Laboratorio N° 3 de Fenomenos
August 17, 2022 | Author: Anonymous | Category: N/A
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“FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA”
FENOMENOS DE TRANSPORTE LABORATORIO N° 03
COMPORTAMIENTO DE UNA ALETA RECTA DE SECCIÓN TRANSVERSAL COSNTANTE TIPO AGUJA SOMETIDA A CONDUCCIÓN-CONVECCÓN
PRESENTADO A: -
Ing. VILCA MORENO, Orlando Orlando
PRESENTADO POR: POR: -
CHAVEZ PAUCAR, José
-
IDONE BERAUN, Miriam
-
HUARANCCA MEZA, Y. Samanta
-
RUTTI RICAPA, Gisela
-
YACHACHIN MARCELO, Úrsula
-
TOVAR MEDINA, Milagros
-
MARMANILLO SERPA, Virginia
-
DE LA CRUZ PONCE, Marivel
-
ROMAN ADRIANO, Rebeca HUANCAYO – PERU HUANCAYO – PERU 2014
I.
RESUMEN
El presente informe tiene como objetivo principal estudiar el comportamiento de una aleta recta de sección transversal constante, tipo aguja, sometida a conducciónconvección; y como objetivos secundarios el cálculo del flujo de calor, la eficiencia de la aleta, el coeficiente convectivo así como la obtención del perfil de temperaturas longitudinales. Para realizar dichos objetivos se hizo calentar la aleta tipo aguja con una cocinilla eléctrica por treinta minutos, después se midió las temperaturas a diferentes longitudes, así también se determinó la temperatura del fluido (aire); con los datos obtenidos hallamos el flujo de calor, la eficiencia de la aleta, el coeficiente convectivo, los cuales fueron: fueron: JSHCSKDHVDHVND-VNVBVCB, JSHCSKDHVDHVND-VNVBVCB, respectivamente.
II.
INTRODUCCIÓN
Es posible aumentar la transferencia de calor de un sistema aumentando su área superficial por medio de aletas. Las aletas se usan cuando los coeficientes de transferencia de calor por convecciones bajo lo cual sucede a menudo en gases como el aire especialmente en condiciones de convección natural. Las superficies extendidas tienen amplias aplicaciones industriales como aletas fijas o anexadas a las paredes del equipo de transferencia de calor, como por ejemplo en radiadores de automóviles, enfriamientos de equipos eléctricos, en motores de combustión interna enfriados por aire, en intercambiadores de calor, etc. con el fin de incrementar la rapidez de calentamiento o enfriamiento. La transferencia de calor entre el metal y el aire resulta menos eficaz que desde el líquido al metal, por lo que se utilizan las aletas para aumentar la superficie global y compensar así el menor rendimiento metal-aire.
III.
3.1.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Estudiar el comportamiento de una aleta recta de sección transversal constante tipo aguja sometida a conducción-convección.
3.2.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Obtener el perfil de temperaturas longitudinales en la aleta y compararlo con los resultados teóricos.
Calcular el flujo de calor transmitido.
Calcular la eficiencia de la aleta.
Determinar el coeficiente convectivo (h).
IV.
4.1.
MARCO TEORICO
ALETAS:
Las aletas son superficies adicionales o extendidas que se instalan para incrementar el flujo calorífico desde un determinado componente hacia el medio que le rodea. Se usan las aletas o superficies extendidas con el fin de incrementar la razón de transferencia de calor de una superficie ,en efecto las aletas convexas a una superficie aumenta el área total disponible para la transferencia de calor .En el análisis y diseño de una superficie con aleta ,la cantidad de energía calorífica calor ífica disipada por una sola aleta tipo geométrico dado, se determina auxiliándonos del gradiente de la temperatura y el área transversal disponible para el flujo de calor en la base de la aleta. Las aletas pueden ser con secciones transversales rectangulares, como tiras que se anexan a lo largo de un tubo, se les llama aletas longitudinales; a bien discos anulares concéntricos alrededor de un tubo, se les llama aletas circunferenciales .El espesor de las aletas puede ser uniforme o variable. Sobre todo se utilizan cuando el coeficiente de convección (h) entre el sólido y el medio fluido es bajo, caso éste muy habitual en la transmisión de calor a gases y muy especialmente cuando se utiliza la convección natural. El bajo coeficiente de película se compensa con un aumento en el área expuesta al fluido. Las formas que adoptan las aletas son muy variadas, y dependen en gran medida de la morfología del sólido y de la aplicación concreta. La aleta se denomina "aguja" o "pin" cuando la superficie extendida tiene forma cónica o cilíndrica. La expresión "aleta longitudinal" se aplica a superficies adicionales unidas a paredes planas o cilíndricas. Las "aletas anulares" van unidas coaxialmente a superficies cilíndricas (tuberías generalmente). Al colocar aletas sobre una superficie primaria, la temperatu temperatura ra superficia superficiall media del conjunto resulta ser menor, por lo que al reducir la diferencia media de temperatura entre la superficie y el fluido, puede ocurrir que el aumento de superficie no produzca
un incremento notable en el flujo de calor disipado o incluso que éste disminuya, es decir, que las aletas aíslen térmicamente la superficie. Resulta importante pues, determinar el campo de temperaturas resultante al instalar las aletas.
