Universidad Tecnológica de Panamá Facultad de Ingeniería Eléctrica Ingeniería Electromecánica
Laboratorio de Transferencia de Calor Gruo !"IE"!#! $%&
Informe ' ( )Convección for*ada sobre una laca lana vertical con aletas de sección transversal rectangular sometida a un +u,o de calor constante-
Candanedo. /ulio !1#2 Lee. /uan 3#4 5avarro. 6icente !7(1
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9asamoto. %drián 4#!#
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Introducción La conv convec ecci ción ón es una una de las las tres tres form formas as de transf transfer erenc encia ia de calor calor y y se cara caract cter eriz iza a porq porque ue se prod produc uce e por por medi medio o de un uido (líqu (líquido ido o gas) gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. temperaturas. La convección se prod produc uce e única únicame ment nte e por por medi medio o de mate materi rial ales es,, la evap evapor orac ació ión n del del agua agua o uidos. uidos. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio del movimiento del uido, por ejemplo al trasegar el uido por medio de !om!as o al calentar agua en una cacerola, la que est" en contacto con la parte de a!ajo de la cacerola se mueve #acia arri!a, mientras que el agua que est" en la super$cie, desciende, ocupando el lugar que dejó la caliente. La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o gas o un líquido. líquido. %e incluye tam!i&n el intercam!io de energía entr entre e una una super$cie sólida y sólida y un uido o por medio de una !om!a, !om!a, un ventilador u ventilador u otro otro dispositivo mec"nico (convección mec"nica, forzada o asistida). 'n la transferencia de calor li!re o natural un uido es m"s caliente o m"s frío y en contacto con una super$cie sólida, causa una circulación de!ido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el uido. n interc intercam! am!iad iador or de calor calor es un dispos dispositi itivo vo constr construid uido o para para interc intercam! am!iar iar e$cientemente el calor de un uido a otro, tanto si los uidos est"n separados por una pared sólida para prevenir su mezcla, como si est"n en contacto directo. Los cam!iadores de calor son muy usados en refrigeración, refrigeración, aco acondic ndicio iona nami mien entto de air aire , calefacción, calefacción, pro producc ducció ión n de energía, energía, y procesamiento químico. n ejemplo !"sico de un cam!iador de calor es el radiador de un coc#e, en el que el líquido de radiador caliente es enfriado por el ujo de aire so!re la super$cie del radiador. Las disposiciones m"s comunes de cam!iadores de calor son ujo paralelo, contracorriente y ujo cruzado. 'n el ujo paralelo, am!os uidos se mueven en la misma dirección durante la transmisión de calor en contracorriente, los uidos se mueven en sentido contrario y en ujo cruzado los uidos se mueven
formando un "ngulo recto entre recto entre ellos. Los tipos m"s comunes de cam!iadores de calor son de carcasa y tu!os, de do!le tu!o, tu!o e*truido con aletas, tu!o de aleta espiral, tu!o en , y de placas. +uede o!tenerse m"s información so!r so!re e los los ujo ujos s y con$ con$gu gura raci cion ones es de los los cam! cam!ia iado dorres de calo calorr en el artículo intercam!iador de calor. calor . uan uando do los los inge ingeni nier eros os calc calcula ulan n la tran transf sfer erenc encia ia teór teóric ica a de calo calorr en un intercam!iador, de!en lidiar con el #ec#o de que el gradiente de temperaturas entre entre am!os am!os uidos uidos varía varía con con la posici posición. ón. +ara soluci soluciona onarr el pro!l pro!lema ema en sist sistem ema as simp simplles, es, suel suele e usar usarse se la dife difere renc ncia ia de temp tempera eratu tura ras s medi media a logarítmica (- logarítmica (-/L) /L) como temperatura temperatura 0media0. 'n sistemas sistemas m"s complejos, complejos, el conocimiento directo de la -/L no es posi!le y en su lugar puede usarse el m&todo de número de unidades de transferencia tr ansferencia (1). (1).
%nálisis : ;esultados <$ =&
9T!$> C&
9T4$> C&
9T3$> C&
9T#$> C&
9T7$> C&
9T?$> C&
9T2$> C&
9T($> C&
9C!$> C&
9=!$ >C&
41
23.45 5
24.65 5
24.52 6
27.28 8
24.9: :
49.94 4
42.26 3
83.93 7
73.68 7
47.46 6
a!la a!la 7. ;ariación ;ariación de las diferentes diferentes temperaturas censadas por por la interface de usuario durante convección forzada (73 m2<#).
