circundante. Palabras clave: Placa plana, convección forzada, convección libre, fluido turbulento Abstract The practice that was carried out identified the properties of convective heat transfer and measured the coefficient of convective heat transfer from a flat metal surface to the air. One of the main concerns in engineering is the analysis of the heat transfer problems with respect to the speed at which the heat is to be transferred under the given conditions. For this practice two systems were simulated in which at different temperatures they came in contact causing a temperature gradient inside the system in this stage the energy was transferred. Heat transfer is the process by which energy is transported from one point to another in the form of conduction, convection convection or radiation. For the purposes of this practice, it focused on the convection phenomenon, which was an energy transport process that that involved the combined combined action of heat conduction, energy storage and mixing movement. movement. For this practice we used a test bench consisting of a heater adapted to a flat metal plate, an adapted fan, as well as protection with a metal mesh that avoided all human contact in order to avoid any accident. There was also a flow concentrator concentrator throughout the test that confined the air that supplied the fan. With this stage of the practice it was possible to calculate the convection coefficient in a flat plate subjected to free convection and forced convection, thus obtaining a comparison of the two models and having higher
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values for forced convection because this is dependent on the turbulence and therefore of the speed of the surrounding fluid. Keywords: Flat Keywords: Flat plate, forced convection, free convection, turbulent fluid fluido en la pared es nula, en este punto el calor solo puede ser transferido por conducción. Así, la Introducción. Introducción. transferencia de calor podría calcularse haciendo Es bien conocido que una placa de metal caliente uso la ecuación: se enfriara más rápidamente cuando se coloca delante de un ventilador que cuando se expone al aire en calma. Se dice que el calor se ha cedido Ec. 1 hacia fuera de la placa y al proceso se le llama Donde: transferencia de calor por convección. El termino convección proporciona al lector una noción : es el flujo de calor [julio/s] intuitiva en lo referente al proceso de transferencia de calor; sin embargo, esta noción : es el gradiente de calor intuitiva debe ampliarse para permitir que se : es el coeficiente de conductividad térmica. llegue a un tratamiento analítico adecuado del W/m*K problema. : es el área de la pared plana [m^2] Por ejemplo se sabe que la velocidad a la que el Entonces, ¿Por qué si el calor fluye por aire pasa sobre la placa influye evidentemente en conducción en esta capa se habla de transferencia el flujo de calor transferido. Pero ¿influye en el de calor por convección y se necesita tener en enfriamiento de forma lineal, es decir si se consideración la velocidad del fluido? La duplica la velocidad, se duplicara el flujo de respuesta es que el gradiente de temperaturas calor? Cabría sospechar que el flujo de calor, depende de la rapidez a la que el fluido se lleva el puede ser diferente si la placa placa se enfría con agua calor: una velocidad alta produce un gradiente de en vez de con aire, pero de nuevo ¿Cuánta seria temperaturas grande, etc. Así pues, el gradiente la diferencia? Estas cuestiones pueden ser de temperaturas en la pared depende del campo respondidas con la ayuda de algunos análisis de velocidades, sin embargo, se debe recordar básicos, por ahora, se emboza el mecanismo mecanismo que el mecanismo físico de la trasferencia de físico de la transferencia de calor por convección calor en la pared es un proceso de conducción. y se muestra su relación con el proceso de Para expresar el efecto global de la convección, conducción. (Holmam, conducción. (Holmam, 1999) se utiliza la ley de Newton del enfriamiento: Considérese la placa caliente mostrada en la Fig. 1. Ec. 2 ∞
=
= ( ( )
Donde: : es el coeficiente de convección. [W/m^2*K] Es el área de pared plana. : es la temperatura de la pared [Kelvin] ∞: Temperatura del fluido [Kelvin]
ℎ :
Fig. 1 1 Transferencia de Calor por convección desde una placa. La temperatura de la placa es y la temperatura
Para algunos sistemas puede hacerse un cálculo analítico de h. En situaciones complejas debe determinarse experimentalmente. Algunas veces, ala coeficiente de transferencia de calor se le
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En vista de lo anterior, se puede anticipar que la transferencia de calor por convección dependerá de la viscosidad del fluido flui do además de depender de las propiedades térmicas del fluido (conductividad térmica, calor específico, densidad). Esto es así, porque la viscosidad influye en el perfil de velocidades y, por lo tanto, en el flujo de energía en la región próxima a la pared. (Dewitt, 1996) Si una placa caliente se expone al aire ambiente sin que haya ningún dispositivo externo que lo mueva, se originara el movimiento del aire como resultado del gradiente de la densidad del aire en las proximidades de la placa. A este movimiento se le denomina convecino natural o libre por oposición de la convección forzada, que tiene lugar en el caso de un ventilador soplando aire sobre la placa. Los fenómenos de ebullición y condensación también se agrupan bajo el epígrafe general de la transferencia de calor por convección. (Dewitt, 1996)
En la tabla 4 que se encuentran en el anexo B se dan algunos coeficientes de transferencia de calor por convección convección promedio promedio típicos. típicos.