4.2.
TRANSFERENCIA DE CALOR DESDE SUPERFICIES EXTENDIDAS
Existen varias maneras de incrementar el flujo de calor disipado por una superficie expuesta a un fluido, ya sea aumentando la diferencia de temperaturas entre la superficie el flujo, aumentando el coeficiente de transferencia de calor o incrementando el área (q = U A ∆T). El incremento del área se consigue mediante el
uso de superficies extendidas (aletas). La forma de aumentar la transferencia de calor desde una superficie sólida en contacto con un fluido, es aumentando el área de dicha superficie metálica, para el cual se coloca en forma perpendicular materiales que pueden ser iguales o diferentes a los materiales de las superficies. Desde el punto de vista práctico, sólo se justifica la colocación de aletas o superficies extendidas cuando se cumple la siguiente relación:
h
PK A
0.25
Dónde:
h = Coeficiente de película del fluido. P = Perímetro de la sección de la aleta
A = Área de la sección de la aleta
K = Conductividad térmica
4.2.1. PARA PREDECIR LA ALETA A UTILIZAR SE DEBE ANALIZAR:
1. Espacio disponible. 2. Caída de presión que podría producir la superficie extendida.
3. La facilidad de su manufactur manufactura. a. 4. El costo del material y su construcción. construcci ón.
4.2.2. PARA PLA PLANTEAR NTEAR LAS ECUA ECUACIONES CIONES QUE SE UTILIZA UTILIZARAN RAN EN N NUESTROS UESTROS CALCULOS, SE SIGUE LA SIGUIENTE HIPÓTESIS: 1. Se considera conducción unidimensional de calor a todo lo largo de la altura de la aleta. 2. Se considera conducción permanente de calor. 3. El material usado se considera homogéneo, K = constante; a no ser que se exprese lo contrario. 4. La temperatura en la base de la aleta se considera constante y uniforme. 5. La temperatura y el coeficiente pelicular del fluido que rodea a la aleta se considera constante y uniforme. 6. Se desprecia el calor disipado por la punta de las aletas, salvo que se indique lo contrario y considerando también las dimensiones de la aleta. La transferencia de calor por conducción entre una superficie y el fluido que lo rodea puede aumentarse sujetando a la superficie fajas delgadas de metal llamadas aletas.
V. 5.1.
PARTE EXPERIMENTAL
MATERIALES Y EQUIPOS 1 Cocinilla eléctrica
1 Termocupla 1 Termómetro
1 Cronometro
1 Aleta tipo aguja
5.2.
PROCEDIMIENTO
Conectar la alimentaci alimentación ón eléctrica y ajustar los reóstatos a la posición deseada.
Dejar transcurrir el tiempo necesario (30 min) hasta que todas las temperaturas sean estables, es decir hasta que alcance el régimen permanente en la transmisión de calor.
Anotar las temperaturas en los distintos puntos de la aleta y la temperatura del ambiente (fluido).
VI.
DATOS EXPERIM EXPERIMENTALES ENTALES
Tabla n°1: Datos de la superficie extendida
MATERIAL
Fierro
DIÁMETRO
0.012
LONGITUD
0.452
CONDUCTIVIDAD
80.2W/(m·K) 80.2W/(m·K)
TÉRMICA TÉRMICA
Tabla n° 2: temperatura del fluido y de la base de la pared
L(m)
0
297.15
306.15
297.15
307.15
297.15
309.15
0.051
297.15 297.15
302.15
297.15
303.15
297.15
303.15
0.152
297.15 297.15
300.15
297.15
301.15
297.15
302.15
0.25
297.15 297.15
300.15
297.15
300.15
297.15
301.15
0.35
297.15 297.15
299.15
297.15
300.15
297.15
300.15
0.452
297.15 297.15
298.15
297.15
299.15
297.15
299.15
L(m) 0
T pared promedio (K) 307.48
T del fluido (K) 297.15
0.051
302.82
297.15
0.152
301.15
297.15
0.25
300.48
297.15
0.35
299.82
297.15
0.452
298.82
297.15
VII. CALCULOS * Hallando y Ak
= = 0.0001131
*Datos de tablas del aire a 297.15 K
, K
Kg / m
297.15
1.1872
3
Cp10 J / Kg K 3
1.00692
7
10 Ns /m
182.8
2
10
6
m
2
/ s
15.86
3
26.3
Corregir Parámetros Viscosidad Densidad Capacidad calorífica Gravedad Conductividad térmica
1. Hallando para x=0.051 m
Valores de las tablas
182.1.18872×10−
1.00692 9.8 79.5
K 10 W / mK
Calculando la temperatu temperatura ra de la película.
