Laboratorio de Transferencia de Calor

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 práctica se simulo dos sistemas en las

 práctica se simulo dos sistemas en las cuales a diferentes temperatcuales a diferentes temperaturas entraron en contacto ocasionandouras entraron en contacto ocasionando un gradiente de temperatura dentro del sistema en esta etapa la energía se transfirió. La transferencia de un gradiente de temperatura dentro del sistema en esta etapa la energía se transfirió. La transferencia de calor es el proceso mediante el cual la energía se transporta de un punto a otro en forma de conducción, calor es el proceso mediante el cual la energía se transporta de un punto a otro en forma de conducción, convección o radiación.

convección o radiación.

Para efectos de esta práctica se centró en el fenómeno por convección la cual fue un proceso de transporte Para efectos de esta práctica se centró en el fenómeno por convección la cual fue un proceso de transporte de energía que involucro la acción combinada de conducción de calor, almacenamiento de energía y de energía que involucro la acción combinada de conducción de calor, almacenamiento de energía y movimiento de mezcla.

movimiento de mezcla.

Para esta práctica se utilizó un banco de prueba que consto de un calentador adaptado a una placa metálica Para esta práctica se utilizó un banco de prueba que consto de un calentador adaptado a una placa metálica  plana,

 plana, un un ventilador adaptado, ventilador adaptado, ademáademás s como como protección protección conto conto con con una una malla metálica malla metálica que que evito evito todotodo contacto humano con la finalidad de evitar cualquier accidente. También hubo un concentrador de flujo a contacto humano con la finalidad de evitar cualquier accidente. También hubo un concentrador de flujo a lo largo de la prueba que confino el aire que suministro el ventilador.

lo largo de la prueba que confino el aire que suministro el ventilador.

Con esta etapa de la práctica se pudo calcular el coeficiente de convección en una placa plana sometida a Con esta etapa de la práctica se pudo calcular el coeficiente de convección en una placa plana sometida a convección libre y a convección forzada, obteniendo así una comparación de los dos modelos y teniendo convección libre y a convección forzada, obteniendo así una comparación de los dos modelos y teniendo valores mayores para la convección forzada debido a que esto es dependiente de la turbulencia y por ende valores mayores para la convección forzada debido a que esto es dependiente de la turbulencia y por ende de la velocidad del fluido circundante.

de la velocidad del fluido circundante. Palabras clave:

Palabras clave: Placa plana, convección forzada, convección libre, fluido turbulentoPlaca plana, convección forzada, convección libre, fluido turbulento  Abstract

 Abstract

The practice that was carried out identified the properties of convective heat transfer and measured the The practice that was carried out identified the properties of convective heat transfer and measured the coefficient of convective heat transfer from a flat metal surface to the air. One of the main concerns in coefficient of convective heat transfer from a flat metal surface to the air. One of the main concerns in engineering is the analysis of the heat transfer problems with respect to the speed at which the heat is to be engineering is the analysis of the heat transfer problems with respect to the speed at which the heat is to be transferred under the given conditions. For this practice two systems were simulated in which at different transferred under the given conditions. For this practice two systems were simulated in which at different temperatures they came in contact causing a temperature gradient inside the system in this stage the energy temperatures they came in contact causing a temperature gradient inside the system in this stage the energy was transferred. Heat transfer is the process by which energy is transported from one point to another in the was transferred. Heat transfer is the process by which energy is transported from one point to another in the form of

form of conduction, conveconduction, convection or radiation.ction or radiation.

For the purposes of this practice, it focused on the convection phenomenon, which was an energy transport For the purposes of this practice, it focused on the convection phenomenon, which was an energy transport  process tha

 process that involved t involved the comthe combined action bined action of heat of heat conduction, conduction, energy energy storage and storage and mixing mmixing movement.ovement. For this practice we used a test bench consisting of a heater adapted to a flat metal plate, an adapted fan, as For this practice we used a test bench consisting of a heater adapted to a flat metal plate, an adapted fan, as well as protection with a metal mesh that avoided all human contact in order to avoid any accident. There well as protection with a metal mesh that avoided all human contact in order to avoid any accident. There was also a flow

was also a flow concentraconcentrator throughout the test that tor throughout the test that confined the air that supplied the fan.confined the air that supplied the fan.

With this stage of the practice it was possible to calculate the convection coefficient in a flat plate subjected With this stage of the practice it was possible to calculate the convection coefficient in a flat plate subjected to free convection and forced convection, thus obtaining a comparison of the two models and having higher to free convection and forced convection, thus obtaining a comparison of the two models and having higher

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values for forced convection because this is dependent on the turbulence and therefore of the speed of the values for forced convection because this is dependent on the turbulence and therefore of the speed of the surrounding fluid.

surrounding fluid. Keywords:

Keywords: Flat plate, forced convection, free convection, turbulent fluid  Flat plate, forced convection, free convection, turbulent fluid   Introducc

 Introducción.ión.

Es bien conocido que una placa de metal caliente Es bien conocido que una placa de metal caliente se enfriara más rápidamente cuando se coloca se enfriara más rápidamente cuando se coloca delante de un ventilador que cuando se expone al delante de un ventilador que cuando se expone al aire en calma. Se dice que el calor se ha cedido aire en calma. Se dice que el calor se ha cedido hacia fuera de la placa y al proceso se le llama hacia fuera de la placa y al proceso se le llama transferencia de calor por convección. El termino transferencia de calor por convección. El termino convección proporciona al lector una noción convección proporciona al lector una noción intuitiva en lo referente al proceso de intuitiva en lo referente al proceso de transferencia de calor; sin embargo, esta noción transferencia de calor; sin embargo, esta noción intuitiva debe ampliarse para permitir que se intuitiva debe ampliarse para permitir que se llegue a un tratamiento analítico adecuado del llegue a un tratamiento analítico adecuado del  problema.

 problema.

