ANÁLISIS DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR DE UNA HABITACION CON UN SISTEMA DE EXTRACCIÓN TERMICO. ANALYSIS OF HEAT TRANSFER OF A ROOM WITH A HEAT EXTRACTION SYSTEM Mendia Erika1, Torres Cristian2
Resumen
Abstract
En el presente informe se realiza dos análisis uno estacionario y otro trascendente de la transferencia de calor existente dentro de una habitación con un sistema de extracción térmico, dicha transferencia se da entre las paredes de la habitación y el aire interno de la habitación, estos análisis se los realizo a partir de simulaciones realizadas con el software ANSYS con su módulo CFX. Se trata de una habitación cubica la cual cuenta con el sistema extractor en la parte superior, además de que 3 de sus paredes laterales y el suelo cuentan con el mismo coeficiente convección respecto con el aire, la pared lateral restante cuenta con un coeficiente distinto al resto, dicha habitación se encontrara a una temperatura inicial elevada para lo cual se analizara el enfriamiento que sufre la misma, analizando trasferencia por convección y radiación, para lo cual luego se establecen comparaciones entre los resultados de las simulaciones transitorias y la estacionaria planteadas.
In this report two analyzes a stationary and another transcendent transfer heat inside a room with a system of heat extraction is performed, the transfer is between the walls of the room and the indoor air of the room, these analyzes They were performed from the simulations performed with ANSYS CFX software with the module. It is a cubic room which has the exhaust system on top, plus 3 of its side walls and floor have the same coefficient convection, the remaining side wall has a different from the rest coefficient, said room it is found at a high initial temperature to which the cooling suffers the same be analyzed, analyzing transfer by convection and radiation, for which then comparisons between the results of transient simulations and are set stationary raised.
Convection, transient, heat transfer.
Keywords:
stationary,
radiation,
Convección, estacionario, radiación, transitorio, transferencia de calor.
Palabras
1
Clave:
Estudiante de la carrera de Ingeniería Mecánica. Universidad Politécnica Salesiana – Ecuador – sede Cuenca. Autor para correspondencia:
[email protected] 2 Estudiante de la carrera de Ingeniería Mecánica. Universidad Politécnica Salesiana – Ecuador – sede Cuenca. Autor para correspondencia:
[email protected] 1
1. Introducción Ansys es un software que nos ayuda a simular de manera real el comportamiento de objetos, fluidos, etc. Cuenta con diferentes herramientas entre la cuales encontramos el CFX que es el que se utilizó en el presente informe para poder realizar la transferencia de calor que se está analizando. El CFX es un software completo para el análisis de la dinámica de fluidos, además de una amplia gama de fenómenos que va desde la aerodinámica, la hidrodinámica, la combustión, los flujos de reacción y la transferencia de calor. Haciendo referencia a la transferencia de calor decimos que siempre que exista un gradiente de temperatura en un sistema o siempre que dos cuerpos con diferentes temperaturas entren en contacto, por lo que en el presente informe lo que se desea es analizar la transferencia de calor por convección y radiación que se da entre las paredes de una habitación, un extractor térmico y el aire interno de la misma, la cual se encuentra con una temperatura inicial de 20°C.
El flujo de calor por convección es positivo si (h>0) es decir si el calor se transfiere desde la superficie de área A al fluido Ts>Tinf y negativo si el calor se transfiere desde el fluido hacia la superficie Ts
1.2 Transferencia de calor por radiación Es el calor emitido por un cuerpo debido a su temperatura, en este caso no existe contacto entre los cuerpos, ni fluidos intermedios que transporten el calor. Simplemente por existir un cuerpo A (sólido o líquido) a una temperatura mayor que un cuerpo B existirá una transferencia de calor por radiación de A a B.[1] Es necesario conocer valores de emisividad de las superficies que intervienen, además para que este fenómeno se perciba es necesario un cuerpo a una temperatura bastante elevada ya que la transferencia térmica en este caso depende de la diferencia de temperaturas a la cuarta potencia. Para calcular esta transferencia de calor se puede emplear la ecuación (2). [2] = (1 4 − 2 4 )
Marco teórico 1.1 Transferencia de calor por convección. La convección es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masa, es la forma más eficiente y común de transferir calor a través de líquidos y gases. Ocurre cuando algunas regiones de un fluido se vuelven más calientes que otras, causando corrientes en el fluido que lo mueven para distribuir el calor de una manera más uniforme. La transmisión de calor por convección se compone de dos mecanismos simultáneos. El primero es por convección natural, que puede ser un gradiente de densidad, el segundo por convección forzada lo cual es una diferencia de presión producida mecánicamente o puede ser una combinación de ambas. La cantidad de calor transferido por convección, se rige por la ley de enfriamiento de Newton (1). [1]
(2)
2. Situación Física Inicialmente se tiene una habitación cubica con una temperatura inicial interna de 20°C, de las cuales sus paredes tendrán sus respectivos coeficientes de convección y emisividad, en la parte superior de la habitación se cuenta con un extractor térmico. La descripción física del problema se puede observar en la figura 1 mientras que en la tabla 1 se pueden observar las condiciones iniciales del problema.
(1)
Figura 1. Condición física de la habitación. 2
Apellido Autor et al / Titul o del Articulo
Tabla 1. Especificaciones para la experimentación Coef. Elemento Emisividad Convectivo Paredes 10 0.8 1,2,3 y suelo a 10 °C Pared 4 4.1189 0.8 a 10°C Extractor 0.9
3. Modelo Matemático Para el calculo de transferencia de calor por convección se puede modelar con la ecuación (3).[2] = ̅ℎ ( − ,∞)
Figura 2. Comportamiento simulación, estado estacionario.