La velocidad de transferencia de calor por convección entre una superficie y un fluido puede calcularse mediante un acomodo a la ecuación dos y se tendría:
La instrumentación utilizada para esta práctica fue la siguiente:
Donde:
:
= = ∆
Ec. 3
Es la tasa de transferencia de calor por
convección en
.
: Es el área de transferencia en [ 2] ∆: Es la diferencia de temperatura entre la superficie y el ambiente (alrededores). Mientras que h es el coeficiente de convección
promedio en
. −
Se
define
el
coeficiente
Equipos, Instrumentación Instrumentación y Procedimiento Procedimiento Los datos de la placa del equipo fueron los siguientes: Equipo
Banco de prueba TH-2 Thermal Convection. Marca Extech Serie 5dl200 Modelo Eby 665 Tabla N1. Datos de Equipo: Banco de Pruebas TH-2.
Equipo Termocupla digital Rango 50-500 [C] Tabla N2. Equipo N2. Equipo utilizado para la práctica. Equipo Cronometro Digital Rango 0-900s Resolución 0.001s Tabla N3. Equipo N3. Equipo utilizado para la práctica. Además se utilizó una jaula de metal perforado para protección protección de contacto contacto contra contra la placa. placa. Y un conducto para aire en forma de U. El esquema del equipo y sus partes se encuentran en el ANEXO A.
Reagrupando la ecuación tres se tiene la siguiente expresión.
= ∆
Una conversión importante que se utilizará en este experimento es la relación: 1 vatio = 3.41 3. 41 Btu / hr. (Produccion, 2018)
Ec. 4 convectivo
de
Se inició la práctica registrando los datos en la tabla 5 que se encuentran en los anexos C. Antes de cualquier cosa se calculó el área de la superficie de la placa en pies cuadrados. cuadrados . Luego se constató que ambos lados de la placa sean de 4in
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un minuto y luego se registró esta temperatura como la temperatura del aire ambiente.
Se registró los datos en la Tabla No 5 que se encuentran en los anexos B.
Luego a este procedimiento se giró el control del calentador a la posición de 24 vatios y se esperó aproximadamente 15 minutos antes ant es de registrar la temperatura. La parte en que la temperatura hizo su aumento por encima de la temperatura ambiente se la denomino diferencial de temperatura. Este diferencial de temperatura índico cuanto debió aumentar la temperatura de la placa por encima de la temperatura ambiente para transferir los 24 vatios de calor de aire. Los ensayos de convección libre realizaron en un ambiente libre de corrientes de aire o corrientes de aire excesivas.
Luego en encendió el soplador y se lo ajusto para un flujo de aire del 50% (velocidad del aire air e fue de 350 pies/min). Se giró el control del calentador a la posición de 24 vatios y se esperó luego seis minutos antes de registrar las tres lecturas del termómetro. Se repitió este procedimiento para las configuraciones de 40, 60 y 100 vatios, esperando solo cuatro minutos después de cada cambio. Cuando se habían registrado todos los datos, se apagó el control del calentador, pero se dejó el ventilador encendido por unos minutos para dejar dejar enfriar enfriar la placa. Cuando la temperatura temperatura de la placa estuvo cerca de la temperatura ambiente, se repitió el procedimiento anteriormente dicho para un flujo de aire del 100% (700pies/min). Luego se registraron las lecturas del termómetro de forma tabular. Se utilizó la ecuación 4 para calcular el promedio del coeficiente convectivo de la superficie metálica plana al aire para cada una de las cuatro pruebas pruebas en el nivel de 100 vatios.