Por ejemplo se sabe que la velocidad a la que el Por ejemplo se sabe que la velocidad a la que el aire pasa sobre la placa influye evidentemente en aire pasa sobre la placa influye evidentemente en el flujo de calor transferido. Pero ¿influye en el el flujo de calor transferido. Pero ¿influye en el enfriamiento de forma lineal, es decir si se enfriamiento de forma lineal, es decir si se duplica la velocidad, se duplicara el flujo de duplica la velocidad, se duplicara el flujo de calor? Cabría sospechar que el flujo de calor, calor? Cabría sospechar que el flujo de calor,  puede ser diferente si la plac

 puede ser diferente si la placa se enfría con aguaa se enfría con agua en vez de con aire, pero de nuevo ¿Cuánta seria en vez de con aire, pero de nuevo ¿Cuánta seria la diferencia? Estas cuestiones pueden ser la diferencia? Estas cuestiones pueden ser respondidas con la ayuda de algunos análisis respondidas con la ayuda de algunos análisis  básicos,

 básicos, por por ahora, ahora, se se emboza emboza el el mecanismmecanismoo físico de la transferencia de calor por convección físico de la transferencia de calor por convección y se muestra su relación con el proceso de y se muestra su relación con el proceso de conducción.

conducción. (Holmam, 1999) (Holmam, 1999)

Considérese la placa caliente mostrada en la Fig. Considérese la placa caliente mostrada en la Fig. 1.

1.

Fig. 1

Fig. 1  Transferencia de Calor por convección  Transferencia de Calor por convección desde una placa.

desde una placa.

La temperatura de la placa es

La temperatura de la placa es





y la temperaturay la temperatura

fluido en la pared es nula, en este punto el calor fluido en la pared es nula, en este punto el calor solo puede ser transferido por conducción. Así, la solo puede ser transferido por conducción. Así, la transferencia de calor podría calcularse haciendo transferencia de calor podría calcularse haciendo uso la ecuación: uso la ecuación:

 = 

 =  







Ec. 1Ec. 1 Donde: Donde:



: es el flujo de calor [julio/s]: es el flujo de calor [julio/s]









: es el gradiente de calor: es el gradiente de calor



: es el coeficiente de conductividad térmica.: es el coeficiente de conductividad térmica. W/m*K

W/m*K

  

: es el área de la pared plana [m^2]: es el área de la pared plana [m^2]

Entonces, ¿Por qué si el calor fluye por Entonces, ¿Por qué si el calor fluye por conducción en esta capa se habla de transferencia conducción en esta capa se habla de transferencia de calor por convección y se necesita tener en de calor por convección y se necesita tener en consideración la velocidad del fluido? La consideración la velocidad del fluido? La respuesta es que el gradiente de temperaturas respuesta es que el gradiente de temperaturas depende de la rapidez a la que el fluido se lleva el depende de la rapidez a la que el fluido se lleva el calor: una velocidad alta produce un gradiente de calor: una velocidad alta produce un gradiente de temperaturas grande, etc. Así pues, el gradiente temperaturas grande, etc. Así pues, el gradiente de temperaturas en la pared depende del campo de temperaturas en la pared depende del campo de velocidades, sin embargo, se debe recordar de velocidades, sin embargo, se debe recordar que el mecanismo físico de la trasferencia de que el mecanismo físico de la trasferencia de calor en la pared es un proceso de conducción. calor en la pared es un proceso de conducción. Para expresar el efecto global de la convección, Para expresar el efecto global de la convección, se utiliza la ley de Newton del enfriamiento: se utiliza la ley de Newton del enfriamiento:

 = 

 = ((



   

∞∞

))

Ec. 2Ec. 2  Donde:

 Donde:

ℎℎ

: es el coeficiente de convección. [W/m^2*K]: es el coeficiente de convección. [W/m^2*K]

 :

 :

Es el área de pared plana.Es el área de pared plana.





: es la temperatura de la pared [Kelvin]: es la temperatura de la pared [Kelvin]



∞∞

: Temperatura del fluido : Temperatura del fluido [Kelvin][Kelvin]

Para algunos sistemas puede hacerse un cálculo Para algunos sistemas puede hacerse un cálculo analítico de h. En situaciones complejas debe analítico de h. En situaciones complejas debe determinarse experimentalmente. Algunas veces, determinarse experimentalmente. Algunas veces, ala coeficiente de transferencia de calor se le ala coeficiente de transferencia de calor se le

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En vista de lo anterior, se puede anticipar que la En vista de lo anterior, se puede anticipar que la transferencia de calor por convección dependerá transferencia de calor por convección dependerá de la viscosidad del flui

de la viscosidad del fluido además de depender dedo además de depender de las propiedades térmicas del fluido las propiedades térmicas del fluido (conductividad térmica, calor específico, (conductividad térmica, calor específico, densidad). Esto es así, porque la viscosidad densidad). Esto es así, porque la viscosidad influye en el perfil de

influye en el perfil de velocidades y, por velocidades y, por lo tanto,lo tanto, en el flujo de energía en la región próxima a la en el flujo de energía en la región próxima a la  pared.

 pared. (Dewitt, 1996)(Dewitt, 1996)

