Proyecto de Transferencia de Calor

Universidad Mayor de San Simón.

Facultad de Ciencias y Tecnología. Tecnología. Carrera de Ingeniería Mecánica-Electromecánica. PROYECTO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

1. INT INTROU ROUCC CCI! I!N. N. La convección natural y forzada ocupa un tema muy importante dentro del estudio y las aplica aplicacio cione ness de la mater materia ia de Tran Transfe sferen renci cia a de Calor Calor.. En este este proye proyecto cto se desarrollará el material teórico práctico para la determinación de los coeficientes de convección natural y forzada en un amiente e!perimental. ". #$%NT& #$%NT&%M %MI&NT I&NTO O &$ #RO'$& #RO'$&M% M%.. "ustificación# La importancia de la realización de este proyecto radica en la necesidad de tene tenerr $err $erram amie ient ntas as desa desarr rrol olla lada dass para para la crea creaci ción ón de un lao laora rato tori rio o de Transfe Transferenc rencia ia de Calor% Calor% para la compleme complementaci ntación ón e!perim e!perimental ental del conocimi conocimiento ento teórico ad&uirido en la materia. (. O')&TI*OS. '(etivo )eneral# 'perar los instrumentos y e&uipos a utilizar en el futuro laoratorio para verificar  e!perimentalmente e!perimentalmente el fenómeno f enómeno de transmisión de calor por convección. '(etivos específicos# a* +esarroll +esarrollar ar un práctica práctica de laoratorio laoratorio &ue contenga contenga la información información introducto introductoria ria y el desarrollo del marco teórico del tema correspondiente# correspondiente# ,Convección atural y forzada. * /ealizar /ealizar el monta(e monta(e e!periment e!perimental% al% con los respectivos respectivos material materiales es a utilizar utilizar%% y el procedimiento procedimiento de la toma de datos. c) Mate Materi rial al gráf gráfic ico o 0Lay 0Lay 'ut* 'ut*%% tal talas as para para el llen llenad ado o de dato datoss y cálc cálcul ulo o de resultados uscados en este caso para los cálculos indirectos del coeficiente de convección natural y forzada. +. M%RCO RCO T& T&!RIC !RICO O. El transporte de calor a trav1s de un medio material se puede realizar por dos mecan mecanism ismos# os# conduc conducci ción ón o convec convecció ción. n. La condu conducci cción ón se reali realiza za media mediante nte la transferencia de energía entre mol1culas adyacentes% y tiene lugar siempre &ue e!ista un gradiente de temperatura% este calor puede ser calculado por la siguiente ecuación#

q = − KA

dt  dx

2iempre &ue un cuerpo sólido se pone en contacto dentro de un fluido en movimiento &ue posee una temperatura diferente a la del cuerpo% la energía es transportada mediante la convección por el fluido. La transferencia de calor por unidad de área entre entre un sólido sólido de tempe temperat ratura ura t  s y un fluido fluido de temper temperatu atura ra t    está dada por la ecuación# ∞

q = Ah(t s

− t  ) ∞

#RO,&CTO & TR%NSF&R&NCI% & C%$OR S&M&STR& II-"/

Universidad Mayor de San Simón.

Facultad de Ciencias y Tecnología. Carrera de Ingeniería Mecánica-Electromecánica.

Esta ecuación es tami1n conocida como la ,Ley de enfriamiento de e3ton. La transferencia de calor por convección implica el transporte de calor a trav1s de una fase y el mezclado de porciones calientes y frías de un gas o lí&uido. 2i el movimiento del fluido se dee e!clusivamente a una diferencia de densidades originada por  diferente calentamiento se $ala de convección natural4 si en ese movimiento influye la agitación e!terna o provocada% se $ala de convección forzada. En fluidos% el transporte de calor por conducción es despreciale frente a la convección. 5ara esto utilizaremos las ecuaciones de conducción y convección para el caso de un cilindro de longitud L% diámetro e!terno  D0 % diámetro interno  Di #

Ecuación de conducción:

q = − KAlog

− t i ) ∆r 

(t0

Donde: q: calor por unidad de tiempo. K: coeficiente de conducción. Δr: espesor de la pared ( r0 − r i ) . Alog: área media logarítmica.

Ecuación de convección:

q = Ah(t s

− t  ) ∞

Donde: q: calor por unidad de tiempo : coeficiente de convección A: área perpendicular a la dirección de transferencia de calor. t ∞ : temperatura del fluido t  s : temperatura de la pared en contacto con el fluido.

En esta práctica se pretende medir el coeficiente de convección natural y forzada 0 0*% desde la cara e!terna de un recipiente de vidrio &ue contiene agua caliente $asta el amiente% a partir de la velocidad de enfriamiento del agua. El agua caliente se mantiene en agitación con el fin de &ue la temperatura sea uniforme en toda la masa del lí&uido% con ello se pretende eliminar la e!istencia de un gradiente de temperaturas desde el seno del fluido $asta la cara interna del recipiente% con lo &ue se puede suponer &ue no $ay resistencia a la transmisión de calor por  convección en el seno del fluido. El recipiente de vidrio% de forma cilíndrica% está aislado por la tapa superior y por la ase% de modo &ue la 6nica transferencia permitida ocurre por la superficie lateral. En el recipiente% el transporte de calor es por  conducción% y presenta un área de transmisión al calor variale 0desde el área interna%  7i $asta el área e!terna% 7o* por lo &ue $ay &ue usar un área media logarítmica 7log.

#RO,&CTO & TR%NSF&R&NCI% & C%$OR S&M&STR& II-"/

Universidad Mayor de San Simón.

Facultad de Ciencias y Tecnología. Carrera de Ingeniería Mecánica-Electromecánica.

El alance de calor para este sistema sería# Calor perdido por el agua al enfriarse = Calor transferido al medio.

−∆U = hAlog (t − t   ) ∞

−mC p

dt  H !O d θ 

= hAlog (t − t

∞

 )

Integrando resulta# t 

θ 

dt  H !O

hAlog

∫ (t − t ) = ∫ mC d  

tb

 p

o

∞

θ 

hAlog  t − t    θ  =− ln  ÷ mC p    tb − t   ∞

∞

+onde# t 

t b t  C  p ∞

8 Temperatura del agua en el proceso 09C*. 8 Temperatura del agua al inicio del proceso 09C*. 8 Temperatura del medio 09C*. 8 Calor específico del agua 0Cal:gr.9C*.

 Alog 8 ;rea media logarítmica del recipiente de vidrio 0 m ! *. m 8 Masa del agua en el recipiente 0gr*. 2iendo#  A0

8

;rea e!terna

del recipiente 0 m ! *.  Ai 8 ;rea interna

 Alog

=

−A   D   ln  0÷   D    A0

i

i

del recipiente 0 m ! *.

#RO,&CTO & TR%NSF&R&NCI% & C%$OR S&M&STR& II-"/