Determinacin del coeficiente convectivo de transferencia de calor (Hc) en la evaluacin del equipo de conveccin forzada

 

Determination of the convective heat transfer coefficient (Hc) in the evaluation of forced convection equipment

 

Determinao do coeficiente de transferncia de calor por conveco (Hc) na avaliao de equipamentos de conveco forada

 

Luis Alberto Supo-Quispe I

ingluisalberto83@gmail.com

https://orcid.org/0000-0001-7892-3460

 

Jorge Aruhuanca-Cartagena II

jorge_ac20@hotmail.com

https://orcid.org/0000-0002-2733-8752

 

Sandra Beatriz Butrn-Pinazo III

sandrabp3@gmail.com

https://orcid.org/0000-0001-6653-8266

 

Correspondencia: ingluisalberto83@gmail.com

Ciencias tcnicas y aplicadas

Artculo de investigacin

 

*Recibido: 30 de enero de 2021 *Aceptado: 15 de febrero de 2021 * Publicado: 01 de marzo de 2021

 

       I.            Universidad Nacional del Altiplano Puno, Per.

    II.            Universidad Nacional del Altiplano Puno, Per.

III.            Universidad Nacional del Altiplano Puno, Per.


Resumen

La determinacin del coeficiente convectivo de transferencia de calor (hc) se tuvo que encontrar los parmetros ptimos para las variables independientes como son la temperatura de pared o superficie y el flujo msico, donde se encontr que el sistema alcanza el estado estacionario a los 40 minutos aproximadamente y se hizo las evaluaciones en el estado estacionario a lo largo de 120 minutos para cada prueba experimental.

Despus se realizaron los clculos para determinar el coeficiente convectivo de transferencia de calor () en un tubo horizontal, as como la velocidad del fluido en la descarga del medidor de orificio () y tambin como el flujo msico () y el nmero de Reynolds, los cuales nos interesa para determinar el coeficiente convectivo de transferencia de calor (hc) en el equipo.

El procedimiento a utilizar para el medidor de orificio, la relacin a la temperatura de salida y para evaluar el tipo de rgimen, es haciendo corridas en el mismo equipo, luego de haber sido diseado, armado y listo para el funcionamiento, accin que nos permiti hacer corridas exitosas y lograr por ende resultados satisfactorios con el equipo.

Palabras claves: Coeficiente convectivo; temperatura; cada de presin.

Abstract

The convective heat transfer coefficient (hc) determination had to find the optimal parameters for the independent variables such as the wall or surface temperature and the mass flow, where it was found that the system reaches the steady state after 40 minutes approximately and the evaluations were made in the steady state throughout 120 minutes for each experimental test.

Afterwards, the calculations were performed to determine the convective heat transfer coefficient () in a horizontal tube, as well as the fluid velocity at the discharge of the orifice meter () and also as the mass flow () and the Reynolds number, which we are interested in determining the convective heat transfer coefficient (hc) in the equipment.

The procedure to be used for the orifice meter, the relationship to the outlet temperature and to evaluate the type of regime, is by running runs on the same equipment, after having been designed, assembled and ready for operation, an action that allowed us make successful runs and therefore achieve satisfactory results with the team.

Keywords: Convective coefficient; temperature; pressure drop.

 

Resumo

A determinao do coeficiente de transferncia de calor convectivo (hc) teve que encontrar os parmetros timos para as variveis ​​independentes como a temperatura da parede ou da superfcie e o fluxo de massa, onde se constatou que o sistema atinge o estado estacionrio aps 40 minutos. Aproximadamente e as avaliaes foram feitas em estado estacionrio ao longo de 120 minutos para cada teste experimental.

Em seguida, foram realizados os clculos para determinar o coeficiente convectivo de transferncia de calor () em um tubo horizontal, bem como a velocidade do fluido na descarga do orifcio medidor () e tambm como a vazo mssica () e o nmero de Reynolds, que interessa-nos determinar o coeficiente de transferncia de calor convectivo (hc) no equipamento.