4.2.
(3)
4.2.1. Simulación a 20 min y 10 s para cada iteración
Donde el coeficiente convectivo dependerá del tipo de fluido en este caso del aire, sus propiedades como la densidad, viscosidad, la conductividad térmica y la capacidad calorífica (4). [2] ℎ=
∗
Simulaciones de estado transitorio
Tabla 3: Resultados de simulación a 20 min.
(4)
Donde Nusselt en este dependerá de un caso de enfriamiento (5). [2]
Datos
Máximo Valor
Mínimo Valor
Temperatura
295 K
279.6 K
291 K
Localización
Extractor térmico.
Paredes laterales.
Interior habitación
Valor Medio
(5) Para calcular transferencia de calor por radiación se emplea la ecuación (2). [2] = (1 4 − 2 4 )
(2)
Al final todas estas trasferencias tendrán que ser combinadas mediante el coeficiente global de trasferencia de calor (6). [2] = (∆) (6) Figura 3. Comportamiento a los 20 min, simulación estado
4. Análisis de Resultados 4.1.
transitorio.
Simulación de estado estacionario
4.2.2. Simulación a 30 min y 10 s para cada iteración
Tabla 2: Resultados de simulación estado estacionario. Datos
Máximo Valor
Mínimo Valor
Valor Medio
Temperatura
293 K
279.9 K
289.5 K
Localización
Extractor térmico.
Paredes laterales.
Interior habitación
3
4.2.4. Simulación a 50 min y 20 s para cada iteración
Tabla 4: Resultados de simulación a 30 min. Datos
Máximo Valor
Mínimo Valor
Valor Medio
Temperatura
293.1 K
282.3 K
290.7 K
Datos
Máximo Valor
Mínimo Valor
Valor Medio
Localización
Extractor térmico.
Paredes laterales.
Interior habitación
Temperatura
293.1 K
283.6 K
288.9 K
Localización
Extractor térmico.
Paredes laterales.
Interior habitación
Tabla 5: Resultados de simulación a 50 min.
Figura 4. Comportamiento a los 30 min, simulación estado transitorio.
4.2.3. Simulación a 40 min y 20 s para cada iteración
Figura 5. Comportamiento a los 50 min, simulación estado transitorio
4.2.5. Simulación a 60 min y 1 min para cada iteración
Tabla 5: Resultados de simulación a 40 min. Datos
Máximo Valor
Mínimo Valor
Temperatura
294.1 K
280 K
Localización
Extractor térmico.
Paredes laterales.
Valor Medio
Tabla 6: Resultados de simulación a 60 min.
290.5 K Interior habitación
Datos
Máximo Valor
Mínimo Valor
Valor Medio
Temperatura
293.1 K
282.4 K
289.6 K
Localización
Extractor térmico.
Paredes laterales.
Interior habitación
Figura 5. Comportamiento a los 40 min, simulación estado transitorio.
Figura 6. Comportamiento a los 60 min, simulación estado transitorio 4
Apellido Autor et al / Titul o del Articulo
4.2.6. Simulación a 90 min y 1 min para cada iteración
diferentes y una parte superior únicamente trabaja con radiación por lo que el cuarto se va enfriando, el primer análisis en estado estacionario únicamente me da un resultado concreto del análisis en que se indica que ingresa calor con un temperatura de 293 y conforme pasa por el cuarto hacia la otra pared se observa que se va enfriando hasta una temperatura de 282K. Para analizar esto de una forma trascendente es decir con respecto al tiempo en el mismo programa se debe seleccionar la opción transient y colocar ciertos parámetros el mismo que me permiten realizar el análisis de la mejor manera se fue analizando con diferentes periodos de tiempo e iteraciones entre el tiempo, lo que se muestra en la tabla 1 en la parte de análisis de resultados lo que se pretende es identificar que va a llegar a un punto en el que las dos graficas serán similares porque debería llegar a un punto de equilibrio y tener las dos graficas similares que es lo que se obtuvo. Con un resultado de análisis de una hora y 5 minutos y 55 segundos entre cada iteración, como se puede observar.
Tabla 6: Resultados de simulación a 90 min. Datos
Máximo Valor
Mínimo Valor
Valor Medio
Temperatura
293.1 K
282.3 K
289.5 K
Localización
Extractor térmico.
Paredes laterales.
Interior habitación
Figura 6. Comportamiento a los 90 min, simulación estado transitorio
4.3.Comparación de resultados
Referencias
Tabla 7: Comparación de simulaciones. Simulación
Temperatura Máx. Valor
Temperatura Mín. Valor
Estacionaria
293 K
279.9 K
289.5 K
Transitoria 30 min
293.1 K
282.3 K
290.7 K
Transitoria 60 min
293.1 K
282.4 K
289.6 K
Transitoria 90 min
293.1 K
282.3 K
289.5 K
[1] «Radiación, conducción y convección: tres formas de transferencia de calor | Nergiza», Nergiza. [En línea]. Disponible en: http://nergiza.com/radiacion-conduccion-yconveccion-tres-formas-de-transferencia-decalor/. [Accedido: 31-oct-2016].
Temperatura Valor Medio
[2] «TRANSFERENCIA DE CALOR». [En línea]. Disponible en: http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T165.htm. [Accedido: 31-oct-2016].
5. Conclusiones Inicialmente se tiene un cuarto en donde se está realizando convección natural entre las paredes del mismo tres de las paredes tienen un misma temperatura y coeficiente convectivo similar, sin embargo una de ellas tiene un coeficiente convectivo diferente y una temperatura diferente. Cabe recalcar que todas ellas se analizaron con coeficientes de emisividad 5
