Subido por Alejandra De La Cruz

1. CONVECCIÓN FORZADA (kevin)

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CONVECCIÓN FORZADA
MARTÍN GUERRERO, KEVIN MENDOZA, GERMAN NAVARRO, RICARDO SOLANO
ING. CRISÓSTOMO PERALTA
Universidad del Atlántico, Facultad de Ingeniería, Ingeniería Química
RESUMEN
Se empleó un intercambiador de calor por convección forzada para analizar las
características de dicho fenómeno y su dependencia con las variables involucradas en
este tipo de transferencia de calor. Se tomaron cuidadosamente los datos
correspondientes para hacer un estudio riguroso del fenómeno, se tabularon y se
realizaron los balances de masa y energía pertinentes para corroborar la teoría
presentada en la literatura; este artículo pretende explicar además de los fundamentos
necesarios, la metodología utilizada en el ensayo de laboratorio.
1. INTRODUCCIÓN
correlaciones empíricas de los datos,
basándose en el análisis dimensional
como guía. Las ecuaciones halladas en
esta forma todavía se utilizan mucho en
el diseño, posteriormente se ha
abordado el problema desde el punto de
vista teórico, y un conocimiento más
profundo de la transmisión de calor ha
permitido
desarrollar
ecuaciones
mejoradas que son aplicables a un
amplio intervalo de condiciones.1
Sin duda, uno de los casos más
importantes de transferencia de calor es
el flujo de calor hacia o desde una
corriente de fluido que circula con flujo
turbulento por una conducción cerrada,
especialmente tubos. La turbulencia se
presenta para números de Reynolds
superiores a aproximadamente 2000, y,
como la velocidad de transmisión de
calor es mayor para flujo turbulento que
para flujo laminar, es por esto que la
mayoría de los equipos operan en el
intervalo turbulento.1
La transferencia de energía entre una
superficie sólida a una temperatura
dada y un fluido adyacente en
movimiento a otra temperatura, juega
un papel prominente en el rendimiento
de muchos dispositivos de interés
práctico. Este proceso es conocido
comúnmente convección, y se divide en
Los primeros estudios sobre este caso
se dirigieron hacia la observación de
Operaciones básicas de ingeniería química,
Volumen 1. Warren L. McCabe. Editorial Reverté.
1
1
Transferencia de calor
dos ramas dependiendo de las causas
del movimiento del fluido convección
libre y convección forzada,2 de las
cuales, esta última fue el objeto de
estudio en el equipo utilizado.
El coeficiente de transferencia de calor
no es una propiedad termodinámica,
sino un parámetro empírico que
incorpora, en las expresiones de
transferencia de calor, la naturaleza del
modelo de flujo del fluido próximo a la
superficie, las propiedades del fluido y
la geometría del sistema. Cuando un
fluido es impulsado por ventiladores o
bombas, el valor del coeficiente ℎ es
generalmente mucho mayor que cuando
se
producen movimientos lentos
inducidos por el efecto de flotabilidad.2
2. MARCO TEÓRICO
La
transferencia
de
calor
por
convección libre, es un fenómeno que
se da espontáneamente debido al
movimiento “libre” del fluido a causa de
las
diferencias
de
densidades
provocadas por los gradientes de
temperatura en diferentes zonas del
fluido, sin embargo, para que tenga
lugar la transferencia de calor por
convección forzada, generalmente la
fuerza causante del movimiento del
fluido es ejercida por un dispositivo
mecánico
(bombas,
ventiladores,
sopladores etc.) que dirige el flujo hacia
el área de transferencia, no obstante, la
velocidad de transferencia para los dos
casos, puede calcularse por la
expresión empírica siguiente:
Tabla 1.2 Valores típicos de h.
APLICACIONES
h(w/m2K)
Convección natural
Gases
2-25
Líquidos
50-1000
Convección forzada
Gases
25-250
Líquidos
50-20000
En los estudios sobre convección, es
práctica común quitar las dimensiones a
las ecuaciones que rigen y combinar las
variables, las cuales se agrupan en
números adimensionales, con el fin de
reducir el número de variables totales.
