Laboratorio de Ingeniería Química II Convección forzada en una barra cilíndrica

Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de Química

Laboratorio de Ingeniería Química II

Convección forzada en una barra cilíndrica

Fernández Alonso Luis Daniel

Grupo 4 Lunes 15h-18h 

Problema a resolver

1. Una barra de cobre de dimensiones conocidas, inicialmente se encuentra a una temperatura máxima y súbitamente se sumerge en una corriente de aire que lleva cierta velocidad en un túnel de viento, donde el flujo de aire se controla a través de una válvula de compuerta. Indique: ¿en cuánto tiempo la barra tendrá una temperatura de 30 °C y cuánto calor habrá transferido al aire?, determine también el coeficiente de transferencia de calor promedio (hm) para una apertura del 100%, 70% y 50% en la válvula de compuerta. Adicionalmente, ¿cómo varia el coeficiente de transferencia de calor promedio en función de las velocidades promedio del aire?

Para que la barra tenga una temperatura de 30 °C se necesita un ΔT=6°C ya que la temperatura ambiente fue  24°C de para 50%, 70% y 100% corresponden tiempos aproximados de 196, 165, 127 segundos respectivamente.

Los coeficientes de transferencia de calor promedio para una abertura de 100%, 70% y 50% son de 176.161, 147.713 y 123.640 W/m2 °C respectivamente.

Lo que podemos observar es que al aumentar la abertura aumenta el flujo de aire y asimismo la velocidad en consecuencia al aumentar la velocidad del aire el coeficiente de transferencia de calor también aumenta.

1. Tomando en cuenta los mecanismos de transferencia de calor involucrados en esta experimentación explicar claramente cuál es la razón por la cual se enfría la barra. Observe claramente el valor numérico de los números de Biot obtenidos.

[pic 1]

[pic 2]

El numero adimensional de Biot muestra que tan fácil es para el material transmitir calor conforme a que mecanismo le es más simple disipar calor, para este caso predomina el mecanismo de conducción (Bi<<1) lo cual tiene sentido al ser una barra metálica pero de la gráfica Bi vs Re podemos observar el efecto del numero adimensional de Reynolds ya que al aumentar la velocidad del aire, aumenta este número y asimismo el Biot, mientras mayor sea la velocidad del aire circundante a la barra le será más fácil transferir el calor por convección, es por esta razón que una convección forzada disipa con mayor facilidad el calor.

Para el cobre seguirá siendo más sencillo ceder calor por conducción pero si la corriente de aire a la que es expuesta tiene altas velocidades la barra transferirá una mayor cantidad de calor por convección con respecto a velocidades bajas de aire.

Datos

Abertura 50%

...