<$ =&
9T!$> C&
9T4$> C&
9T3$> C&
9T#$> C&
9T7$> C&
9T?$> C&
9T2$> C&
9T($> C&
9C!$> C&
9=!$ >C&
41
49.=8 9
27.22 3
27.88 :
23.76 2
27.== 9
49.67 9
48.34 8
83.79 7
78.=6 8
47.55 3
a!la a!la 4. ;ariación ;ariación de las diferentes diferentes temperaturas censadas por por la interface de usuario durante convección forzada (76 m2<#).
E@ciencia del Intercambiador Eff =
´maire C p p ,aire ( T s−T e ) ∗100 ´ Q
-onde •
> es el ujo m"sico de aire que pasa por el ducto en condiciones de
estado estacionario.
aire es el calor especí$co a presión constante evaluado a la temperatura
•
promedio del aire. es la temperatura censada a la salida del ducto (%7) es la temperatura censada a la entrada del ducto (%:) es la potencia generada por el resistor. > es
• • •
3
´ aire =10 m / h m
+ara
kg∗ K
/ ¿ (30.266−23.350 ) ¿ 1h (10 m / h )( )¿
1.005 kJ
3
3600 s
Eff =¿ =¿ Eff =53.6
-el La!oratorio : h =11.141 11.141 6
q sin Aletas= ¿
5.54839 ?
q Aleta =√ hpk hpk Ac ( T S−T ∞ ) tanh m L c =√ (11.14 ) ( 0.0257 ) ( 0.0135 ) ( 0.47 ) ( )
LC = L +
A C P
=0.135 +
0.0002 0.2004
=0. 136 136
A C =tw =( 0.1 ) ( 0.002 ) =0.0 002 p=2 ( t + w ) =2 ( 0.1 + 0.0002 ) =0.2004
m=
√
hp = kAc
√
( 11.14 ) (0.47 ) =122.84 ( 0.0257 ) (0.0135 )
qideal = h A ALETA ALETA ( T S −T ∞ )=( 11.14 ) ( 0.0135 ) ( )
n=
ε=
q Aleta q ideal
=¿
A lirede aletas + n Aaletas Asin aletas
3
+ara
´ aire =15 m / h m
kg∗ K 1.005 kJ / ¿ ( 29.849−24.024 )
¿ (15 m / h )( 3
1h 3600 s
)¿
Eff =¿ Eff = 67.7
Preguntas !A Bbse Bbserv rvan ando do los los da dato tos s regi regist stra rado dos s en las las tabl tablas as ! : 4. D Dué ué uede decir acerca de la temeratura aumenta o disminu:e en la dirección longitudinal de la aleta La temperatura en la dirección longitudinal de la aleta disminuye.
4A Bbse Bbserv rvan ando do los los da dato tos s regi regist stra rado dos s en las las tabl tablas as ! : 4. D Dué ué gradiente de temeratura cree usted Due será ma:or. ma:or. el del caso de convección for*ada cuando el +u,o es de !1 m3 o cuando es de !7 m3 a Dué se debe este eco
El gradiente de temperatura cuando el fujo es de 15 m3/h será mayor para este caso de convección orada y esto se de!e a "ue el aumento en el fujo de aire# y como el ducto para el e$perimento mantiene su geometr%a constante# aumenta tam!i&n la velocidad por la cual el aire recorre el ducto# al ir más rápido el aire# llegará más rápido el fuido nuevo 'r%o( "ue desplaará el fuido 'caliente( "ue se encuentra alrededor de de la aleta y se removerá removerá más calor de las aletas por convección en un determinado periodo de tiempo.
3A Com Comar aré é la e@ci e@cien enci cia a de este este inte interc rcam ambi biad ador or $ & con la e@ciencia del intercambiador de laca lana tanto ara el caso de convección for*ada cuando el +u,o es de !1 m3 como ara el caso cuando es de !7 m3A Cuál es el más e@ciente H Por Dué lo es
#A Con base base a los resultados resultados obtenidos. obtenidos. este este intercambiad intercambiador or es más efect ectivo. cuándo se da convección for*ada a un +u,o volumétrico de !1 m3 o cuando se da a un +u,o volumétrico de !7 m3 EliDue su resuestaA
Conclusión •
•
ratamos ratamos el concepto y nos nos informamos investigando so!re super$cies alargadas y analizamos un e*perimento pr"ctico so!re estas mismas. 'stimamos la e$ciencia y la efectividad de los intercam!iadores con super$cies alargadas, pero solo para el caso especí$co de "rea transversal rectangular.
