Laboratorio de Transferencia de Calor II

CONVECCIÓN TÉRMICA

Sandoval Hasing Jorge Andrés

Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP)

Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)

Guayaquil – Ecuador

jasandov@espol.edu.ec

RESUMEN

En la práctica se llevó a cabo la determinación experimental del coeficiente de transferencia de calor

por convección desde una superficie plana metálica expuesta al aire atmosférico y luego a convección

forzada. Usando un banco de prueba y una termocupla digital, se determinó el coeficiente de

convección para dos condiciones, una conocida como convección libre y la otra como convección

forzada para posiciones de la placa plana vertical y horizontal.

Se utilizó un banco de prueba que constó de un calentador adaptado a una placa metálica plana

articulada, un ventilador adaptado en un costado, además como protección cuenta con una malla

metálica para evitar el contacto humano con la placa caliente y también un concentrador de flujo a lo

largo del banco de prueba para confinar el aire que suministra el ventilador.

Fue posible calcular el coeficiente convectivo en una placa plana sometida a convección libre y a

convección forzada obteniendo valores mayores de coeficiente en la convección forzada debido a que

depende de la turbulencia y por ende velocidad del fluido circundante.

Palabras Claves: Placa plana, convección libre, convección forzada.

ABSTRACT

In practice was conducted the experimental determination of the heat transfer convective coefficient

from a flat metal plate exposed to atmospheric air and then to a forced convection. Using a test and a

digital thermocouple, convection coefficient were estimated for two conditions known as, free

convection and forced convection as other positions of the vertical and horizontal flat plate was

determined.

A test that consisted of a heater adapted to hinged flat metal plate, a fan adapted to one side, as well

as protection has a metal mesh to prevent human contact with the hot plate also a flux concentrator

and was used to throughout the test bench to confine the air supplied by the fan.

It was possible to calculate the heat transfer coefficient of a flat plate subjected to free convection and

forced convection obtaining greater coefficient values due to forced convection, which depends on

the speed and thus turbulence of the surrounding fluid.

Keywords: Flat plate, free convection, forced convection.

OBJETIVOS:

Determinar el coeficiente de

transferencia de calor por convección

sobre una placa plana en condiciones

de convección libre y convección

forzada.

INTRODUCCIÓN:

La transferencia de calor es el proceso por el

cual la energía se transporta desde un punto a

otro en la forma de conducción, convección o

radiación, o cualquier combinación de estos

métodos.

Cuando en la transferencia de calor está

involucrado un fluido circundante a una cierta

velocidad el movimiento relativo afecta a la

difusión de la energía térmica en un grado tal

que un nombre especial, la convección, se

utiliza para identificar este proceso. La

convección es un proceso de transporte de

energía que implica la acción combinada de la

conducción de calor, de almacenamiento de

energía, y el movimiento de mezclado. Calor

se transfiere por conducción desde una

superficie sólida para partículas de fluido

adyacentes, aumentando su temperatura y la

energía interna. Estas partículas de fluido se

mueven a una región de temperatura más baja

en el fluido y transfieren una parte de energía

a otras partículas de fluido.

Ilustración1. Convección forzada.

Hay dos métodos diferentes para motivar el

flujo de calor por convección, se llaman

convección libre y convección forzada. La

convección forzada implica que algún agente

externo, como un ventilador o una bomba, es

el origen del movimiento de mezcla principal,

mientras convección libre implica un

movimiento de mezclado natural.

Ilustración 2. Convección natural.

La tasa de transferencia de calor por

convección entre una superficie y un fluido se

puede calcular por:

𝑅 =𝑄

𝑡= ℎ̅𝑐𝐴∆𝑇 (1)

Donde Q/t es la tasa de transferencia de calor

por convección en Btu/hr, A es el área de

transferencia en pies cuadrados; ΔT es la

diferencia entre la temperatura de la superficie

y la temperatura del fluido ambiente, mientras

que ℎ̅𝑐 es el coeficiente de transferencia de

calor por convección medio en Btu/hr-ft² °F.

