Transferencia de calor por conveccion

Transferencia de Calor – Conveccion

Departamento de Ingeniería Mecánica


1. Introducción a la teoría
Entre los mecanismos de transferencia de calor se encuentra la convección que corresponde al intercambio de calor entre un sólido y un fluido, donde el transporte de energía se produce por el cambio de densidad de las capas del fluido en contacto con el medio sólido. El flujo de calorpor convección se define por medio de la ley de enfriamiento de Newton:



Donde h es el coeficiente de convección , este coeficiente depende de las propiedades del fluido y de la rapidez. S es la superficie de contacto entre el fluido y un medio sólido, son las temperaturas de la superficie de contacto y del fluido respectivamente.
De la ecuación (1) se extrae directamente que latransferencia de calor es directamente proporcional a los parámetros mencionados, es decir si se desea aumentar la tasa de Transferencia de calo entre el medio solido al fluido, bien se puede aumentar la superficie de contacto entre estos, la diferencia de temperatura o bien el coeficiente convectivo.
El coeficiente de convección se puede afectar de 2 maneras, a través de las propiedades del fluido ovariando su velocidad. Cuando se aumenta la velocidad del fluido se dice que la convección es forzada.
En la experiencia a realizar el flujo corre por un ducto, en el cual existe una resistencia eléctrica que entrega calor al aire que fluye , realizando un balance de energía sobre un volumen de control dentro del ducto se tiene lo siguiente :





Donde es el flujo másico, es calorespecífico y las temperaturas de salida y entrada en el volumen de control.
El flujo másico se puede reescribir n función de la densidad y la velocidad del aire en la sección transversal del ducto:



Reemplazando (3) en (2) se tiene una nueva expresión para el calor absorbido por el aire desde la placa de resistencia:



Numero de Reynolds
El número de Reynolds es una cantidad adimensional quecuantifica las fuerzas de inercia vs las fuerzas viscosas, cuando el número de Reynolds es mucho mayor que 1 las fuerzas viscosas son despreciables.
Para flujos dentro de tuberías el número de Reynolds se define como :

Donde es la densidad del fluido , U es la velocidad del flujo , la viscosidad dinámica y es el diámetro hidráulico medido en el cual se define para cualquier geometríade tubería como :

Para el caso de una tubería cuadrada el diámetro resulta igual a su lado.
También se puede definir el Reynolds con la viscosidad cinemática como:

El número de Reynolds permite discriminar entre flujos laminares y turbulentos, lo que experimentalmente se definió para tuberías como :
Flujo laminar:
Flujo en transición:
Flujo turbulento:

2.Procedimiento experimental
El aparato experimental utilizado para analizar la convección natural y la convección forzada es el equipo G.U.N.T. modelo WL352 (ver fig.1), el cual consiste en un ducto de aire de sección 120X120 , al cual se pueden adosarse distintas geometrías de resistencias eléctricas de potencia que puede regularse de 0 a 180 [W],para el estudio del fenómeno.
La toma de datosse lleva a cabo por medio de termocuplas de tipo k que registran la temperatura del aire antes y después de la placa de resistencia la cual también se registra con una termocuplas.
En el ducto también se cuenta con un ventilador conectado a un potenciómetro el cual permite variar la velocidad del aire.
La potencia entregada a la placa y la velocidad del ventilador es regulada por medio deldispositivo de control el cual también muestras las temperaturas registradas por las termocuplas.
El procedimiento experimental consiste en montar la placa plana y ajustar la potencia en 170 [W] y se debe medir la temperatura de la placa hasta que alcance un estado estacionario, la primera medición registra la temperatura del aire antes y después de la placa con el ventilador apagado , para ver...