Una vez teniendo en cuenta esta consideración, se repitió el procedimiento anterior a intervalos de 12 minutos girando el control del calentador a las posiciones de 40, 60 y 100 vatios. Después de completar estas pruebas, se colocó el control del calentador en la posición de apagado y se encendió el interruptor del ventilador. El flujo de aire del ventilador acelero el enfriamiento de la placa hasta la temperatura ambiente en aproximadamente cinco minutos, se giró la placa hacia la posición horizontal posterior y se volvió a repetir los procedimientos anteriores para medir la transferencia de calor por convección desde una placa horizontal en aire inmóvil. Se registraron todos los datos en forma de tabla. Se giró la placa de nuevo a la posición vertical. Se retiró el termómetro del cuadrante y la pantalla de protección del aplaca y se instaló el conducto de aire de metal metal en forma de U en su lugar. Luego de esto se insertó el termómetro en el cuadrante en el orificio izquierdo del conducto, que a su vez debió colocarse sobre el orificio izquierdo de la placa. Los dos termómetros líquidos debieron insertarse en las ranuras en
Análisis de Resultados Conclusiones y Recomendaciones.
De los datos obtenidos en los anexos C, el coeficiente de convención de corriente libre variaron bastante en cuanto a la posición de la placa en vertical y horizontal, horizontal, sucede que los coeficientes de convección térmica en posición vertical no acertaron con los datos comparados comparad os en la tabla No 4 el cual están tabulados los valores teóricos para la convección de diferentes casos.
Los valores para los cuales el coeficiente si aserto fueron para la convección térmica por medio de
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Tomando en cuenta que la placa permite que se creen corrientes de aire continuamente circundantes debido al cambio de densidad, que a la vez se definió por la temperatura del medio circundante. Este hecho se debe a que el aire se encuentra en un momento de tiempo muy cerca de la placa con una temperatura inicial que se hace que se eleve el comportamiento de los electrones y hace que su densidad disminuya produciendo un movimiento movimiento de avance, avance, debido a este movimiento ascendente nuevas partículas de aire reemplazan ese lugar y sufren el mismo fenómeno antes dicho, siendo este factor el más importante en el aumente del coeficiente de convección y no necesariamente el aumento de la potencia. Es por eso que la temperatura en la posición horizontal de la placa por conexión libre posee mayor temperatura ya que las partículas no pueden desplazarse desplazarse hacia el camino de la dirección del flujo y eso por su disminución de densidad, por lo que se retienen en la placa acumulando calor. (Produccion, 2018)
En cuanto a la convección forzada sus valores fueron los esperados dando ocasionando un error del 1.4%, sabiendo que h aumenta conforme lo hace el régimen turbulento del fluido es decir cuando se le aplico aire al 50% y dicha propiedad está directamente vinculada con la velocidad del fluido. L os datos obtenidos se ajustan ajustan a lo requerido. (Produccion, 2018)
En cuanto a los datos que se generaron generaron en la parte de convección libre con la ubicación de la placa horizontal los datos 3 y cuatro se pasan a lo estimado y no se parecen a los teóricos. Dichos datos se pueden entender como un error en la medición, ya que los agujeros donde se ubicaron
Se logró modelar los datos experimentales los cuales dieron valores muy estimados y no se alejaron tanto de los valores teóricos a excepción de los datos por transferencia de calor por convección libre el cual se lo estimado con dos datos erróneos, estos valores salen un poco de los valores que se encuentran en la tabla No. 4. (Produccion, 2018) Referencias Bibliográficas
1. Andres, S. H. (2015). Conveccion Termica . Guayaquil: Escuela Superior Politecnica del Litoral.
2. Dewitt, F. P. (1996). Fundamentos de Transferencia de Calor . Mexico: Pearson Education. 3. Holmam, J. P. (1999). Transferencia de Calor . Madrid - Espana: Mc Graw Hill. 4. Machine, W. (02 de Abril de 2005). Wayback Machine. Obtenido de https://web.archive.org/web/20050420 085336/http://www.nsdl.arm.gov/Libra ry/glossary.shtml#Wind_chill_temperat ure 5. Produccion, F. d. (01 de Enero de 2018). Thermal Convection. Guayaquil, Guayas, Ecuador.
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Anexo A – Equipo. Equipo.