Si una placa caliente se expone al aire ambiente Si una placa caliente se expone al aire ambiente sin que haya ningún dispositivo externo que lo sin que haya ningún dispositivo externo que lo mueva, se originara el movimiento del aire como mueva, se originara el movimiento del aire como resultado del gradiente de la densidad del aire en resultado del gradiente de la densidad del aire en las proximidades de la placa. A este movimiento las proximidades de la placa. A este movimiento se le denomina convecino natural o libre por se le denomina convecino natural o libre por oposición de la convección forzada, que tiene oposición de la convección forzada, que tiene lugar en el caso de un ventilador soplando aire lugar en el caso de un ventilador soplando aire sobre la placa. Los fenómenos de ebullición y sobre la placa. Los fenómenos de ebullición y condensación también se agrupan bajo el epígrafe condensación también se agrupan bajo el epígrafe general

general de de la la transferencia transferencia de de calor calor porpor convección.

convección. (Dewitt, 1996)(Dewitt, 1996)

La velocidad de transferencia de calor por La velocidad de transferencia de calor por convección entre una superficie y un fluido puede convección entre una superficie y un fluido puede calcularse mediante un acomodo a la ecuación calcularse mediante un acomodo a la ecuación dos y se tendría: dos y se tendría:

 =

 =   = ∆

 = ∆

Ec. 3Ec. 3 Donde: Donde:





::

Es la tasa de transferencia de calor porEs la tasa de transferencia de calor por

convección en convección en









..

 :

 :

 Es el área de transferencia en [ Es el área de transferencia en [

 

 

22

]]

∆:

∆:

Es la diferencia de temperatura entre laEs la diferencia de temperatura entre la superficie y el ambiente (alrededores).

superficie y el ambiente (alrededores).

Mientras que h es el coeficiente de convección Mientras que h es el coeficiente de convección  promedio en

 promedio en





−

−





..

Reagrupando la ecuación tres se tiene la siguiente Reagrupando la ecuación tres se tiene la siguiente expresión.

expresión.

 =

 = 

 ∆

 ∆

Ec. 4Ec. 4 Se define el coeficiente convectivo de Se define el coeficiente convectivo de

En la tabla 4 que se encuentran en el anexo B se En la tabla 4 que se encuentran en el anexo B se dan algunos coeficientes de transferencia de calor dan algunos coeficientes de transferencia de calor  por conve

 por convección promcción promedio típicosedio típicos..

Una conversión importante que se utilizará en Una conversión importante que se utilizará en este experimento es la relación: 1 vatio = 3.

este experimento es la relación: 1 vatio = 3.41 Btu41 Btu / hr.

/ hr. (Produccion, 2018)(Produccion, 2018)

 Equipos,  Equipos,  Instrume

 Instrumentación y ntación y ProcedimiProcedimientoento

Los datos de la placa del equipo fueron los Los datos de la placa del equipo fueron los siguientes:

siguientes: Equipo

Equipo Banco Banco de de prueba prueba TH-2TH-2 Thermal Convection. Thermal Convection. Marca Extech Marca Extech Serie 5dl200 Serie 5dl200 Modelo

Modelo Eby Eby 665665 Tabla N1.

Tabla N1. Datos de Equipo: Banco de PruebasDatos de Equipo: Banco de Pruebas TH-2.

TH-2.

La instrumentación utilizada para esta práctica La instrumentación utilizada para esta práctica fue la siguiente:

fue la siguiente: Equipo

Equipo Termocupla digitalTermocupla digital Rango

Rango 50-500 50-500 [C][C] Tabla N2.

Tabla N2. Equipo utilizado para la práctica. Equipo utilizado para la práctica. Equipo

Equipo Cronometro DigitalCronometro Digital

Rango 0-900s

Rango 0-900s

Resolución 0.001s

Resolución 0.001s

Tabla N3.

Tabla N3. Equipo utilizado para la práctica. Equipo utilizado para la práctica. Además se utilizó una jaula de metal perforado Además se utilizó una jaula de metal perforado  para protec

 para protección de coción de contacto conntacto contra la plactra la placa. Y una. Y un conducto para aire en forma de U.

conducto para aire en forma de U.

El esquema del equipo y sus partes se encuentran El esquema del equipo y sus partes se encuentran en el ANEXO A.

en el ANEXO A.

Se inició la práctica registrando los datos en la Se inició la práctica registrando los datos en la tabla 5 que se encuentran en los anexos C. Antes tabla 5 que se encuentran en los anexos C. Antes de cualquier cosa se calculó el área de la de cualquier cosa se calculó el área de la superficie de la placa en pies cuadrados

superficie de la placa en pies cuadrados. Luego se. Luego se constató que ambos lados de la placa sean de 4in constató que ambos lados de la placa sean de 4in

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un minuto y luego se registró esta temperatura un minuto y luego se registró esta temperatura como la temperatura del aire ambiente.

como la temperatura del aire ambiente.

Luego a este procedimiento se giró el control del Luego a este procedimiento se giró el control del calentador a la posición de 24 vatios y se esperó calentador a la posición de 24 vatios y se esperó aproximadamente 15 minutos ant

aproximadamente 15 minutos antes de registrar laes de registrar la temperatura. La parte en que la temperatura hizo temperatura. La parte en que la temperatura hizo su aumento por encima de la temperatura su aumento por encima de la temperatura ambiente se la denomino diferencial de ambiente se la denomino diferencial de temperatura. Este diferencial de temperatura temperatura. Este diferencial de temperatura índico cuanto debió aumentar la temperatura de índico cuanto debió aumentar la temperatura de la placa por encima de la temperatura ambiente la placa por encima de la temperatura ambiente  para transferir los 24 vatios de calor de aire. Los  para transferir los 24 vatios de calor de aire. Los ensayos de convección libre realizaron en un ensayos de convección libre realizaron en un ambiente libre de corrientes de aire o corrientes ambiente libre de corrientes de aire o corrientes de aire excesivas.

de aire excesivas. Una vez

Una vez teniendo en teniendo en cuenta esta cuenta esta consideración,consideración, se repitió el procedimiento anterior a intervalos se repitió el procedimiento anterior a intervalos de 12 minutos girando el control del calentador a de 12 minutos girando el control del calentador a las posiciones de 40, 60 y 100 vatios.

las posiciones de 40, 60 y 100 vatios.

