Practica 5 - CONVECCION Y RADIACION PDF

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Benemérita UniversidadAutónoma de PueblaFacultad de Ingeniería QuímicaLaboratorio de Ingeniería 2.Práctica 5: CONVECCION Y RADIACIONDra. María Dolores Guevara EspinosaIntroducción.La energía se puede transferir mediante las interacciones de un sistema con su alrededor, las cuales son denominadas tra...

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Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Facultad de Ingeniería Química

Laboratorio de Ingeniería 2. Práctica 5: CONVECCION Y RADIACION

Dra. María Dolores Guevara Espinosa

Introducción. La energía se puede transferir mediante las interacciones de un sistema con su alrededor, las cuales son denominadas trabajo y calor. El modo de transferencia de calor por convección se compone de dos mecanismos, mediante el movimiento global de un fluido y el gradiente de temperatura entre el sistema y sus alrededores, la energía emitida por la materia se encuentra a una temperatura finita. Sin importar la forma de la materia, la radiación se puede atribuir a cambios en las configuraciones electrónicas. (Fundamentos de Transferencia de Calor, Cuarta Edición, Frank P, David P.)

Objetivos. Determinar la velocidad de pérdida de calor en estado estacionario de un cilindro debido a la combinación de los mecanismos de transferencia de calor por radiación térmica y convección. Encontrar la ecuación empírica que relacione los números adimensionales involucrados en el proceso para procesos de convección externa natural o forzada.

Marco teórico. Cuando un fluido se pone en contacto con una superficie sólida a una temperatura distinta, el proceso resultante de intercambio de energía térmica se denomina transferencia de calor por convección. Hay dos tipos de procesos de convección: convección libre o natural y convección forzada. En el primer caso la fuerza motriz procede de la diferencia de densidad en el fluido que resulta del contacto con una superficie a diferente temperatura y da lugar a fuerzas ascensionales. En el segundo caso una fuerza motriz exterior mueve un fluido sobre una superficie a una temperatura mayor o inferior que la del fluido. Para una u otra forma de transferencia de calor por convección, la cantidad de calor es: q convecció n =h( T s−T ∞ ) [ ¿ ]

W Ley de enfriamento de Newton m2

Donde h = coeficiente de transferencia de calor por convección, W/m2 °C Ts = temperatura de la superficie, °C T∞= temperatura en el seno del fluido, °C

Fig.1 Transferencia de calor por convección desde una superficie caliente hacia el aire Por ejemplo, en ausencia de un ventilador, la transferencia de calor desde la superficie del bloque caliente en la Figura 1 será por convección natural puesto que en este caso cualquier movimiento del aire se deberá al ascenso del aire más caliente por lo tanto más ligero, cercano a la superficie, y al descenso del aire más frío por consiguiente, más denso para ocupar su lugar. Si las corrientes se ponen en movimiento mediante un dispositivo mecánico como una bomba o un agitador, el flujo es independiente de los gradientes de densidad y recibe en nombre de convección forzada. El flujo de calor hacia un fluido que se bombea a través de una tubería caliente constituye un ejemplo de convección forzada. 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

Parte experimental. La práctica se realizó encendiendo el equipo y el ventilador centrífugo, abrimos el acelerador girando la perilla ajustando la lectura de 0.5 m/s, ajustamos el voltaje a 20V permitiendo que el aparato llegara a estabilizarse registrando T9,T10 , V. Durante el proceso, ajustamos el acelerador en un intervalo de 1-7 respectivamente

Material Accesorio HT14 para mediciones de convección y radiación combinadas. Unidad principal HT10X

Resultados, cálculos y discusión de resultados. Voltaje (V) 16 13 10 7

Temperatura del calentador (°C) (Ts) 389.0 297.0 213.6 126.0

Temperatura del ducto (°C) (Ta)

Corriente (A)

23.3 23.8 24.2 24.4

2.6 2.1 1.7 1.2

Temperatura del ducto (°C) (Ta)

Corriente (A)

Velocidad del aire (m/s)

22.4 23.2 24.0 24.0 24.0

2.6 2.6 2.6 2.6 2.6

0.89 1.80 2.74 3.60 4.52

1. Datos obtenidos correspondientes a convección natural

Temp. calentador (°C) (Ts) 327.0 276.3 240.8 214.2 196.9

Tabla 2. Datos obtenidos correspondientes a convección forzada. Voltaje: 16 V

Temp. calentador (°C) (Ts) 249.0 206.5 181.9 160.5 145.3

Temperatura del ducto (°C) (Ta)

Corriente (A)

Velocidad del aire (m/s)

26.9 26.0 25.5 25.1 24.7

2.2 2.2 2.2 2.2 2.2

0.91 1.86 2.75 3.66 2.57

Tabla 3. Datos obtenidos correspondientes a convección forzada. Voltaje: 13 V.

Temp. calentador (°C) (Ta) 184.0 145.0 118.4 105.5 95.5

Temperatura del ducto (°C) (Ts)

Corriente (A)

Velocidad del aire (m/s)

27.5 26.7 25.7 25.3 24.9

1.7 1.7 1.7 1.7 1.7

0.91 1.81 2.74 3.68 4.56

Tabla 4. Datos obtenidos correspondientes a convección forzada. Voltaje: 10 V.

