Conveccion Forzada

PRÁCTICA DE LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Obtención de una correlación experimental en convección forzada

Grupo de clase: Aula 207

Intensificación: Automática Industrial

Grupo de Prácticas: Miércoles 17 Diciembre 16:30

Amalia Luque Sendra

3º Ingeniería Industrial

Diciembre 2003

Datos:

Resistencia del calentador: 68.6

Área sección transversal del conducto: 0.00975

Presión atmosférica: 101300 Pa

Diámetro del cilindro: 15.8 mm = 0.0158 m

Propiedades (evaluadas a la temperatura media de película, como figuraba en el enunciado de la práctica) :

• Medida 1

• Medida 2

• Medida 3

• Medida 4

• Medida 5

En esta práctica se pretende obtener una correlación experimental en convección forzada, en una configuración de flujo externo normal a un cilindro. Para eso hacemos incidir una corriente de aire alrededor de un cilindro, y hacemos las mediciones necesarias. Vamos a medir la temperatura superficial (del cilindro), la temperatura de aire en el conducto, la depresión del aire en la entrada y la tensión del calefactor. Tenemos sendos sensores térmicos que nos proporcionan la temperatura en la superficie del cilindro y la temperatura del aire. La depresión del aire en la entrada se mide mediante un manómetro de columna de agua y la tensión del calefactor es accesible a través del control del calefactor.

Empezamos comprobando que el conmutador de suministro eléctrico y el ventilador están desconectados. Conectamos el medidor de presión del conducto al tubo de la derecha del manómetro superior, comprobando que el cero de la escala está ajustado. Cerramos el amortiguador de iris en la descarga o salida del ventilador, situando la palanca en la posición 8, para obtener una corriente de aire lenta. Accionamos el conmutador de voltaje a la tensión deseada (en este caso 40 V). En este caso, como el experimento lo vamos a realizar a flujo de calor constante, la tensión permanece constante a lo largo de toda la experiencia. Esperamos a alcanzar condiciones de operación estables (temperatura superficial estable), y anotamos los valores de las variables necesarias. Ajustamos el amortiguador del iris en la salida del ventilador para incrementar la depresión del aire en la boca de entrada, y por tanto la velocidad del aire, y repetimos el proceso hasta alcanzar el máximo caudal de aire (amortiguador del iris totalmente abierto).

Una vez terminado el experimento, tenemos la siguiente tabla de valores experimentales:

Prueba nº 1 2 3 4 5

Temperatura superficial (ºC) 94.5 75.3 67.2 63.3 62.3

Temperatura del aire en conducto (ºC) 19.8 19.8 19.8 19.8 19.8

Posición de la compuerta del ventilador 8 6 4 2 0

Depresión de aire en la entrada (mmca) 8 23 41 56 65.5

Voltaje del calefactor (V) 40 40 40 40 40

Con este experimento pretendemos obtener una correlación experimental en convección forzada, que relacione el número de Nusselt con el número de Reynolds. Por eso hemos medido estas variables en el experimento. El número de Nusselt depende del coeficiente de película (que a su vez depende del salto térmico), del flujo de calor (dado por la tensión del calefactor), de la geometría y de las propiedades. El número de Reynolds a su vez depende de la velocidad del aire (que se calcula a partir de la caída de presión en la boca de entrada), de la geometría y de las propiedades. Con los datos obtenidos experimentalmente podemos calcular el Nu y el Re para cada uno de los puntos.

El flujo de calor q que disipa la resistencia es el que se transfiere por convección (y eventualmente por radiación), y permanece constante durante todo el experimento. Podemos calcularlo mediante la expresión de potencia disipada en una resistencia:

,

donde R es la resistencia del calentador y V el voltaje del calefactor.

Apartado 1: Radiación despreciable

En esta primera aproximación suponemos que las pérdidas por radiación son despreciables en comparación con la transferencia convectiva, y asumimos que todo el calor disipado por la resistencia se transfiere por convección.

• Medida 1

Todo el calor disipado por la resistencia se transfiere por convección:

,

donde A es el área de la sección transversal del conducto, T es la temperatura superficial del cilindro, T es la temperatura del aire en el conducto y h es el coeficiente de película. De esta expresión podemos despejar el coeficiente de película, que queda

Calculamos la velocidad del aire a partir de la caída de presión en la boca de entrada, mediante la expresión

donde es la depresión del aire en la entrada y es la presión atmosférica. Así

.

Obtenemos el número de Nusselt a partir del coeficiente de película como

,

donde D es el diámetro del cilindro y k la conductividad.

El número de Reynolds se puede obtener también mediante la expresión

,

donde es la viscosidad del aire. De este modo

• Medida 2

Todo el calor disipado por la resistencia se transfiere por convección:

,

donde A es el área de la sección transversal del conducto, T es la temperatura superficial del cilindro, T es la temperatura del aire en el conducto y h es el coeficiente de película. De esta expresión podemos despejar el coeficiente de película, que queda

Calculamos la velocidad del aire a partir de la caída de presión en la boca de entrada, mediante la expresión

donde es la depresión del aire en la entrada y es la presión atmosférica. Así

.

Obtenemos el número de Nusselt a partir del coeficiente de película como

,

donde D es el diámetro del cilindro y k la conductividad.

El número de Reynolds se puede obtener también mediante la expresión

,

donde

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