También es práctica común quitar las
dimensiones
del
coeficiente
de
Transferencia de calor h con el número
de Nusselt, que se define como:
𝑄̇𝑐 = ℎ𝐴(𝑇𝑠 − 𝑇𝑓 )
Conocida como la ley de newton del
enfriamiento, donde 𝐴 es el área de la
superficie, 𝑇𝑠 es la temperatura de la
superficie y 𝑇𝑓 es la temperatura del
fluido fuera de la superficie. El factor de
proporcionalidad ℎ se llama coeficiente
convectivo de transferencia de calor.
𝑁𝑢 =
ℎ𝐿𝐶
𝑘
Donde k es la conductividad térmica del
fluido y Lc es la longitud característica.
2 Fundamentos de termodinámica técnica. Michael J.
Morán. Editorial reverté
2
Laboratorio de convección forzada
Este número recibió el nombre en honor
de Wilhelm Nusselt, quien realizó
contribuciones
significativas
a
la
transferencia de calor por convección
durante la primera mitad del siglo XX, y
se concibió como el coeficiente
adimensional de transferencia de calor
por convección.3
equipo, con ayuda de un termopar
(Termocupla)
se
medían
4
temperaturas, ubicados de la siguiente
manera: T1 la temperatura del agua
antes de entrar a la cámara, T2 la
temperatura de la superficie del tubo en
la parte inferior del mismo, T3 la
temperatura del agua en la salida de la
cámara y T4 la temperatura de la
superficie del tubo en la parte superior
del mismo. Medidas y anotadas estas
temperaturas, se procedía a medir el
flujo volumétrico del condensado que
quedaba en las paredes del tubo dentro
de la cámara y del flujo de agua en la
salida de la cámara, tomando cierto
volumen de agua en un determinado
tiempo. Este mismo procedimiento se
realizó para las alturas del nivel del
agua desde 2” disminuyendo hasta 0,5”.
En la vida diaria se usa la convección
forzada más de lo que se podría pensar.
Se recurre a la convección forzada
siempre que se quiera incrementar la
velocidad de la transferencia de calor
desde un objeto caliente. Por ejemplo,
se enciende el ventilador en los días
cálidos de verano para ayudar a que
nuestro cuerpo se enfríe de manera
más eficaz. Entre mayor sea la
velocidad del ventilador, mejor se
siente.3
3. METODOLOGIA
Para llevar a cabo la experimentación
se siguió el siguiente procedimiento:
Inicialmente
se
hacía
necesario
preparar el equipo para realizar las
corridas, por lo tanto, se estabilizo la
presión y temperatura del vapor que
entraba en la cámara, se estabilizo el
nivel de agua en 2” y el flujo de agua
que entraba por el tubo en medio de la
cámara, se estabilizó teniendo en
cuenta el nivel del agua. Teniendo las
condiciones adecuadas para trabajar,
se procedió a poner en marcha el
3
Transferencia de calor y masa. Yunus Cengel.
McGraw Hill.3ra ED.
3
Transferencia de calor
4. ANALISIS Y RESULTADOS
Luego de realizarse la práctica se obtuvieron una serie de datos, los cuales se
registraron de manera detallada en la tabla 1:
Tabla 1.Resumen de datos por cada corrida.
Convección forzada- corridas
1
2
3
4
5
Altura del vertedero en pulgadas (in).
2
1,75
1,5
1
0,5
Temperatura de entrada del agua. T1(°C)
30
28
28
29
30
Temperatura de la tubería en la parte inferior. T2 (°C)
43
44
43
49
52
Temperatura de salida del agua. T3 (°C)
33
30
31
32
38
Temperatura de la tubería en la parte superior. T4 (°C)
Caudal de agua, 𝑸̇𝒘 (mL/s).
50
56
54
58
64
36
29,03
36
30
11,3
Caudal de vapor condensado, 𝑸̇𝑪𝒐𝒏𝒅 (mL/s).