Tabla

Temp. calentador (°C) (Ts)

Temperatura del ducto (°C) (Ta)

Corriente (A)

Velocidad del aire (m/s)

104.9 85.5 74.4 64.7 60.4

27.4 26.6 26.0 25.3 25.7

1.2 1.2 1.2 1.2 1.2

1.04 1.87 2.72 3.79 4.60

Tabla 5. Datos obtenidos correspondientes a convección forzada. Voltaje: 7 V.

Voltaje (V) 16 13 10 7

Ts (K) 530.48 461.64 402.7 350.96

Ta (K) 296.52 298.64 299.02 299.74

V. aire (m/s) 2.710 2.748 2.740 2.784

Corriente (A) 2.6 2.2 1.7 1.2

Tabla 6. Datos promedio (Convección forzada)

Dimensiones del accesorio HT14 para mediciones de convección y radiación combinadas. Altura: 1.20 m Anchura: 0.35m Profundidad: 0.30m D= 0.01m CÁLCULOS Y RESULTADOS. Coeficiente promedio de transferencia de calor por radiación: H r m=σξF

( )

(Ts4−Ta 4 ) W (Ts−Ta ) m2 K

σ =56.7x10-9 (W/m2K) ξ =0.95 (Adimensional) F =1

Coeficiente promedio de transferencia de calor por convección forzada: 4

−9

H r m=(56.7 x 10 )( 0.95 )(1)

4

( )

(Ts −Ta ) W (Ts−Ta ) m 2 K

H f m=

( )

W k N um 2 D m k

Voltaje (V)

H r m=σξF

16

Resultado

(Ts4−Ta 4 ) W (Ts−Ta ) m2 K

( ) 4

27.158 W/ m 2 K

4

(662 −296.3 ) (662−296.3) (570 4−296.8 4 ) H r m=(56.7 x 10−9)( 0.95 )(1) (570−296.8) 4 4 (486.6 −297.2 ) H r m=(56.7 x 10−9)(0.95 )(1) (486.6−297.2) (399 4−297.4 4 ) −9 H r m=(56.7 x 10 )(0.95 )(1) (399−297.4 ) H r m=(56.7 x 10−9)(0.95 )(1)

13 10 7

19.282 W/ m 2 K 13.725 W/ m 2 K 9.289 W/ m 2 K

Tabla 7. Cálculos del coeficiente promedio de transferencia de calor por radiación. (Convección natural)

Voltaje (V)

H r m=σξF

16

Resultado

( )

(Ts4−Ta 4 ) W (Ts−Ta ) m2 K

16.452 W/ m 2 K

(530.48 4−296.52 4) H r m=(56.7 x 10 )(0.95 )(1) (530.48−296.52) 4 (461.64 −298.64 4 ) H r m=(56.7 x 10−9)(0.95 )(1) (461.64−298.64) (402.74 −299.024 ) H r m=(56.7 x 10−9)( 0.95 )(1) (402.7−299.02) (350.96 4−299.744 ) H r m=(56.7 x 10−9)(0.95 )(1) (350.96−299.74) −9

13 10 7

12.379 W/ m 2 K 9.391 W/ m 2 K 7.466 W/ m 2 K

Tabla 8. Cálculos del coeficiente promedio de transferencia de calor por radiación. (Convección forzada)

Voltaje U C =1.22 Ua (V) (m/s)

ℜ=

U C D Pr ν

ℜ 28200 ¿ 5 1+(¿ ¿ ) 8 ¿ ¿ 1

( )

16

3.31

1.609

0.70 8

1

(0.62 ℜ 2 Pr 3 ) ¿ N u m=0.3+ 2/ 3 1 /4 0.4 ) (1+ Pr 0.4146

13

3.35

1.631

10

3.34

1.627

7

3.40

1.653

0.70 8 0.70 8 0.70 8

0.4162 0.4159 0.4178

Tabla 9. Cálculos para la fórmula empírica del número de Nusselt.

Voltaje (V)

16 13 10 7

H f m=

Resultados

( )

W k N um 2 D m k

0.0262 W /mK 0.01 m 0.0262 W /mK H f m= 0.01 m 0.0262 W /mK H f m= 0.01 m 0.0262 W /mK H f m= 0.01 m H f m=

0.4146

1.086 W/ m 2 k

0.4162

1.090 W/ m 2 k

0.4159

1.089 W/ m 2 k

0.4178

1.094 W/ m 2 k

Tabla 10. Cálculos del coeficiente promedio de transferencia de calor por convección forzada.

Referencias. Çengel Y. A. y Ghajar A. J. (2011) Transferencia de Calor y Masa Fundamentos y Aplicaciones (4ª. Ed.) México, McGraw – Hill Incropera, F.P. y DeWitt D.P. (1999) Fundamentos de transferencia de calor, (4ª. Ed.) Prentice Hall-Pearson Education....