Después de completar estas pruebas, se colocó el Después de completar estas pruebas, se colocó el control del calentador en la posición de apagado control del calentador en la posición de apagado y se encendió el interruptor del ventilador. El y se encendió el interruptor del ventilador. El flujo de aire del ventilador acelero el enfriamiento flujo de aire del ventilador acelero el enfriamiento de la placa hasta la temperatura ambiente en de la placa hasta la temperatura ambiente en aproximadamente cinco minutos, se giró la placa aproximadamente cinco minutos, se giró la placa hacia la posición horizontal posterior y se volvió hacia la posición horizontal posterior y se volvió a repetir los procedimientos anteriores para medir a repetir los procedimientos anteriores para medir la transferencia de calor por convección desde la transferencia de calor por convección desde una placa horizontal en aire inmóvil.

una placa horizontal en aire inmóvil.

Se registraron todos los datos en forma de tabla. Se registraron todos los datos en forma de tabla. Se giró la placa de nuevo a la posición vertical. Se giró la placa de nuevo a la posición vertical. Se retiró el termómetro del cuadrante y la pantalla Se retiró el termómetro del cuadrante y la pantalla de protección del aplaca y se instaló el conducto de protección del aplaca y se instaló el conducto de aire de m

de aire de metal en forma de etal en forma de U en su U en su lugar.lugar. Luego de esto se insertó el termómetro en el Luego de esto se insertó el termómetro en el cuadrante en el orificio izquierdo del conducto, cuadrante en el orificio izquierdo del conducto, que a su vez debió colocarse sobre el orificio que a su vez debió colocarse sobre el orificio izquierdo de la placa. Los dos termómetros izquierdo de la placa. Los dos termómetros líquidos debieron insertarse en las ranuras en líquidos debieron insertarse en las ranuras en

Se registró los datos en la Tabla No 5 que se Se registró los datos en la Tabla No 5 que se encuentran en los anexos B.

encuentran en los anexos B.

Luego en encendió el soplador y se lo ajusto para Luego en encendió el soplador y se lo ajusto para un flujo de aire del 50% (velocidad del air

un flujo de aire del 50% (velocidad del aire fue dee fue de 350 pies/min). Se giró el control del calentador a 350 pies/min). Se giró el control del calentador a la posición de 24 vatios y se esperó luego seis la posición de 24 vatios y se esperó luego seis minutos antes de registrar las tres lecturas del minutos antes de registrar las tres lecturas del termómetro. Se repitió este procedimiento para termómetro. Se repitió este procedimiento para las configuraciones de 40, 60 y 100 vatios, las configuraciones de 40, 60 y 100 vatios, esperando solo cuatro minutos después de cada esperando solo cuatro minutos después de cada cambio. Cuando se habían registrado todos los cambio. Cuando se habían registrado todos los datos, se apagó el control del calentador, pero se datos, se apagó el control del calentador, pero se dejó el ventilador encendido por unos minutos dejó el ventilador encendido por unos minutos  para de

 para dejar enjar enfriar la friar la placa. placa. Cuando Cuando la tela temperaturamperatura de la placa estuvo cerca de la temperatura de la placa estuvo cerca de la temperatura ambiente, se repitió el procedimiento ambiente, se repitió el procedimiento anteriormente dicho para un flujo de aire del anteriormente dicho para un flujo de aire del 100% (700pies/min). Luego se registraron las 100% (700pies/min). Luego se registraron las lecturas del termómetro de forma tabular. Se lecturas del termómetro de forma tabular. Se utilizó la ecuación 4 para calcular el promedio del utilizó la ecuación 4 para calcular el promedio del coeficiente convectivo de la superficie metálica coeficiente convectivo de la superficie metálica  plana al aire para cada una de las cuatro prueba  plana al aire para cada una de las cuatro pruebass

en el nivel de 100 vatios. en el nivel de 100 vatios.  Análisis de Resultados  Análisis de Resultados Conclusiones y Conclusiones y Recomendaciones. Recomendaciones. De

De los datos los datos obtenidos en obtenidos en los anexos los anexos C, C, elel coeficiente de convención de corriente libre coeficiente de convención de corriente libre variaron bastante

variaron bastante en en cuanto cuanto a a la la posición de posición de lala  placa

 placa en en vertical vertical y y horizontalhorizontal, , sucede sucede que que loslos coeficientes de

coeficientes de convección térmica convección térmica en en posiciónposición vertical no acertaron con los datos comparad vertical no acertaron con los datos comparados enos en la

la tabla No tabla No 4 4 el cual el cual están tabulados están tabulados los valoreslos valores teóricos para

teóricos para la convección la convección de diferentes de diferentes casos.casos.

Los valores para los

Los valores para los cuales cuales el coeficiente si asertoel coeficiente si aserto fueron para

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Tomando en cuenta que la placa permite que se Tomando en cuenta que la placa permite que se creen corrientes de aire continuamente creen corrientes de aire continuamente circundantes debido al cambio de densidad, que a circundantes debido al cambio de densidad, que a la vez se definió por la temperatura del medio la vez se definió por la temperatura del medio circundante.

circundante. Este hecho Este hecho se se debe a debe a que el que el aire seaire se encuentra en un momento de tiempo muy cerca encuentra en un momento de tiempo muy cerca de la placa con una temperatura inicial que se de la placa con una temperatura inicial que se hace que se eleve el comportamiento de los hace que se eleve el comportamiento de los electrones y hace que su densidad disminuya electrones y hace que su densidad disminuya  produciendo un mov

 produciendo un movimiento de avancimiento de avance, debido ae, debido a este movimiento ascendente nuevas partículas de este movimiento ascendente nuevas partículas de aire reemplazan ese lugar y sufren el mismo aire reemplazan ese lugar y sufren el mismo fenómeno antes dicho, siendo este factor el más fenómeno antes dicho, siendo este factor el más importante en el aumente del coeficiente de importante en el aumente del coeficiente de convección y no necesariamente el aumento de la convección y no necesariamente el aumento de la  potencia.

 potencia.