0,28
0,25
0,23 0,28 0,17
CÁLCULOS
1) Balances de Calor (BC):
1.1 BC en el tubo: para realizar en balance de calor en el tubo se aplica la siguiente
ecuación:
𝑄̇𝑇𝑢𝑏𝑜 = 𝑚̇𝐶𝑝 (𝑇1 − 𝑇3 )
Donde 𝑚̇ es el flujo másico del fluido, pero por definición 𝑚̇ = 𝑄̇ 𝜌, donde 𝑄̇ es el
flujo volumétrico y 𝜌 la densidad del fluido, así que la ecuación se expresa como:
𝑄̇𝑇𝑢𝑏𝑜 = 𝑄̇ 𝜌𝐶𝑝 (𝑇1 − 𝑇3 )
4
Laboratorio de convección forzada
Tabla 2. Valores obtenidos para las pérdidas de energía de la tubería, Q Tubo
Balance de calor en el tubo - corridas
1
2
3
4
5
Altura del vertedero en pulgadas (in).
2
1,75
1,5
1
0,5
Temperatura de entrada del agua. T1(°C)
30
28
28
29
30
Temperatura de salida del agua. T3 (°C)
33
30
31
32
38
Caudal de agua, 𝑸̇𝒘 (mL/s).
36
29,03
6
30
11,34
𝑪𝒑𝒂𝒈𝒖𝒂 (J/gK)
4,178
4,178
4,178
4,178
4,178
Densidad del agua 𝝆 (g/ml).
0,9954
0,9962
0,9961
0,9954
0,994
QTubo (J/s)
-449,15
-241,67
-449,46
-374,29
-376,75
La tabla 2 muestra los datos que intervienen en el cálculo del balance de calor en el
tubo. La densidad y el Cp del agua a la temperatura promedio del fluido (T 3-T1), se
encuentran en las tablas de propiedades del agua del libro de mecánica de fluidos de
Robert Mott (Apéndice A). En términos generales el flujo de energía se calcula así:
𝑄̇𝑐𝑘 = 𝑄̇𝑘 𝜌𝑘 𝐶𝑝𝑘 (𝑇𝑘 − 𝑇𝑘 )
Donde k representa la corrida correspondiente, de esta forma tenemos que, para la
corrida 1:
𝑄̇𝑐1 = (36
𝑚𝑙
𝑔
𝐽
) × (0,9954 ) × 4,178 ( ) × (303 − 306)𝐾
𝑠
𝑚𝑙
𝑔K
𝑄̇𝑐1 = −449,1483 𝐽/𝑠
Para las otras corridas los cálculos se realizaron de manera análoga, solo cambiando
los valores asociados a cada de ellas. El signo es negativo debido a que el calor está
siendo perdido por al tubo.
1.2) BC en la cámara: el balance de calor en la cámara se rige por la siguiente
ecuación:
𝑄̇ℎ = 𝑊̇ (𝜆 + [𝐶𝑝 (𝑇𝑣 − 𝑇𝑠 )])
En donde 𝑊̇ es el flujo másico de vapor, Tv es la temperatura del vapor, Ts es la
temperatura promedio de la superficie y 𝜆 es el calor latente del vapor.
Se sabe que 𝑚̇ = 𝑄̇ 𝜌, donde 𝑄̇ es el flujo volumétrico del condensado y 𝜌 la densidad
del agua (vapor). Si se remplaza esto en la ecuación anterior nos queda que:
𝑄̇ℎ = 𝑄̇𝐶𝑜𝑛𝑑 𝜌𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 (𝜆 + [𝐶𝑝 (𝑇𝑣 − 𝑇𝑠 )])
5
Transferencia de calor
Tabla 3. Cálculo de la energía del vapor del condensado, Qh vapor.
Balance de calor en la cámara- corridas
1
2
3
4
5
Altura del vertedero en pulgadas (in).
2
1,75
1,5
1
0,5
43
44
43
49
52
50
56
54
58
64
0,278
0,245
0,223
0,278
0,167
𝑪𝒑𝒂𝒈𝒖𝒂 (J/gK)
4,18
4,18
4,18
4,1814
4,1832
Densidad del agua 𝝆 (g/mL).
0,9894
0,988
0,9886
0,9866
0,984
Calor latente del vapor 𝝀 (J/g)
2255,10 2255,10 2255,10 2255,10 2255,10
Temperatura de la tubería en la parte
inferior. T2 (°C)
Temperatura de la tubería en la parte
superior. T4 (°C)
Caudal de vapor condensado, 𝑸̇𝑪𝒐𝒏𝒅
(mL/s).
