INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

UNIDAD AZCAPOTZALCO

Transferencia de calor

Práctica 2

Equipo 1

Integrantes No. Boleta No. Lista

Rivas Ramos Miguel Ángel 2013360731 27

Ruiz Aguirre Luz María 2012360781 29

Pérez Arcos Oscar 2012360659 25

Muciño Bárcenas Diego 2013361180 22

González Altamirano Eddy Saúl 2013361206 15

Delgado Hernández Víctor Hugo 2013360645 06

Profesora: Ángeles Zurita Rosa Angélica

ObjetivoSe calculó el espesor de la capa limite térmica e hidrodinámica a la mitad y al final de una lámina de plástico, el experimento consistió en observar la transferencia de calor de la placa hacia el aire así mismo se varió el flujo calórico y la velocidad del fluido para analizar su comportamiento.

Regímenes de flujo en el intercambio térmico

Uno de los factores más importantes que rigen la transferencia térmica es la resistencia al flujo térmico a través de las diferentes 'capas' que forman la barrera entre los dos fluidos.

La fuerza motriz del intercambio térmico es la diferencia entre los niveles de temperatura de los fluidos frio y caliente, cuanto mayor la diferencia de temperatura, mayor será el ratio al que el calor fluirá entre ellos y el diseñador debe optimizar los niveles de temperatura en cada tramo del intercambiador para maximizar el ratio total de transferencia de calor.

La resistencia a la transferencia de calor se forma por 5 'capas', a saber:

1. La 'capa límite' interna, formada por el fluido moviéndose en contacto cercano con la superficie interna del tubo.

2. La capa de ensuciamiento formada por el depósito de sólidos o semisólidos en la superficie interna del tubo (esta capa puede estar presente o no).

3. El grosor de la pared del tubo y el material usado gobernarán la resistencia al flujo de calor a través del tubo en sí mismo.

4. La capa de ensuciamiento formada por el depósito de sólidos o semisólidos en la cara externa del tubo (esta capa puede estar presente o no).

5. La 'capa límite' externa, formada por el otro fluido en contacto cercano con la cara externa del tubo.

Las capas límite

Cuando un producto viscoso fluye en contacto con un tubo a una baja velocidad lo hace de modo que no se produce ningún tipo de mezclado del fluido, la capa límite, la parte del fluido en contacto con el tubo, verá disminuida su velocidad ligeramente por una resistencia viscosa y el calor fluirá hacia (o desde) la pared del tubo mediante conducción y/o convección.

Conforme la velocidad del fluido se vea incrementada, se alcanzará un punto en el que el fluido empezará a formar turbulencias, punto en el que la capa límite se rompe y se separa de la pared del tubo, y el fluido se mezcla con la parte más interna del mismo, más alejada de la pared del tubo.

La velocidad a la que esto ocurre se ve influida por muchos factores, la viscosidad del fluido, la rugosidad de la pared del tubo, la forma del tubo, el tamaño del tubo, etc.

Para poder cuantificar la turbulencia (o falta de ésta) de un modo práctico, los ingenieros que diseñan de intercambiadores de calor usan un número adimensional llamado número de Reynolds, que se calcula como sigue:

Re = D.G/µ

Dónde:

D = diámetro hidráulico del tubo (m) G = velocidad de la masa (kg/m².s) µ = viscosidad del fluido (kg/m.s)

Flujo laminarMediante la experiencia se ha determinado que para números de Reynolds de menos de 1200, se dan las condiciones en las que el flujo no se separa de la pared del tubo, lo que se denomina 'flujo laminar'. Las propiedades físicas del fluido son los factores determinantes para un intercambiador de calor funcionando de este modo, lo cual es ineficiente en términos de intercambio térmico.

La línea azul de la gráfica pertenece a una configuración de tubo liso, mientras que la roja corresponde a un intercambiador de tubo corrugado. Puede observarse que, independientemente de que los tubos estén corrugados o no, al operar en un régimen de flujo laminar, la corrugación no tiene ningún efecto positivo hasta que el número de Reynolds sube por encima de 1000.

Zona de transición

Para valores de Reynolds entre 1200 y 2000 existe una zona de incertidumbre denominada 'zona de transición' en la que puede o no generarse turbulencia, dependiendo de otros factores impredecibles. Al tratarse de un área de incertidumbre, los ingenieros tratan de evitar diseñar intercambiadores que funcionen en este régimen.

Puede observarse en este caso que cuando los tubos están corrugados, proporcionan una mejora significativa cuando el número de Reynolds está por encima de 1000, pero aún por debajo de 2000 requerido para régimen turbulento en un tubo liso.