Figuras 2 y 3. Esquema 3. Esquema de los equipos Descripción del Equipo. La unidad de convección térmica TH-2 es autónoma, excepto por la electricidad de 120 voltios de corriente alterna. Está compuesto por: 1. Una placa de metal plana de 4 x 8 pulgadas con 1 calentador eléctrico incorporado. La placa está articulada a la unidad base TH-2 para permitir pruebas de convección en diversos grados de posiciones verticales y horizontales. La temperatura de la placa se controla mediante un CONTROL CALENTADOR giratorio de cinco posiciones marcado como OFF-24-4060-100, con los números referidos a vatios. 2. Un termómetro de cuadrante (50-500 °) para medir la temperatura de la placa cuando se inserta en 1 orificio a lo largo del borde de la placa. 3. Dos termómetros líquidos l íquidos que tienen escalas duales dual es (-10 ° F a + 230 ° F y -20 ° C a + 110 ° C) y cuadrados de composición de 1 pulgada unidos a sus espaldas. Los cuadrados evitan que los termómetros se deslicen a través de las ranuras del conducto de aire cuando se colocan en posición para medir las temperaturas del flujo de aire. 4. Una jaula de metal perforada para actuar como una pantalla de protección contra quemaduras accidentales cuando se coloca sobre la placa del calentador durante la prueba de aire en calma (convección libre). 5. Un conducto de aire metálico en forma de U que reemplaza la pantalla de protección durante las pruebas de aire en movimiento (convección forzada). Está diseñado para guiar el flujo de aire de manera uniforme sobre la placa. No use el conducto de aire cuando realice una prueba de aire inmóvil. 6. Un ventilador incorporado en la caja de control TH-2 y operado por el interruptor de palanca marcado como BLOWER-OF. Un control deslizante en el borde izquierdo de la caja de control selecciona la velocidad del flujo de aire sobre la placa de metal
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Anexo B – Tabla Tabla de Datos. Tabla No4. Parámetros guías para corroborar los datos experimentales. Coeficiente de Convección por transferencia de calor Condición Aire libre Conducción Conducción Aire supercalentado o vapor, convección forzada Aceite, convección forzada Agua Convección Forzada Agua hirviendo Vapor condensado
̅
1-5 5-50 5-50 50-2000 500-10000 1000-2000
Tabla No. 5 Procesamiento de datos crudos para convección libre Switch Position
Plate temperature in vertical position (°C)
Plate temperature temperature in horizontal position (°C) (°C)
24 watts (after 15 min)
49,6 / 34,8
63,2 /43,5
40 watts (after 12 min)
60,6 / 40,3
82,8 / 54,3
60 watts (after 12 min)
70,9 / 46,3
99,6 / 64,6
100 watts (after 12 min)
92,8 / 58,8
261,6 / 113,2
Ambient Temperature Temperature (°C)
26.85
Tabla No. 6 Procesamiento de datos crudos para convección Forzada al 50 % de aire circundando. Posición del del switch switch
Temperatura Temperatura de la placa al 50% de flujo de aire
24 watts
52.3/62.9
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Posición del del switch
Temperatura Temperatura de la placa en posición vertical(°F)
Temperatura Temperatura de la placa Temperatura de la en posición horizontal placa con un flujo de (°F) aire del 50% 50%
81.84 BTU/hr (after 15 min)
107.96
128.03
135.68
136.5 BTU/hr (after 12 min)
122.81
155.39
167.72
204.7 BTU/hr (after 12 min)
137.48
179.78
199.58
204.7 BTU/hr (after 12 min)
168.44
179.78
251.96
Temperatura Ambiente. (°F)
80.33
Anexos C- Procesamien Procesamiento to de los datos. A modo de ejemplo se tomó el dato Numero uno de la No 6. Para un flujo al 50% de aire. Los datos obtenidos estaban en grados Celsius y se los trasformo a grados Fahrenheit. Antes de eso se calculó el promedio de los datos.
.+. = . ° Luego se procedió a transformar a grados Fahrenheit.
° + = °°
°
Donde es la temperatura en grados Celsius. Para el procesamiento del primer dato se tiene:
9 ∗ . ° ° + = .. ° ° 5 ∗ .° .° + = .°
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Haciendo una comparación con la tabla No 5. El coeficiente de convección térmica forzada cae en el rango de aire de supercalentado o vapor es decir mediante el método de convección forzada. Se realizó un último cálculo cogiendo los valores de todos los coeficientes de convección térmica y sacándole el promedio, el cual dio el siguiente resultado.
. + .+ .+ . = . / = . ∗ ° Lo cual verifica nuestro resultado como convección forzada.
En el caso de los datos de convección libre para una posición vertical se tiene.
. + .+ .+ . = . / = . ∗ °
Cuyo porcentaje de error de lo calcula con la siguiente expresión:
% = | = | / / | | % = = . . = .
Lo que equivale al 21% de error.
Y para una convección libre en una posición horizontal se tiene:
. + .+ .+ . = . / = . ∗ ° Su respectivo error
% = = . . = .