Qh (vapor),(J/s)
669,19
594,65
538,69
669,62
402,80
La tabla 3 muestra los datos que intervienen en el cálculo del balance de calor en la
cámara de pruebas. Los valores de densidad y Cp del agua se encuentran tabulados a
la temperatura promedio del vapor (𝑇𝑣 − 𝑇𝑠 ).El calor latente del vapor ( 𝜆) , es el mismo
ℎfg del agua en estado de vapor saturado, y se encuentra en tablas termodinámicas. En
términos generales el flujo de calor se calcula así:
𝑄̇ℎ𝑘 = 𝑄̇𝑘𝐶𝑜𝑛𝑑 𝜌𝑘𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 (𝜆 + [𝐶𝑝𝑘 (𝑇𝑣𝑘 − 𝑇𝑠𝑘 )])
Donde k es la corrida correspondiente, de esta forma tenemos que, para la corrida 1:
𝑄̇ℎ1 = 0,27777
𝑚𝐿
𝑔
𝐽
𝐽
× 0,9894
× (2255,10 + [4,18
× (326,04 − 283,5)𝐾])
𝑠
𝑚𝐿
𝑔
𝑔𝐾
𝑄̇ℎ1 = 669,190
𝐽
𝑠
Seguidamente se realizan los cálculos de energía en la cámara de prueba para lo cual
se realizó el mismo procedimiento.
2. Coeficientes Individuales de Transferencia de Calor (CITC)
6
Laboratorio de convección forzada
2.1 CITC en el tubo: Se halla por medio de la Ley del enfriamiento de Newton
𝑄̇𝑐 = ℎ𝑡 𝐴(𝑇1 − 𝑇3 )
ℎ𝑡 =
𝑄̇𝑐
𝐴(𝑇1 − 𝑇3 )
El área del tubo se calcula con la siguiente ecuación:
𝐴=
𝜋 2
𝐷
4
El diámetro del tubo es de media pulgada:
0,0254𝑚
𝐷 = 0,5𝑖𝑛 × (
) = 0,0127𝑚
1𝑖𝑛
Por lo tanto el área es:
𝐴=
𝜋
(0,0127𝑚)2 = 1,2667 × 10−4 𝑚2
4
Tabla 4. Coeficientes de convección individuales para cada corrida en el tubo.
Coeficiente individual- tubo.
Corridas
1
2
3
4
5
QTubo (agua) (J/s)
-449,14
-241,67
-449,46
-374,29
-337,34
Área (𝒎𝟐 × 𝟏𝟎−𝟒 )
1,2667
1,2667
1,2667
1,2667
1,2667
Temperatura de entrada del agua T1 (°C)
30
28
28
29
30
Temperatura de salida del agua T3 (°C)
33
30
31
32
38
Coeficiente de convección ht(KW/m2°C)
1181,94
935,94
1182,7
984,95
332,89
La Tabla 4 nos muestra los coeficientes de convección asociados a cada corrida, y el
procedimiento expresado a continuación muestra el cálculo del coeficiente de
convección. El subíndice 1 indica que los datos son correspondientes con la corrida 1:
7
Transferencia de calor
ℎ𝑡1 =
𝑄̇𝑇𝑢𝑏𝑜
−449,148 𝑊
1𝑘𝑊
=−
×
(
)
(1,267 × 10−4 𝑚2 ) × (30 − 33)°𝐶
𝐴(𝑇1 − 𝑇3 )
1000𝑊
ℎ𝑡1 = 1181,94
𝑘𝑊
𝑚2 °𝐶
Para las otras corridas el cálculo es similar, solo se cambian los datos
correspondientes.
2.2) CITC en la cámara de pruebas: Por la Ley del enfriamiento de Newton se tiene
que, para la cámara de pruebas:
𝑄̇ℎ = ℎ𝑐 𝐴(𝑇𝑣 − 𝑇𝑠 )
ℎ𝑐 =
𝑄̇ℎ
𝐴(𝑇𝑣 − 𝑇𝑠 )
Según información de la guía de la experiencia, el diámetro externo de la cámara es de
5in:
0,0254𝑚
5𝑖𝑛 × (
) = 0,127𝑚
1𝑖𝑛
Por lo tanto el área de la cámara de prueba es:
𝐴=
𝜋
(0,127𝑚)2 = 1,2667 × 10−2 𝑚2
4
Tabla 5. Coeficientes de convección individuales para cada corrida en la cámara.