Es por eso que la temperatura en la posición Es por eso que la temperatura en la posición horizontal de la placa por conexión libre posee horizontal de la placa por conexión libre posee mayor temperatura ya que las partículas no mayor temperatura ya que las partículas no  pueden

 pueden desplazadesplazarse rse hacia hacia el el camino camino de de lala dirección del flujo y eso por su disminución de dirección del flujo y eso por su disminución de densidad, por lo que se retienen en la placa densidad, por lo que se retienen en la placa acumulando calor.

acumulando calor. (Produccion, 2018)(Produccion, 2018)

En cuanto

En cuanto a a la convección la convección forzada forzada sus valoressus valores fueron los esperados dando ocasionando un error fueron los esperados dando ocasionando un error del 1.4%, sabiendo que h aumenta conforme lo del 1.4%, sabiendo que h aumenta conforme lo hace el régimen turbulento del fluido es decir hace el régimen turbulento del fluido es decir cuando se le aplico aire al

cuando se le aplico aire al 50% 50% y dicha propiedady dicha propiedad está directamente vinculada con la velocidad del está directamente vinculada con la velocidad del fluido.

fluido. L L os os datos obtenidos datos obtenidos se ase ajustan a justan a lolo requerido.

requerido. (Produccion, 2018)(Produccion, 2018)

En cuanto a los datos que se g

En cuanto a los datos que se generaron eneraron en la parteen la parte de convección libre

de convección libre con la con la ubicación de la ubicación de la placaplaca horizontal los datos 3

horizontal los datos 3 y cuatro y cuatro se pasan se pasan a loa lo estimado y

estimado y no no se parecen se parecen a los a los teóricos. Dichosteóricos. Dichos datos se pueden entender como un error en la datos se pueden entender como un error en la medición, ya que

medición, ya que los agujeros donde se los agujeros donde se ubicaronubicaron

Se logró modelar los datos experimentales los Se logró modelar los datos experimentales los cuales dieron valores muy estimados y no se cuales dieron valores muy estimados y no se alejaron tanto de los valores teóricos a excepción alejaron tanto de los valores teóricos a excepción de los datos por transferencia de calor por de los datos por transferencia de calor por convección libre el cual se lo estimado con dos convección libre el cual se lo estimado con dos datos erróneos, estos valores salen un poco de los datos erróneos, estos valores salen un poco de los valores que se encuentran en la tabla No. 4. valores que se encuentran en la tabla No. 4. (Produccion, 2018) (Produccion, 2018) Referencias Referencias Bibliográficas Bibliográficas 1.

1. Andres, S. H. (2015).Andres, S. H. (2015).ConveccionConveccion Termica .

Termica . Guayaquil: Escuela Superior Guayaquil: Escuela Superior Politecnica del Litoral.

Politecnica del Litoral. 2.

2. Dewitt, F. P. (1996).Dewitt, F. P. (1996).Fundamentos deFundamentos de Transferencia de Calor .

Transferencia de Calor . Mexico: Mexico: Pearson Education.

Pearson Education. 3.

3. Holmam, J. P. (1999).Holmam, J. P. (1999).Transferencia deTransferencia de Calor .

Calor . Madrid - Espana: Mc Graw Hill. Madrid - Espana: Mc Graw Hill. 4.

4. Machine, W. (02 de Abril de 2005).Machine, W. (02 de Abril de 2005). Wayback Machine

Wayback Machine. Obtenido de. Obtenido de

https://web.archive.org/web/20050420 https://web.archive.org/web/20050420 085336/http://www.nsdl.arm.gov/Libra 085336/http://www.nsdl.arm.gov/Libra ry/glossary.shtml#Wind_chill_temperat ry/glossary.shtml#Wind_chill_temperat ure ure 5.

5. Produccion, F. d. (01 de Enero Produccion, F. d. (01 de Enero de 2018).de 2018). Thermal Convection. Guayaquil,

Thermal Convection. Guayaquil, Guayas, Ecuador.

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 Anexo A

 Anexo A –  –  Equipo. Equipo.

Figuras 2 y 3.

Figuras 2 y 3. Esquema de los equipos Esquema de los equipos Descripción del Equipo.

Descripción del Equipo.

La unidad de convección térmica TH-2 es autónoma, excepto por la electricidad de 120 voltios de corriente La unidad de convección térmica TH-2 es autónoma, excepto por la electricidad de 120 voltios de corriente alterna.

alterna.

Está compuesto por: Está compuesto por:

1. Una placa de metal plana de 4 x 8 pulgadas con 1 calentador eléctrico incorporado. La placa está 1. Una placa de metal plana de 4 x 8 pulgadas con 1 calentador eléctrico incorporado. La placa está articulada a la unidad base TH-2 para permitir pruebas de convección en diversos grados de posiciones articulada a la unidad base TH-2 para permitir pruebas de convección en diversos grados de posiciones verticales y horizontales. La temperatura de la placa se controla mediante un CONTROL CALENTADOR verticales y horizontales. La temperatura de la placa se controla mediante un CONTROL CALENTADOR giratorio de cinco posiciones marcado como OFF-24-4060-100, con los números referidos a vatios.

giratorio de cinco posiciones marcado como OFF-24-4060-100, con los números referidos a vatios.