La declaración de la ecuación 1 fue propuesto

originalmente por Isaac Newton en 1701.

Reordenando la ecuación 1 para resolver ℎ̅𝑐

ℎ̅𝑐 =𝑄

𝐴∆𝑇

Se define el coeficiente de transferencia de

calor por convección como la cantidad de calor

que un área de superficie de 1 pie cuadrado

entregará al aire cada hora para cada grado de

diferencia de temperatura.

Algunos coeficientes de transferencia de calor

media típica convectivos se dan en la Tabla

TH-2 A.1

EQUIPOS E

INSTRUMENTACIÓN:

Banco de prueba TH-2 (eby665)

extech5dl200.

Termocupla digital (50°-500°C).

Jaula de metal perforado para protección

de contacto contra la placa.

Conducto metálico para aire en forma de

U.

Cronómetro.

PROCEDIMIENTO

EXPERIMENTAL:

Para convección libre:

1. Registrar los datos en tabla TH-2 A.2.

2. Calcular el área de superficie de la

placa en pies cuadrados.

3. Coloque la placa de calefacción

verticalmente y se cubre con la

pantalla protectora. Inserte el

termómetro de cuadrante hasta el tope

en el orificio izquierdo. Espere

aproximadamente un minuto y luego

grabar esta temperatura como la

temperatura del aire ambiente.

4. Gire el control del calentador en la

posición de 24 W y esperar unos 15

minutos antes de registrar la

temperatura.

5. Repita el paso 4 en intervalos de 12

minutos, girando el control del

calentador en las posiciones 40, 60 y

100 W. Después de completar los

ensayos, apague el calentador y

encienda el ventilador para reducir el

tiempo de enfriamiento de la placa.

Para convección forzada:

1. Retirar la malla metálica protectora

del banco de prueba.

2. Colocar las termocuplas en los 4

puntos de registro de datos sobre la

placa.

3. Cubrir la placa con el ducto metálico

en forma de U.

4. Encender el ventilador y regular su

flujo al 50%.

5. Gire el control del calentador en la

posición de 24 W y esperar unos 6

minutos antes de registrar la

temperatura.

6. Registre las temperaturas de acuerdo

al orden de conexión de las

termocuplas, deberían ser 4 registros

de temperatura, una que registre la

entrada de aire, las dos en la placa y

una la salida de aire.

7. Repita el paso 5 en intervalos de 4

minutos para diferentes potencias 40,

60 y 100W.

RESULTADOS:

Los resultados para el coeficiente de

convección térmica se presentan a

continuación:

Potencia (BTU-hr)

Coeficiente de convección

(corriente libre) [BTU/hr-ft² °F]

Coeficiente de convección (convección

forzada) [BTU/hr-ft² °F]

81,84 2,9 3,25

136,5 3,0 3,44

204,7 3,5 3,89

341,2 3,9 4,39

Tabla 1. Resultados de coeficientes de convección

térmica.

ANÁLISIS DE

RESULTADOS:

De acuerdo a los resultados obtenidos en el

coeficiente de convección de corriente libre

fueron bastante acertados según la tabla TH-2

A.1 ya que el rango para la condición

mencionada es de 1 – 5, cabe recalcar que a

mayor potencia calorífica, el coeficiente

aumenta debido a que es directamente

proporcional a dicho efecto.

Para la posición vertical en que se encuentra la

placa permite que se creen corrientes de aire

continuamente circundantes debido al cambio

de densidad, que a la vez está definida por la

temperatura del alrededor. Este efecto se

explica de manera que el aire que se encuentra

en un instante de tiempo muy cerca de la placa

con Ta inicial se calienta y su densidad

disminuye produciendo un movimiento

ascendente, debido a éste desplazamiento

nuevas partículas de aire toman ese lugar y

sufren el mismo efecto de calentamiento y

disminución de densidad que proyectado en la

continuidad del tiempo ocurre un flujo de aire

natural alrededor de la placa, siendo éste el

factor más importante del aumento del

coeficiente de convección y no

necesariamente por el aumento de potencia. Es

por esta razón que en la posición horizontal la

placa posee temperatura más alta ya que las

partículas no pueden desplazarse hacia arriba

por su disminución de densidad, por lo que se

acumulan en la superficie reteniendo calor.