Coeficiente individual- cámara.
Corridas
1
2
3
4
5
Qh (vapor),(J/s)
669,19 594,65 538,69 669,62 402,80
Área (𝒎𝟐 × 𝟏𝟎−𝟐 )
1,2667 1,2667 1,2667 1,2667 1,2667
Temperatura de la tubería en la parte inferior. T2
(°C)
Temperatura de la tubería en la parte superior. T4
(°C)
Coeficiente de convección hc(KW/m2°C)
8
43
44
43
49
52
50
56
54
58
64
8,069
3,843
4,685
6,178
2,921
Laboratorio de convección forzada
La Tabla 5 muestra los coeficientes de convección por cada corrida, y el procedimiento
expresado a continuación indica las operaciones realizadas para hallar el coeficiente de
convección. El subíndice 1 indica que los datos son correspondientes con la corrida 1:
ℎ𝑐1 =
𝑄ℎ1
669,19 𝑊
1𝑘𝑊
=−
×(
)
−2
2
(1,2667 × 10 𝑚 ) × (53,04 − 46,5)°𝐶
𝐴(𝑇𝑣 − 𝑇𝑠 )
1000𝑊
ℎ𝑐1 = 8,609
𝑘𝑊
𝑚2 °𝐶
Para las otras corridas el cálculo es similar, solo se cambian los datos asociados a
ellas.
3) Coeficiente Global de Transferencia de Calor: Se obtendrá un coeficiente global
por cada corrida. Se determina con la siguiente ecuación, en la cual n representa la
corrida correspondiente:
(ℎ𝑡 )𝑛 × (ℎ𝑐 )𝑛
(𝑈)𝑛 =
(ℎ𝑡 )𝑛 + (ℎ𝑐 )𝑛
Tabla 6. Coeficientes globales de transferencia de calor para cada corrida.
Coeficiente global (U).
corridas
Coeficiente de convección-tubo
ht(KW/m2°C)
Coeficiente de convección-cámara.
hc(KW/m2°C)
Coeficiente global
U(KW/m2°C)
1
2
3
4
5
1181,93 935,9417 1182,76 984,9485 332,8950
8,069
3,843
4,685
6,178
2,921
8,014
3,827
4,666
6,140
2,895
4) Números Adimensionales
4.1) Número De Nusselt (Nu):
Representa la relación existente entre el calor transferido por convección a través del
fluido y el que se transferiría si solo hubiese conducción. Para un tubo circular, el
número de Nusselt se calcula así:
ℎ𝑡 𝐷
𝑁𝑢 =
𝐾
En donde D es el diámetro del tubo, ℎt es el coeficiente individual de transferencia de
calor en el tubo y k es la conductividad térmica del agua a la temperatura promedio.
9
Transferencia de calor
Tabla 7.Número de Nusselt para cada corrida en el tubo.
No de Nusselt.
corridas
1
2
3
4
5
Coeficiente de conveccióntubo ht(KW/m2°C)
1181,937
935,9417
1182,7694
984,9485
332,8950
Diámetro (D), m
0,0127
0,0127
0,0127
0,0127
0,0127
Conductividad térmica
K(KW/m°C)
0,0006185
0,0006190
0,0006178
Nu (adimensional)
24269,36
19239,9799 24313,9711 19666,524 6874,4170
0,0006128 0,0006150
Un valor de Nu= 1, para una capa de fluido, representa transferencia de calor a través
de ésta por conducción pura. Los resultados de la tabla 7 registran altos valores de
este número adimensional, por lo que se concluye que la convección es muy eficaz.
4.2) Número de Reynolds (Re):
Representa la relación que existe entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas
que actúan sobre un elemento de volumen de fluido. Es un indicativo del tipo de flujo
del fluido, laminar, de transición o turbulento. Para el cálculo de este número
adimensional se sigue la siguiente ecuación:
𝑄̇𝑠𝑎𝑙 𝜌
𝑅𝑒 =
𝐴µ
En la que 𝑄̇ es el flujo volumétrico, A es el área, µ la viscosidad y 𝜌 la densidad, ambas
a la temperatura promedio del agua.