2. Un termómetro de cuadrante (50-500 °) para medir la temperatura de la placa cuando se inserta en 1 2. Un termómetro de cuadrante (50-500 °) para medir la temperatura de la placa cuando se inserta en 1 orificio a lo largo del borde de la placa.

orificio a lo largo del borde de la placa. 3. Dos termómetros l

3. Dos termómetros líquidos que tienen escalas dualíquidos que tienen escalas duales (-10 ° F a + 230 ° F y -20 ° C a + 110 ° C) y cuadradoses (-10 ° F a + 230 ° F y -20 ° C a + 110 ° C) y cuadrados de composición de 1 pulgada unidos a sus espaldas. Los cuadrados evitan que los termómetros se deslicen de composición de 1 pulgada unidos a sus espaldas. Los cuadrados evitan que los termómetros se deslicen a través de las ranuras del conducto de aire cuando se colocan en posición para medir las temperaturas del a través de las ranuras del conducto de aire cuando se colocan en posición para medir las temperaturas del flujo de aire.

flujo de aire.

4. Una jaula de metal perforada para actuar como una pantalla de protección contra quemaduras accidentales 4. Una jaula de metal perforada para actuar como una pantalla de protección contra quemaduras accidentales cuando se coloca sobre la placa del calentador durante la prueba de aire en calma (convección libre). cuando se coloca sobre la placa del calentador durante la prueba de aire en calma (convección libre). 5. Un conducto de aire metálico en forma de U que reemplaza la pantalla de protección durante las pruebas 5. Un conducto de aire metálico en forma de U que reemplaza la pantalla de protección durante las pruebas de aire en movimiento (convección forzada). Está diseñado para guiar el flujo de aire de manera uniforme de aire en movimiento (convección forzada). Está diseñado para guiar el flujo de aire de manera uniforme sobre la placa. No use el conducto de aire cuando realice una prueba de aire inmóvil.

sobre la placa. No use el conducto de aire cuando realice una prueba de aire inmóvil.

6. Un ventilador incorporado en la caja de control TH-2 y operado por el interruptor de palanca marcado 6. Un ventilador incorporado en la caja de control TH-2 y operado por el interruptor de palanca marcado como BLOWER-OF. Un control deslizante en el borde izquierdo de la caja de control selecciona la como BLOWER-OF. Un control deslizante en el borde izquierdo de la caja de control selecciona la velocidad del flujo de aire sobre la placa de metal

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 Anexo B

 Anexo B –  –  Tabla de Datos. Tabla de Datos. Tabla No4.

Tabla No4. Parámetros guías para corroborar los datos experimentales.Parámetros guías para corroborar los datos experimentales. Coeficiente de Convección por transferencia de calor

Coeficiente de Convección por transferencia de calor Condición

Condición



̅̅



Aire

Aire libre libre ConduccConducción ión 1-51-5

Aire

Aire supercalentado supercalentado o o vapor, vapor, convección convección forzada forzada 5-505-50 Aceite,

Aceite, convección convección forzada forzada 5-505-50 Agua

Agua Convección Convección Forzada Forzada 50-200050-2000 Agua

Agua hirviendo hirviendo 500-10000500-10000

Vapor

Vapor condensado condensado 1000-20001000-2000

Tabla No. 5

Tabla No. 5 Procesamiento de datos crudos para convección libreProcesamiento de datos crudos para convección libre Switch

Switch Position Position Plate Plate temperature temperature inin vertical position (°C) vertical position (°C)

 Plate temp

 Plate temperature erature inin  horizontal

 horizontal position (°Cposition (°C)) 24 watts 24 watts (after 15 min) (after 15 min) 49,6 49,6 / / 34,8 34,8 63,2 63,2 /43,5/43,5 40 watts 40 watts (after 12 min) (after 12 min) 60,6 60,6 / / 40,3 40,3 82,8 / 82,8 / 54,354,3 60 watts 60 watts (after 12 min) (after 12 min) 70,9 70,9 / / 46,3 46,3 99,6 / 99,6 / 64,664,6 100 watts 100 watts (after 12 min) (after 12 min) 92,8 92,8 / / 58,8 58,8 261,6 261,6 / / 113,2113,2 Ambient

Ambient TemperatuTemperaturere (°C)

(°C)

26.85 26.85

Tabla No. 6

Tabla No. 6 Procesamiento de datos crudos para convección Forzada al 50 % de aire circundando.Procesamiento de datos crudos para convección Forzada al 50 % de aire circundando.  Posición d

 Posición del switcel switch h TemperatuTemperatura de la ra de la placaplaca  al 50% de

 al 50% de flujo de flujo de aireaire 24 watts

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 Posición de

 Posición del switch l switch TemperatuTemperatura de la ra de la placaplaca en posición vertical(°F) en posición vertical(°F)

Temperatu

Temperatura de ra de la placala placa en posición horizontal en posición horizontal (°F) (°F) Temperatura de la Temperatura de la  placa con

 placa con un flujo un flujo dede  aire del 5  aire del 50%0% 81.84 BTU/hr 81.84 BTU/hr (after 15 min) (after 15 min) 107.96 107.96 128.03 128.03 135.68135.68 136.5 BTU/hr 136.5 BTU/hr (after 12 min) (after 12 min) 122.81 122.81 155.39 155.39 167.72167.72 204.7 BTU/hr 204.7 BTU/hr (after 12 min) (after 12 min) 137.48 137.48 179.78 179.78 199.58199.58 204.7 BTU/hr 204.7 BTU/hr (after 12 min) (after 12 min) 168.44 168.44 179.78 179.78 251.96251.96 Temperatura Temperatura Ambiente. (°F) Ambiente. (°F) 80.3380.33  Anexos C- P

 Anexos C- Procesamienrocesamiento de los to de los datos.datos.