Ahora en convección forzada el

comportamiento del coeficiente convectivo

fue de manera esperada principalmente

sabiendo que h aumenta conforme lo hace la

turbulencia del fluido y dicha propiedad está

directamente relacionada con la velocidad del

fluido, pero para el caso de 100W de potencia

el coeficiente disminuyó y esto es debido a que

la temperatura de entrada de aire disminuyó;

dicho dato puede ser entendido como un error

en la medición, ya que los agujeros donde se

ubican los terminales de la termocupla tienen

un diámetro mayor al del terminal, causando

que la posición de éste no esté en la misma

línea que las otras mediciones, aparte sabiendo

que hay un flujo de velocidad considerable

presente y fijo, no puede ocurrir que el error

sea debido al fluido sino por la medición de la

temperatura que está presente en la ecuación.

PRESENTACIÓN DE

TABLAS DE DATOS

Las tablas de datos TH-2 A.1, TH-2 A.2 y

TH-2 A.3 se presentan en la sección de

ANEXOS.

GRÁFICAS

No hay gráficas para presentar.

CONCLUSIONES Y

RECOMENDACIONES:

Fue posible calcular experimentalmente el

coeficiente de convección para

condiciones de corriente libre y

convección forzada.

Los valores obtenidos están dentro del

rango teórico para cada caso.

Existe un mejor flujo de corriente libre

para una posición vertical, que permita el

desplazamiento de aire caliente.

o No tocar la placa mientras está en

funcionamiento el calentador.

o Tener coordinación al momento de tomar

el tiempo y cambiar la potencia del

calentador.

REFERENCIAS

BIBLIOGRÁFICAS:

Guía de Laboratorio Transferencia de Calor II

http://help.solidworks.com/2011/spanish/SolidWo

rks/cworks/LegacyHelp/Simulation/AnalysisBack

ground/ThermalAnalysis/Convection_Topics/Con

vection_Heat_Coefficient.htm

http://www.unav.es/adi/UserFiles/File/80980099/

Formulas1011.pdf

http://www.ibeninson.com.ar/nsite/archivos/Conv

eccion.pdf

ANEXOS

CONVECTIVE HEAT-TRANSFER COEFFICIENTS

Condition

Air, free convection 1-5

Superheated air or steam, forced convection

5-50

Oil, forced convection 5-50

Water, forced convection 50-

2000

Water, boiling 500-

10000

Steam, condensing 1000-2000

Tabla TH-2 A.1

Posición del switch

Temperatura de la placa en

posición vertical (°F)

Temperatura de la placa en

posición horizontal (°F)

24 W (después

de 15 min) 194,3 208,5

40 W (después

de 12 min) 259,9 283,3

60 W (después

de 12 min) 318,9 347,3

100 W (después

de 12 min) 433,0 477,9

Tabla TH-2 A.2

Potencia (BTU-hr)

Coeficiente de convección

(horizontal ) [BTU/hr-ft² °F]

Coeficiente de convección

(vertical) [BTU/hr-ft² °F]

81,84 2,9 3,25

136,5 3,0 3,44

204,7 3,5 3,89

341,2 3,9 4,39

Tabla 2. Resultados para convección libre.

Posición de switch

Potencia (BTU-hr)

Coeficiente de

convección (50% flujo) [BTU/hr-ft²

°F]

Coeficiente de convección (100% flujo)

[BTU/hr-ft² °F]

24 W (después de 6 min)

81,84 9,0 18,8

40 W (después de 4 min)

136,5 10,4 17,3

60 W (después de 4 min)

204,7 13,3 17,3

100 W (después de 4 min)

341,2 9,6 16,6

Tabla 3. Resultados para convección forzada.