= 302.48 ∞ = 297.15 ∞ = + 2 = 299.985 = 1 = 0.00330871−
Hallando el valor de
Calculamos el Número de Grashof :
g Dl T b T Gr 2
3
2
− 9. 8 1 × 0. 0 033087 033 087 × 1. 1 872 = ( 182.182.8×10− . ) ×1.728×10− ×26 = 2443.142305
Calculando el número de Prandtl: Pr
Cp.
K
J . × . × g. . = . . = 0.706
Calculando el número de Rayleigt :
= × Pr = 7.7.522510 × 0.0.70606
= 5.310910
Ahora calculamos h:
ℎ =
*Donde C y n son constantes que se encuentran en tablas para un valor aproximado de Ra los cuales son: C = 0.59 n= 0.25
ℎ = 0.00.263263 012 ×0. 12m. wk ×0.59×9× 5.5.310910.. ℎ = 11.64 .
Hallamos el valor de M:
= .ℎ. = 209. 311.. 64 4 × 1.1..44414×1010− = 19.65 −
Calculamos la eficiencia de la aleta:
nh619.5−65×0. × 0.0.4445252 = tanhnh = ta19.nh19. 52 = 0.075
La distribución de temperaturas a lo largo de la longitud de la aleta a una distancia x:
T
x
0
T
0m
0
T 0
T 0
1 cosh 24.13( ) * (0.556 0.1435)m m 296.99 K 296.15 K (323.15 296.15) K * cosh(13.42)
0.2435m
T 0
x
cosh(13.42)
0.1435m
0
1 cosh 24.13( m ) * (0.556 0)m 296.15 K (323.15 296.15) K * 323.05 K
x
x
cosh ML
cosh M L x
T T
0
cosh 24.13( 1 ) * (0.556 0.2435)m m 296.23 K 296.15 K (323.15 296.15) K * cosh(13.42)
0.3435m
296.15 K (323.15 296.15) K *
cosh 24.13(
T 0
1 m
296.16 K
) * (0.556 0.3435)m
cosh(13.42)
x
0
0.445m
296.15 K (323.15 296.15) K *
cosh 24.13(
x
0
T 0
1 m
296.15 K
) * (0.556 0.445)m
cosh(13.42)
0.556m
296.15 K (323.15 296.15) K *
cosh 24.13(
T 0
1 m
296.150 K
) * (0.556 0.556)m
cosh(13.42)
HALLANDO Q:
∞−ℎ = √ ℎ ℎ ℎ ℎ13.13.422 = √ 11.11.58∗∗0.011∗209.3∗1.21∗10 323.323.15296.155ℎ = 2.7181
VII. RESULTADOS VIII. CONCLUSIONES
Se estudió el comportamiento de una aleta recta de sección transversal constante tipo aguja sometida a conducción – convección.
Se obtuvo el perfil de temperaturas longitudinal en la aleta.
Se calculó el flujo de calor transmiti transmitido. do.
Se calculó la eficiencia de la aleta.
IX.
BIBLIOGRAFIA
1. http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Nusselt 2. "Transferencia de calor." Microsoft® Encarta® 2007 [CD]. 3. http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Sherwood 4. http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Rayleigh 5. R. B. Y OTROS, “fenómenos de transporte” 6. http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Prandtl 7. www.google.com www.google.com 8. http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Grashof http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Grashof
X.
ANEXOS
*Para la transferencia de calor se fabrica una gran variedad de aletas de forma geométrica diferente. 10.1. TIPOS DE ALETAS:
ALETAS DE SECCIÓN TRANSVERSAL CONSTANTE:
ALETA RECTANGULA RECTANGULAR R
ALETA CIRCUNFER CIRCUNFERENCIAL ENCIAL
ALETAS DE SECCIÓN TRANSVERSAL VARIABLE:
ALETA TRIANGULAR TRIANGULAR
ALETA TRA TRAPEZOIDA PEZOIDAL L
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