A modo de ejemplo se tomó el dato Numero uno de la No 6. Para un flujo al 50% de aire. A modo de ejemplo se tomó el dato Numero uno de la No 6. Para un flujo al 50% de aire. Los datos obtenidos estaban en grados Celsius y se los trasformo a grados Fahrenheit. Los datos obtenidos estaban en grados Celsius y se los trasformo a grados Fahrenheit. Antes de eso se calculó el promedio de los datos.

Antes de eso se calculó el promedio de los datos.

.+.

.+.



= = .

. °

°

Luego se procedió a transformar a grados Fahrenheit.

Luego se procedió a transformar a grados Fahrenheit.



°° ++  = °

 = °

Donde

Donde

°°

 es la temperatura en grados Celsius. es la temperatura en grados Celsius. Para el procesamiento del primer dato se tiene: Para el procesamiento del primer dato se tiene:

99

55 ∗∗ . °

. ° ++  = 

 = 

..

°

°

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Haciendo una comparación con la tabla No 5. El coeficiente de convección térmica forzada cae en el rango Haciendo una comparación con la tabla No 5. El coeficiente de convección térmica forzada cae en el rango de aire de supercalentado o vapor es decir mediante el método de convección forzada.

de aire de supercalentado o vapor es decir mediante el método de convección forzada.

Se realizó un último cálculo cogiendo los valores de todos los coeficientes de convección térmica y Se realizó un último cálculo cogiendo los valores de todos los coeficientes de convección térmica y sacándole el promedio, el cual dio el siguiente resultado.

sacándole el promedio, el cual dio el siguiente resultado.

 = = .. ++ .+

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

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 

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

 ∗ ∗ °°

Lo cual verifica nuestro resultado como convección forzada.

Lo cual verifica nuestro resultado como convección forzada.

En el caso de

En el caso de los datos de convección libre para una los datos de convección libre para una posición vertical posición vertical se tiene.se tiene.

 = = .. ++ .+

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./

 

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 ∗ ∗ °°

Cuyo porcentaje de error de lo calcula con la siguiente expresión:

Cuyo porcentaje de error de lo calcula con la siguiente expresión:

% =

% = | | 

 

  

 

/

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 ||

% =

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.

  = .

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

Lo que equivale al 21% de error.

Lo que equivale al 21% de error.

Y para una convección libre en una posición horizontal se tiene: Y para una convección libre en una posición horizontal se tiene:

 = = .. ++ .+

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.+ .

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./

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Su respectivo error

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% =

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Lo cual corresponde a un error del 1.4%

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Cancel Anytime. Temperatura Temperatura extremo extremo Izquierdo Izquierdo (°C) (°C) Temperatura Temperatura extremo extremo Derecho (°C) Derecho (°C) Promedio Promedio (°C) (°C) Grados Grados Fahrenheit Fahrenheit

°°

Temperatura Temperatura Ambiente Ambiente

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AREA AREA

[

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ERRORERROR% DE% DE  Experimen

 Experimento para cto para convecconvección Libre ión Libre (posición v(posición vertical ertical de la placde la placa)a) 49.600 49.600 34.800 34.800 42.200 42.200 107.960 107.960 80.330 80.330 27.630 27.630 0.222 0.222 81.840 81.840 3.415 3.415 31.70631.706 60.600 60.600 40.300 40.300 50.450 50.450 122.810 122.810 80.330 80.330 42.480 42.480 0.222 0.222 136.500 136.500 5.007 5.007 0.1330.133 70.900 70.900 46.300 46.300 58.600 58.600 137.480 137.480 80.330 80.330 57.150 57.150 0.222 0.222 204.700 204.700 6.707 6.707 34.13934.139 92.800 92.800 58.800 58.800 75.800 75.800 168.440 168.440 80.330 80.330 88.110 88.110 0.222 0.222 341.200 341.200 9.125 9.125 82.49182.491  Experimen

 Experimento para coto para convecciónvección Libre n Libre (posición ho(posición horizontal de rizontal de la placa)la placa) 63.200 63.200 43.500 43.500 53.350 53.350 128.030 128.030 80.330 80.330 47.700 47.700 0.222 0.222 81.840 81.840 2.879 2.879 42.41242.412 82.800 82.800 54.300 54.300 68.550 68.550 155.390 155.390 80.330 80.330 75.060 75.060 0.222 0.222 136.500 136.500 3.957 3.957 20.86220.862 99.600 99.600 64.600 64.600 82.100 82.100 179.780 179.780 80.330 80.330 99.450 99.450 0.222 0.222 204.700 204.700 5.129 5.129 2.5782.578 261.600 261.600 113.200 113.200 187.400 187.400 369.320 369.320 80.330 80.330 288.990 288.990 0.222 0.222 341.200 341.200 4.162 4.162 16.76916.769  Experimen

 Experimento para conto para conveccióvección forzada flun forzada flujo de aire jo de aire al 50%al 50% 52.300 52.300 62.900 62.900 57.600 57.600 135.680 135.680 80.330 80.330 55.350 55.350 0.222 0.222 81.840 81.840 6.660 6.660 ---- ----67.200 67.200 83.600 83.600 75.400 75.400 167.720 167.720 80.330 80.330 87.390 87.390 0.222 0.222 136.500 136.500 7.036 7.036 ---- ----79.500 79.500 106.700 106.700 93.100 93.100 199.580 199.580 80.330 80.330 119.250 119.250 0.222 0.222 204.700 204.700 7.732 7.732 ---- ----70.000 70.000 174.400 174.400 122.200 122.200 251.960 251.960 80.330 80.330 171.630 171.630 0.222 0.222 341.200 341.200 8.955 8.955 ---- ----Tabla No. 8

Tabla No. 8 Procesamiento de datos Para convección libre y convección forzada. Procesamiento de datos Para convección libre y convección forzada.