Flujo Turbulento

Para números de Reynolds por encima de 2000 existen perturbaciones en el flujo y esta condición se describe como 'flujo turbulento', en el que la capa límite se mezcla significativamente con el grueso del fluido. Este es el modo más eficiente de trabajar para un intercambiador de calor.

Este gráfico muestra que la corrugación en regímenes turbulentos proporciona una mejora significativa para números de Reynolds por encima de 2000 cuando se compara con los tubos lisos equivalentes.

Se han intentado numerosas técnicas para reducir el valor del número de Reynolds crítico (valor al que se empieza a producir el flujo turbulento), pero la mayoría tienen la desventaja de que también aumentan la resistencia del fluido a fluir, aumentando también la pérdida de carga, a un ratio que crece más rápidamente de lo que decrece la resistencia de la capa límite. Algunas no son utilizables cuando el fluido presenta sólidos en suspensión, otras tampoco cuando el fluido es muy viscoso.

Una técnica universalmente útil y que no tiene las desventajas de las otras consiste en deformar el tubo con un surco o indentación continua en espiral a lo largo del mismo o bien indentaciones intermitentes puntuales. La investigación demuestra que seleccionando la profundidad, ángulo y anchura de la indentación correctamente, el número de Reynolds crítico puede ser reducido significativamente por debajo de 2000.

Para valores del número de Reynolds por encima de 2000 este tipo de deformación también incrementa significativamente la cantidad de turbulencia y por tanto el ratio de intercambio térmico, el cual si se balancea correctamente junto con otros factores, puede ayudar a reducir la el área o superficie total de intercambio requerida y por tanto también el costo del intercambiador de calor.

Este tipo de mejoras y sus beneficios pueden verse en todo nuestro rango de intercambiadores de calor de tubos corrugados.También puede ver unas animaciones virtuales que simulan los diferentes comportamientos comportamiento de un flujo con partículas en suspensión pasando a través de un tubo liso y de un tubo corrugado.

Convección

La transferencia de calor por convección se sustenta tanto en el movimiento molecular aleatorio como en el movimiento volumétrico del fluido en la capa límite. De acuerdo con la naturaleza del flujo, se clasifica en:

• Convección forzada. Cuando el flujo es causado por medios externos

• Convección libre o natural. El flujo es inducido por fuerzas de empuje que surgen a partir de diferencias de densidad ocasionadas por variaciones de temperatura en el fluido

Sin importar la naturaleza particular del proceso de transferencia de calor por convección, la ecuación que se utiliza es:

Capa límite térmica e hidrodinámicaUna consecuencia de la interacción fluido superficie es el desarrollo de una región en el fluido en‐ la que la velocidad varía de cero en la superficie a un valor finito u ∞ asociado con el flujo. Esta región del fluido se conoce como capa límite hidrodinámica o de velocidad. Al tener también una

diferencia térmica, existe también una región del fluido a través de la cual la temperatura varía de Ts en y=0 a T∞ en el flujo exterior. A esta región se le llama capa límite térmica.

La presencia de la placa retarda el movimiento del fluido. A la distancia δ su efecto es insignificante.

Parámetro adimensional, a partir del cual se determina la resistencia de rozamiento de la superficie

Y para un fluido newtoniano se puede calcular el esfuerzo cortante en la superficie como:

Donde μ es una propiedad del fluido llamada viscosidad dinámica.

Flujo laminar: Muy ordenado Flujo turbulento: altamente irregular, aumentan qs’’ y τs .

La mezcla como resultado de las fluctuaciones de la capa límite turbulenta, ocasiona espesores de capa límite más grandes y perfiles de capa límite (velocidad y térmica) más planos que un flujo laminar. Evolución del coeficiente de transferencia de calor por convección h y de la capa límite térmica δt.

La transición comienza en alguna posición crítica xc. Este punto se determina mediante el número de Reynolds.

Para placa plana varía entre 105 y 106, dependiendo de la aspereza de la superficie y el nivel de turbulencia del flujo libre x se toma desde el inicio de la superficie.

El número de Reynolds crítico es el valor Rex para el cual comienza la transición. Se supone un valor representativo de (para placa plana)

Numero de Reynolds

Se interpreta como la razón de las fuerzas de inercia a las fuerzas viscosas en la capa límite hidrodinámica. Las fuerzas de inercia se asocian con un aumento en el flujo de momento del fluido que se mueve a través del volumen de control.

Para valores grandes de Re, dominan las fuerzas de inercia y para valores pequeños lo hacen las fuerzas viscosas.