Tabla 8. Número de Reynolds para cada corrida en el tubo.
No de Reynolds.
corridas
Caudal de agua, 𝑸̇w (m3/s)
1
2
3
4
5
36x10-6
29,03x10-6
36x10-6
30x10-6
11,33x10-6
Área (𝒎𝟐 × 𝟏𝟎−𝟒 )
1,2667
1,2667
1,2667
1,2667
1,2667
Densidad del agua (𝝆)
(kg/m3).
989,4
988
988,6
986,6
984
Viscosidad µ(kg/ms)
7,754x10-4
8,182x10-4
8,181x10-4
7,744x10-4
7,344x10-4
Re(adimensional)
362639,28
276760,68
343433,73 301733,31 119844,627
De acuerdo con los valores obtenidos para el número de Reynolds en la tabla 8 se
afirma que el flujo es turbulento (Re < 4000).
10
Laboratorio de convección forzada
4.3) Número de Prandtl (Pr):
Representa la relación que existe entre la difusividad molecular de la cantidad de
movimiento y la difusividad molecular del calor o entre el espesor de la capa límite de
velocidad y la capa límite térmica. Se calcula así:
µ 𝐶𝑝
𝑃𝑟 =
𝑘
Tanto como el Cp, la viscosidad y la conductividad térmica del agua fueron tomados a
la temperatura promedio de cada corrida.
Tabla 9. Número de Prandtl para cada corrida en el tubo.
Prandtl (Pr)Corridas
1
2
3
4
5
Cpagua(J/g*K)
4,178
4,178
4,178
4,178
4,178
Conductividad térmica K(W/m°C) 0,6185 0,6190 0,6178 0,6128 0,6150
Densidad del agua (𝝆) (kg/m3).
989,4
Viscosidad µ(g/ms)
988
988,6
986,6
984
0,7754 0,8182 0,8181 0,7744 0,7344
Pr(adimensional)
5,2378 5,5344 5,5326
5,28
4,9891
Cuando el fluido presenta mayor viscosidad, el número de Prandtl se hace mayor. Son
directamente proporcionales aunque el rango de variación no es tan alto. En la tabla 9
se puede observar dicho cambio.
5) Espesor de la Película (y): El espesor de la película en el interior del tubo se
calcula utilizando la siguiente expresión:
𝑘
𝑦=ℎ
𝑡
Donde k es la conductividad térmica del agua y ht el coeficiente individual de
transferencia de calor.
Tabla 10. Espesor de la película en el interior del tubo para cada corrida.
Espesor de la película.
corridas
1
2
3
Coeficiente de convección-tubo
ht(W/m2°C)
118193
935941,7
1182769,4
Conductividad térmica K(W/m°C)
0,6185
0,6190
0,6178
0,6128
0,6150
Espesor (y) (m)
5,23x10-7
6,61x10-7
5,22x10-7
6,22x10-7
1,84x10-6
11
4
5
984948,5 332895,0
Transferencia de calor
A partir de los resultados obtenidos en la tabla 10, podemos afirmar que el espesor de
la película es inversamente proporcional al coeficiente de convección. Mientras éste se
haga más grande, el espesor de la película disminuirá.
6) Gráficos
6.1) Re vs U: A continuación se muestra el análisis gráfico entre el coeficiente global
de transferencia de calor y el número de Reynolds en el tubo, basado en los datos
obtenidos en las tablas 6 y 8 respectivamente.
1000000
100000
10000
Ряд1
1000
Ряд2
100
10
1
0
1
2
3
4
5
6
Gráfica a. (log-log) Se presenta individualmente el número de Reynolds y el coeficiente
global de transferencia de calor, se puede observar que tienen comportamiento
semejante, d la corrida 1 a la 2 ambos descienden, de la corrida 2 a la 3 ambos
aumentan, de la corrida 4 a la 5 se vuelve a presentar descenso, por lo tanto, esto
indica una relación directa de proporcionalidad.
