Conveccion Natural Y Forzada

CONVECCIÓN NATURAL Y FORZADA

OBJETIVOS

Determinar el valor de la resistencia térmica de un radiador de aluminio cuando se enfría por convección natural y por convección forzada mediante un ventilador.

Poner de manifiesto la eficacia de la convección forzada para disminuir la resistencia térmica.

Verificar la expresión H = hAΔT.

Calcular los valores de los coeficientes de convección natural y forzada.

FUNDAMENTO TEÓRICO

La transferencia de calor de un lugar a otro por el movimiento de un fluido recibe el nombre de convección. Si la sustancia se mueve por la acción de un ventilador o bomba se llama convección forzada y si lo hace por una fuerza de empuje creada por una diferencia de densidad, consecuencia de una diferencia de temperatura a presión constante, se llama convección natural o libre.

En la convección natural, entre mayor sea la diferencia de temperatura entre el fluido adyacente a una superficie caliente (o fría) y aquel que está lejos de ella, mayor será la fuerza de empuje y más fuertes las corrientes de convección natural, y como consecuencia, más alta será la velocidad de la transferencia de calor. La teoría matemática de la convección del calor es compleja, pues el calor transferido en la interfase de contacto entre un sólido y un fluido a temperaturas distintas depende de muchas circunstancias entre las que destacamos:

Que la superficie de contacto, sea plana o curva, horizontal o vertical.

Que el fluido sea líquido o gas.

La velocidad de masa, la densidad, viscosidad, calor específico, conductividad térmica, vaporización o condensación del fluido, etc.

A pesar de la complejidad de la convección, se observa que la rapidez de la transferencia de calor por convección es proporcional a la diferencia de temperaturas y se expresa en forma conveniente por la ley de Newton del enfriamiento como:

H = hAΔT (1)

Donde, h es el coeficiente de transferencia de calor por convección, en W/m2°C o Btu/h.ft2.°F, H es el flujo calorífico ó corriente térmica (la cantidad de energía que se transfiere por unidad de tiempo) A es el área de contacto sólido-fluido y ΔT la diferencia de temperatura entre la superficie y la masa principal del fluido.

Definimos también la resistencia térmica como:

RT = ΔT / H (2)

Las resistencias térmicas del radiador enfriado por convección natural (RTN) y forzada (RTF) se calculan (en primera aproximación) mediante la ecuación 2, donde ΔT es la diferencia entre la temperatura de equilibrio del radiador calentado por la resistencia y la temperatura del ambiente (laboratorio) mientras H es el flujo calorífico que, en el equilibrio, será igual a la potencia eléctrica que calienta al radiador (RI2).

3. RESUMEN ( )

En este presente tema llamado “CONVECCION NATURAL Y FORZADA” encontraremos la resistencia térmica de un radiador de aluminio tanto natural y forzada por medio de un ventilador, en el cual verificaremos la eficacia de la convección forzada, para esto utilizaremos, los respectivos materiales eh instrumentos los cuales nos ayudaran a encontrar las diferentes variables, como son la temperatura, el tiempo con el cambio de temperatura con la respectiva intensidad de corriente, regla para medir el área del radiador, entre otras medidas, estas son las que se utilizaran para desarrollas las diferentes fórmulas que este tema presenta y así hallar poder hallar las respectivas las cuales obtuve son las siguientes: RTN= 10.99 °C/W y RTF=1.57 °C/W.

4. MATERIALES E INSTRUMENTOS ( )

Materiales Instrumentos Precisión

Fuente Termómetro 0,1 °C

Cables Conectores Cronometro 0,01 s

Radiador Amperímetro 0,001 A

Ventilador Ohmímetro 0,1 Ω

Balanza 1x10-4 Kg

Wincha 1x10-3 m

5. PROCEDIMIENTO Y DATOS EXPERIMENTALES ( )

Medir :

Área del radiador, A= (10.5 ± 1x10-3) m2

Masa del radiador, mr= (0.0811 ± 1x10-4) Kg

Temperatura ambiente, Ta = (25 ± 0,1) °C

Temperatura Final, Tf=(35.5 ± 0.1) °C

Corriente Electrica I=(08.05 ± 0.001)A

Resistencia eléctrica R = (11.8 ± 0.1) Ω

Acondicionar el termómetro y el amperímetro (en la escala de 10 A) al equipo de convección según la Fig. 1. Activar en el mismo instante la fuente de alimentación y el cronómetro.

Fig. 1. Equipo sugerido para la realización de la práctica.

Leer el termómetro y el amperímetro cada dos minutos anotando las lecturas en la tabla 1. El proceso anterior culmina hasta que la temperatura del radiador se estabilice (unos 65 -70 ºC aproximadamente).

TABLA 1. Valores de tiempo y temperatura.

N 1 2 3 4 5 6 7 8 9

t (min) 2 4 6 8 10 12 14 16 18

T (ºC) 26.8 31.1 35.3 38.9 41.7 44 46 46.8 47.7

I(A) 0.805 0.808 0.804 0.800 0.808 0.798 0.804 0.815 0.816

t (min) 20 22 24 26 28 30 32 34 36

T (ºC) 48.9 50 50.9 51.7 52.3 52.8 53.3 53.8 54.1

I(A) 0.810 0.803 0.805 0.802 0.807 0.804 0.808 0.804 0.794

Prenda el ventilador y observe el cambio de temperatura del disipador hasta que llegue nuevamente al equilibrio. Anotamos esta temperatura, Tf.

Tf= (35.5 ± 0.1) °C

Calcular la potencia eléctrica, P, con los valores de la resistencia R y corriente eléctrica, I.

Graficar H vs ΔT.

6. PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS: ( )

A. Convección natural

A.1. Método grafico

Calcule el valor promedio de la corriente eléctrica y determine la potencia eléctrica P.

I=0.805 A P=I2R=7.64 W

Para realizar los cálculos dirigidos a verificar la expresión H= hAΔT llene la tabla 2 según indicaciones adjuntas a la tabla.

t, tiempos de cada lectura.

T, temperaturas correspondientes para cada tiempo t.

t,

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