El número de Reynolds determina la existencia de flujo laminar o turbulento. En cualquier flujo existen pequeñas perturbaciones que se pueden amplificar para producir condiciones turbulentas. A Re pequeños, las fuerzas viscosas son suficientemente grandes con respecto a las de inercia para evitar esa amplificación, y se mantiene el flujo laminar. Al aumentar Re, los efectos viscosos se hacen menos importantes y esas perturbaciones se amplifican hasta que ocurre la transición. La magnitud de Re también influye en el espesor de la capa límite hidrodinámica. Al aumentar Re en una posición fija sobre una superficie, esperamos que las fuerzas viscosas influyan menos en relación con las de inercia. Por ello, los efectos de viscosidad no penetran tanto en el flujo libre y el valor de δ disminuye.

Numero de Prandtl

Es una razón de la difusividad del momento v a la difusividad térmica. Las fuerzas de inercia se asocian con un aumento en el flujo de momento del fluido que se mueve a través del volumen de control.

Como se ve en la tabla, en el caso de los gases el número de Prandtl es cercano a 1, lo que indica que la transferencia de energía y momento por difusión son comparables. El calor se difunde muy rápidamente en metales líquidos (Pr˂˂1) y muy lentamente en aceites (Pr˃˃1) con respecto al momento. Es decir, el espesor de la capa límite térmica, es comparable al de la hidrodinámica para gases, bastante mayor para los metales líquidos y considerablemente menor para los aceites.

Q=5W

vel.(m/s) T∞(ºC) Tp(ºC) Formula

1) 0.6 18 18.8 Re=((vel)(L))/V2) 0.8 18 20.0 Nu=0.332Re0.5Pr0.33

3) 1 18.5 22.4 h=((Nu)(k))/L4) 1.2 18.65 24.0 e=((Q/h∆T)-0.0055)/0.21

1) Propiedades a 291.55KV=15.13X10-6 m2/s Re=4362.194

Pr=0.709 Nu=19.559

k=25.624X10-3 W/mK h=4.556 W2/m2K

e=6.506m

2) Propiedades a 292.15KV=15.19X10-6 m2/s Re=5793.28

Pr=0.709 Nu=22.54

k=25.67X10-3 W/mK h=5.19 W2/m2K

e=2.267m

3) Propiedades a 293.6KV=15.32X10-6 m2/s Re=7180.156

Pr=0.708 Nu=25.102

k=25.788X10-3 W/mK h=5.884 W2/m2K

e=1.011m

4) Propiedades a 294.47KV=15.39X10-6 m2/s Re=8576.998

Pr=0.708 Nu=27.42

k=25.85X10-3 W/mK h=6.443 W2/m2K

e=0.62m

Q=15W

vel.(m/s) T∞(ºC) Tp(ºC) Formula

1) 0.6 19 32.1 Re=((vel)(L))/V2) 0.8 19.5 35.1 Nu=0.332Re0.5Pr0.33

3) 1 19.9 39.7 h=((Nu)(k))/L4) 1.2 20 42.5 e=((Q/h∆T)-0.0055)/0.21

1. Propiedades a 298.7KV=15.77X10-6 m2/s Re=4185.16

Pr=0.7073 Nu=19.15

k=26.196X10-3 W/mK h=4.562 W2/m2K

e=1.169m

2. Propiedades a 300.45KV=15.93X10-6 m2/s Re=5524.16

Pr=0.706 Nu=21.99

k=26.33X10-3 W/mK h=5.265 W2/m2K

e=0.843m

3. Propiedades a 298.7KV=16.20X10-6 m2/s Re=6790.12

Pr=0.706 Nu=24.38

k=26.53X10-3 W/mK h=5.88 W2/m2K

e=0.587m

4. Propiedades a 298.7KV=16.33X10-6 m2/s Re=8083.28

Pr=0.706 Nu=26.60

k=26.62X10-3 W/mK h=6.439 W2/m2K

e=0.466m

Conclusión.

En esta práctica aprendimos a calcular el flujo de calor a diferentes velocidades y temperaturas al igual que calcula el espesor necesario.

Podemos observar que la transferencia de calor por convección de una placa plana es menor a comparación a las prácticas anteriores ya que el área de transferencia es menor en nuestra placa, quedando así un claro ejemplo de cómo se lleva a cabo la transferencia por convección. Constituido por un tubo por el cual un fluido de aire debido a un ventilador y donde se realiza la transferencia de calor en la pared interior del tubo.Con esta práctica se determina si el flujo es laminar o turbulento y por lo tanto se puede conocer el número de Reynold's para realizar los cálculos respectivos.