Re vs U
400000
300000
200000
Re vs U
100000
0
0
2
4
6
8
Gráfica b. Combinando cada curva obtenemos esta gráfica, en el eje X el número de
Reynolds y en el eje Y el coeficiente global de transferencia de calor. Notamos que
sigue el comportamiento ya descrito.
12
Laboratorio de convección forzada
6.2) Re vs y: A continuación se muestra el análisis gráfico entre el número de Reynolds
en el tubo y el espesor de la película en el interior de éste, basado en los datos
obtenidos en las tablas 8 y 10 respectivamente. Como el espesor es del orden de 10 7,10-6, resulta difícil mostrarlos en un mismo gráfico, debido precisamente a la
diferencia en las escalas, pues el número de Reynolds es del orden de 10.
Espesor (y)
0,000002
0,0000015
0,000001
espesor(y)
0,0000005
0
0
2
4
6
Gráfico a. Se presenta el espesor de la película en el interior del tubo. Se observa que
de la corrida 1 a la 2 aumenta, de la corrida 2 a la 3 disminuye ligeramente, y de la
corrida 3 a la 5 vuelve a ascender.
Reynolds
400000
300000
200000
reynolds
100000
0
0
2
4
6
Gráfico b. Se muestran los valores obtenidos del número de Reynolds para cada
corrida en el tubo. Como se puede ver tiene un comportamiento contrario al espesor de
la película, por lo tanto se puede deducir que son inversamente proporcionales.
13
Transferencia de calor
6.3) Relación entre el número de Reynolds y el número de Prandtl
(Nu/Pr^1/3)vs Re
100000
10000
1000
(Nu/Pr^1/3)vs Re
100
10
1
100000
1000000
Gráfico a. (log-log) Se muestra la relación del cociente entre el número de Prandtl a la
potencia de 1/3, Pr1/3 y el número de Nusselt en función del número de Reynolds. Esta
comparación gráfica se interpreta como una curva que tiene un Comportamiento igual
en cada corrida (ascendente).
De los cálculos anteriores se pueden
apreciar ciertos aspectos importantes,
uno de ellos es la relación proporcional
y directa existente entre los caudales de
salida y de condensado con sus
respectivos coeficientes individuales de
transferencia de calor en el tubo y en la
cámara. Dicho en otras palabras, el
agua que circulaba a mayor caudal
obtuvo una mayor transferencia de
calor, entre mayor fuera el caudal mayor
era también el calor ganado por el agua;
esto es debido a que por una mayor
presencia de flujo por el tubo es mayor
la superficie de contacto en el sistema
agua-tubo.
También por medio de los cálculos se
observó que si el flujo de calor es poco,
es debido a que la rata másica del fluido
también es poca, con esto se entiende
que habrá mayor transferencia de calor
por convección siempre y cuando los
caudales sean altos. Los coeficientes
individuales de transferencia de calor se
ven afectados por muchas variables,
tanto del fluido como del sistema. Es
labor de un ingeniero lograr controlar las
variables que puedan afectar el proceso
para evitar que se superen los rangos
permitidos para operar el equipo.
14
Laboratorio de convección forzada
5. CONCLUSIONES
De acuerdo a lo realizado en la
experiencia de laboratorio, se lograron
cumplir los objetivos claves de dicha
prueba, los cuales eran en hallar los
diferentes coeficientes de transferencia
de calor por convección, los cuales que
se obtenían al momento de aplicarle
una fuerza impulsora al fluido para
hacer que éste se moviera y generará
así un flujo continuo. Además de esto,
dicho coeficiente se utilizó para el
cálculo
de
diferentes
números
adimensionales.
A lo anterior, se dice que:
 Para números de Reynolds altos,
las fuerzas de fricción se hacen
despreciables.
 El número de Nusselt es
directamente proporcionales al
coeficiente de transferencia de
calor convectivo (h).
 A mayor velocidad del fluido
mayor será el número de
Reynolds.
mejoras y lograr mayor exactitud
en la práctica.
6. RECOMENDACIÓNES



Revisar y reparar las termocuplas
que conforman el sistema para la
práctica de convección forzada.
Asegurarse de que todos los
sensores
digitales
que
proporcionan los valores de
temperatura estén en buenas
condiciones.
Realizar un chequeo de todos los
equipos con el fin de realizar
15
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