Lo cual corresponde a un error del 1.4%
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Temperatura extremo Izquierdo (°C)
49.600 60.600 70.900 92.800 63.200 82.800 99.600 261.600 52.300 67.200 79.500 70.000
Temperatura extremo Derecho (°C)
Promedio (°C)
Grados Fahrenheit
°
Temperatura Ambiente
°
∆ [°]
AREA
[]
/ / ] [ ] ∗ °
% DE ERROR
3.415 5.007 6.707 9.125
31.706 0.133 34.139 82.491
2.879 3.957 5.129 4.162
42.412 20.862 2.578 16.769
6.660 7.036 7.732 8.955
-------------
Q [
Experimento Experimento para convecc convección ión Libre (posición vertical vertical de la placa) placa) 34.800 42.200 107.960 80.330 27.630 0.222 81.840 40.300 50.450 122.810 80.330 42.480 0.222 136.500 46.300 58.600 137.480 80.330 57.150 0.222 204.700 58.800 75.800 168.440 80.330 88.110 0.222 341.200 Experimento Experimento para convecció convección n Libre (posición horizontal horizontal de la placa) 43.500 53.350 128.030 80.330 47.700 0.222 81.840 54.300 68.550 155.390 80.330 75.060 0.222 136.500 64.600 82.100 179.780 80.330 99.450 0.222 204.700 113.200 187.400 369.320 80.330 288.990 0.222 341.200 Experimento Experimento para convecció convección n forzada flujo flujo de aire al 50% 62.900 57.600 135.680 80.330 55.350 0.222 81.840 83.600 75.400 167.720 80.330 87.390 0.222 136.500 106.700 93.100 199.580 80.330 119.250 0.222 204.700 174.400 122.200 251.960 80.330 171.630 0.222 341.200
Tabla No. 8 Procesamiento 8 Procesamiento de datos Para convección libre y convección forzada.
Resultados.
/ ℎ / ℎ / ℎ ∗ ° ∗ ° ∗ °
Potencia 1 2 3 (Btu /hr) 81.840 3.415 2.879 6.660 136.500 5.007 3.957 7.036 204.700 6.707 5.129 7.732 341.200 9.125 4.162 8.955 Tabla No. 9 Resumen 9 Resumen de datos para Coeficientes de convección en diferentes etapas. 1 Corresponde a una convección libre con una posición vertical de la placa. 2 Corresponde a una convección libre con una
ℎ
ℎ
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Anexos D – Preguntas Preguntas Evaluativas. 1. ¿Hay alguna diferencia en la transferencia de calor por convección en el aire inmóvil para una placa de metal en las posiciones posiciones vertical vertical y horizontal? horizontal? Explica tu respuesta Si hay una diferencia entre el coeficiente de convección de una placa móvil y una placa vertical, para la convección convección libre. La situación se debe que para una placa vertical el aire se retrae más, ocasionando que la capa limite se genere mayormente y hace que los esfuerzos cortantes generados por las esfuerzos viscosos genera mayor mayor flujo f lujo de calor. Por ende el coeficiente de calor en placa vertical es mayor al coeficiente de calor con posición vertical. 2. ¿Cómo cambian las características de transferencia neta con respecto a convección libre y convección convección forzada? forzada? Las características que cambian son el cambio en el gradiente de temperatura y en el mismo coeficiente de transferencia de calor, porque el área no afecta puesto a que es la misma área en cualquiera de los dos casos. La generación de la capa limite varia en los dos casos. 3. ¿Cómo el llamado "factor de enfriamiento del viento" entra en una medida de la frialdad de un día de invierno? invierno? El movimiento del aire aumenta también el intercambio de calor por convección, favoreciendo que la temperatura de un objeto alcance la temperatura del aire ambiente. En esta cuestión este efecto es muy poco importante porque lo más que puede enfriar un cuerpo seco es hasta la temperatura del aire, que es la temperatura seca, considerada sin viento. Quiere decir esto que los objetos secos, sin humedad superficial, sea debida al sudor o simplemente mojados, no se enfriaran por debajo de la temperatura ambiente, de modo que este índice solo sirve para el cuerpo humano o de animales que tengan evapotranspiración. En los cuerpos secos, el único influjo del viento será reducir el tiempo de enfriamiento, acelerando la convección, hasta llegar a la temperatura seca del aire. (Machine, 2005) 4. ¿Hay algún cambio significativo en ℎ para las diferentes configuracione configuracioness de potencia en una prueba? Los cambios que se generaron fueron, bueno se diría que lineales no están tan distantes en los parámetros parámetros que se quiso quiso conseguir. conseguir. Y los coeficientes coeficientes de convecció convección n térmica térmica están casi elevados elevados a una unidad. 5. ¿Cuál es la relación entre el coeficiente de transferencia de calor convectivo promedio (de los
