• Analizar De Manera Cualitativa El Fenómeno De Enfriamiento De Un sólido (placa Plana, Cilindro, O Una Esfera) Metálico Por El Proceso De Convección Forzada Y Libre.

INFORME DE LABORATORIO N° 3

PRÁCTICA POR ENFRIAMIENTO POR CONVECCION FORZADA Y LIBRE.

TRABAJO PRESENTADO A:

Germán López

UNIVERSIDAD DE AMÉRICA

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS Y HUMANIDADES

ASIGNATURA TRANSFERENCIA DE CALOR I

BOGOTÁ

2010

OBJETIVO

Analizar de manera cualitativa el fenómeno de enfriamiento de un sólido (placa plana, cilindro, o una esfera) metálico por el proceso de convección forzada y libre.

MARCO TEORICO

CONVECCIÓN

La convección es el mecanismo transferencia de calor a través de un fluido con movimiento masivo de éste. En la convección existe movimiento del fluido a nivel macroscópico mientras que en la conducción existe movimiento a nivel microscópico, atómico o molecular, pero no a nivel macroscópico, entendiendo como nivel macroscópico movimiento de volúmenes relativamente grandes del fluido.

- La convección se clasifica en natural y forzada. En la convección forzada se obliga al fluido a fluir mediante medios externos, como un ventilador o una bomba. En la convección natural el movimiento del fluido es debido a causas naturales, como el efecto de flotación, el cual se manifiesta con la subida del fluido caliente y el descenso del fluido frio.

- La convección forzada se clasifica a su vez en externa e interna dependiendo de si el flujo de fluido es interno o externo. El flujo de un fluido se clasifica como interno o externo dependiendo de si se fuerza al fluido a fluir por un canal confinado (superficie interior) o por una superficie abierta. El flujo de un fluido no limitado por una superficie (placa, alambre, exterior de un tubo) es flujo externo. El flujo por un tubo o ducto es flujo interno si ese fluido está limitado por completo por superficies sólidas. El flujo de líquidos en un tubo se conoce como flujo en canal abierto si ese tubo está parcialmente lleno con el líquido y se tiene una superficie libre.

- La velocidad de transferencia de calor a través de un fluido es mucho mayor por convección que por conducción. Cuanto mayor es la velocidad del fluido mayor es la velocidad de transferencia de calor.

- La transferencia de calor por convección depende de las propiedades del fluido, de la superficie en contacto con el fluido y del tipo de flujo. Entre las propiedades del fluido se encuentran: la viscosidad dinámica m, la conductividad térmica k, la densidad r. También se podría considerar que depende de la viscosidad cinemática n, puesto que n = m /r . Entre las propiedades de la superficie que intervienen en la convección están la geometría y la aspereza. El tipo de flujo, laminar o turbulento, también influye en la velocidad de transferencia de calor por convección.

- En cualquier caso, la velocidad de transferencia de calor por convección siempre es proporcional a la diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido. Este hecho se modela matemáticamente mediante la Ley de Enfriamiento de Newton:

Donde Ts es la temperatura de la superficie en contacto con el fluido y Tf es la temperatura del fluido lo suficientemente lejos de dicha superficie. La influencia de las propiedades del fluido, de la superficie y del flujo se cuantifica en el coeficiente de película o coeficiente de transferencia de calor por convección ( h ) .

NÚMEROS ADIMENSIONALES

En el análisis de la convección es práctica común quitar las dimensiones a las expresiones físico-matemáticas que modelan el mecanismo y agrupar las variables, dando lugar a los números adimensionales. En convección se emplean los siguientes números adimensionales:

- A) Número de NUSSELT (Nu).

Representa la relación que existe entre el calor transferido por convección a través del fluido y el que se transferiría si sólo existiese conducción.

-- Se considera una capa de fluido de espesor L con sus superficies a diferentes temperaturas T1 y T2, T1 > T2, DT = T1 - T2, como se muestra en la figura:

-- El flujo de calor debido a la convección será: Q = h (T1-T2 , mientras que el flujo de calor si sólo existiera conducción sería Qconduccion=(K (T1-T2))/L Dividiendo ambas expresiones:

-- En general: donde Lc es la longitud característica.

-- Para un tubo circular: donde D es el diámetro interior del tubo.

-- Para un tubo no circular:

Donde Dhid es el diámetro hidráulico = (4 Ac) / p;

Ac: área de la sección transversal del tubo;

p: perímetro de la sección transversal

- Cuanto mayor es el número de Nusselt más eficaz es la convección

- Un número de Nusselt de Nu = 1, para una capa de fluido, representa transferencia de calor a través de ésta por conducción pura.

- El número de Nusselt se emplea tanto en convección forzada como natural

B ) 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:

-- El número de Prandtl va desde menos de 0.01 para los metales líquidos hasta más de 100.000 para los aceites pesados. El Pr es del orden de 10 para el agua. Los valores del número de Prandtl para los gases son de alrededor de 1, lo que indica que tanto la cantidad de movimiento como de calor se difunden por el fluido a una velocidad similar. El calor se difunde con mucha rapidez en los metales líquidos ( Pr << 1 ) y con mucha lentitud en los aceites ( Pr >> 1 ) en relación con la cantidad de movimiento. Esto indica que la capa límite térmica es mucho más gruesa para los metales líquidos y mucho más delgada para los aceites, en relación con la capa límite de velocidad. Cuanta más gruesa sea la capa límite térmica con mayor rapidez se difundirá el calor en el fluido.

- EL NÚMERO DE PRANDTL SE EMPLEA TANTO EN CONVECCIÓN FORZADA COMO NATURAL.

C) 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 un fluido. Es un indicativo del tipo de flujo del fluido, laminar o turbulento.

- Donde Uf es la velocidad del flujo del fluido a una distancia lo suficientemente alejada de la superficie.

- Lc es la longitud característica: para una placa plana Lc = distancia al borde de ataque de la placa. Para un tubo de sección circular Lc =

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