 Resultados.  Resultados. Potencia Potencia (Btu (Btu  /hr)  /hr)

ℎℎ

11

 

 

/

/



 ∗ ∗ °° ℎℎ

22

 

 

/

/



 ∗ ∗ °° ℎℎ

33

 

 

/

/



 ∗ ∗ °°

81.840 81.840 3.415 3.415 2.879 2.879 6.6606.660 136.500 136.500 5.007 5.007 3.957 3.957 7.0367.036 204.700 204.700 6.707 6.707 5.129 5.129 7.7327.732 341.200 341.200 9.125 9.125 4.162 4.162 8.9558.955 Tabla No. 9

Tabla No. 9 Resumen de datos para Coeficientes de convección en diferentes etapas. Resumen de datos para Coeficientes de convección en diferentes etapas.

ℎℎ

11

 Corresponde a una Corresponde a una convección libre con una posición vertical de la placa.

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 Anexos D

 Anexos D –  –  Preguntas Evaluativas. Preguntas Evaluativas. 1.

1. ¿Hay alguna diferencia en la transferencia de calor por convección en el aire inmóvil para una¿Hay alguna diferencia en la transferencia de calor por convección en el aire inmóvil para una  placa de

 placa de metal en metal en las posicionlas posiciones veres vertical y hotical y horizontal? rizontal? Explica tu Explica tu respuestarespuesta

Si hay una diferencia entre el coeficiente de convección de una placa móvil y una placa vertical, Si hay una diferencia entre el coeficiente de convección de una placa móvil y una placa vertical,  para la

 para la conveccconvección ión libre. La libre. La situación se situación se debe que debe que para una para una placa vertical el placa vertical el aire se aire se retrae más,retrae más, ocasionando que la capa limite se genere mayormente y hace que los esfuerzos cortantes generados ocasionando que la capa limite se genere mayormente y hace que los esfuerzos cortantes generados  por las

 por las esfuerzos viscosos genera mayoesfuerzos viscosos genera mayor fr flujo de calor. Por lujo de calor. Por ende el coeficiente de calor en ende el coeficiente de calor en placaplaca vertical es mayor al coeficiente de calor con posición vertical.

vertical es mayor al coeficiente de calor con posición vertical.  2.

 2. ¿Cómo cambian las características de transferencia neta con respecto a convección libre y¿Cómo cambian las características de transferencia neta con respecto a convección libre y  convec

 convección forzadación forzada??

Las características que cambian son el cambio en el gradiente de temperatura y en el mismo Las características que cambian son el cambio en el gradiente de temperatura y en el mismo coeficiente de transferencia de calor, porque el área no afecta puesto a que es la misma área en coeficiente de transferencia de calor, porque el área no afecta puesto a que es la misma área en cualquiera de los dos casos. La generación de la capa limite varia en los dos casos.

cualquiera de los dos casos. La generación de la capa limite varia en los dos casos.

 3.

 3. ¿Cómo el llamado "factor de enfriamiento del viento" entra en una medida de la frialdad de un¿Cómo el llamado "factor de enfriamiento del viento" entra en una medida de la frialdad de un  día de inv

 día de invierno?ierno?

El movimiento del aire aumenta también el intercambio de calor por convección, favoreciendo que

El movimiento del aire aumenta también el intercambio de calor por convección, favoreciendo que

la temperatura de un objeto alcance la temperatura del aire ambiente. En esta cuestión este efecto

la temperatura de un objeto alcance la temperatura del aire ambiente. En esta cuestión este efecto

es muy poco importante porque lo más que puede enfriar un cuerpo seco es hasta la temperatura

es muy poco importante porque lo más que puede enfriar un cuerpo seco es hasta la temperatura

del aire, que es la temperatura seca, considerada sin viento. Quiere decir esto que los objetos secos,

del aire, que es la temperatura seca, considerada sin viento. Quiere decir esto que los objetos secos,

sin humedad superficial, sea debida al sudor o simplemente mojados, no se enfriaran por debajo de

sin humedad superficial, sea debida al sudor o simplemente mojados, no se enfriaran por debajo de

la temperatura ambiente, de modo que este índice solo sirve para el cuerpo humano o de animales

la temperatura ambiente, de modo que este índice solo sirve para el cuerpo humano o de animales

que tengan evapotranspiración. En los cuerpos secos, el único influjo del viento será reducir el

que tengan evapotranspiración. En los cuerpos secos, el único influjo del viento será reducir el

tiempo de enfriamiento, acelerando la convección, hasta llegar a la temperatura seca del aire.

tiempo de enfriamiento, acelerando la convección, hasta llegar a la temperatura seca del aire.

(Machine, 2005)

(Machine, 2005)

 4.

 4. ¿Hay algún cambio significativo en ℎ¿Hay algún cambio significativo en ℎ  para las diferentes con para las diferentes configuracionefiguraciones de potencia en unas de potencia en una  prueba?

 prueba?

Los cambios que se generaron fueron, bueno se diría que lineales no están tan distantes en los Los cambios que se generaron fueron, bueno se diría que lineales no están tan distantes en los  parámetro

 parámetros que se qs que se quiso conseuiso conseguir. Y los guir. Y los coeficiencoeficientes de ctes de conveccióonvección térmicn térmica están a están casi elecasi elevados avados a una unidad.

una unidad.

 5.

Figure

Actualización...

Referencias

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