O procedimento a ser utilizado para o medidor de orifcio, a relao com a temperatura de sada e para avaliar o tipo de regime, fazendo rodar corridas no mesmo equipamento, aps ter sido projetado, montado e pronto para operao, ao que nos permitiu realizar corre bem e, portanto, consegue resultados satisfatrios com a equipe.

Palavras-chave: Coeficiente convectivo; temperatura; queda de presso.

 

Introduccin

El problema que complica el estudio de la operacin de transferencia de calor es la determinacin del coeficiente de conveccin, teniendo en cuenta que en la transferencia de calor por conveccin, se tiene dos tipos de transferencia, que son: conveccin natural y conveccin forzada, los mismos que surgen de la observacin y el comportamiento que exhibe dicho proceso. Los procesos de transferencia de calor son de conduccin, conveccin y radiacin se estudian convenientemente en forma independiente; sin embargo, en todo proceso de transformacin se requiere de calor.

En el proceso de transferencia de calor por conveccin es muy importante determinar el coeficiente convectivo de transferencia de calor, ya que a partir de este dato se puede realizar el diseo de los equipos de transferencia de calor, as como tambin realizar las modificaciones de un proceso en la industria qumica.

Para la determinacin del coeficiente de conveccin de transferencia calor (hc), se requiere de un equipo de transferencia de calor de flujo turbulento el cual nos permitir conocer a nivel de laboratorio las variables que se requiere para el clculo del coeficiente convectivo de transferencia de calor, as como las ecuaciones empricas que existen en la bibliografa para comparar cada una de ellas a partir de los resultados obtenidos luego de las pruebas experimentales.

En primer lugar, se ha construido un equipo de transferencia de calor, especficamente para determinar el coeficiente convectivo (hc) de transferencia de calor, para relacionar los problemas con la aplicacin de la ecuacin de enfriamiento o calentamiento de Newton.

Mtodologia

Generalidades del experimento de flujo de calor de pared especificada

El equipo experimental permiti realizar ensayos de conveccin forzada sea en flujo turbulento en forma rpida y exacta observando cadas de presin a travs de un medidor de orificio y de tubo en prueba y la temperatura de entrada del fluido (aire), lo que facilitara estudiar y determinar:

         La validez de la analoga de Reynolds para aire (St = f/8)( Welty 2002)

         El valor de numero de Nusselt, Nu y su comparacin con frmulas empricas

         El coeficiente global de transferencia de calor

         El nmero de Stanton, St.

         Perfil de temperatura media del fluido en la direccin axial

         Perfil de temperatura superficial del tubo en la direccin axial.

         Factor de friccin f y su comparacin con el valor experimental.

         Por tanto, las variables a medir son:

Del proceso:

         Caudal de aire

         Cada de presin en el tubo de ensayo

         Voltaje

         Corriente (amperaje)

         Temperatura de entrada y salida del fluido

         Temperatura de la superficie del tubo

 

Del tubo de ensayo:

         Longitud de prueba

         Dimetro interno y externo

         Tipo de material

 

Prueba experimental y su descripcion

Diagrama de operacion


Figura 1: Elaboracin Propia

 

Para cumplir el objetivo propuesto se requiere poner en marcha el equipo experimental para desarrollar diferentes ensayos utilizando como fluido de trabajo el aire proveniente de un ventilador que presenta rpm constante. Para la primera parte de evaluacin preliminar se ensay con un caudal mximo de aire y para mejorar la confiabilidad de los datos adquiridos se repiti el experimento tres veces. Las lecturas de caudal, cada de presin, voltaje, amperaje y temperaturas fueron efectuadas manualmente.

 

Tabla 1: Descripcin del equipo

EQUIPO DE CONVECCION FORZADA

 

DESCRIPCION

T1

T1 significa la toma de dato del valor de temperatura en el punto 1

T2

T2 significa la toma de dato del valor de temperatura en el punto 2

T3

T3 significa la toma de dato del valor de temperatura en el punto 3

T4

T4 significa la toma de dato del valor de temperatura en el punto 4

T5

T5 significa la toma de dato del valor de temperatura en el punto 5

T6

T6 significa la toma de dato del valor de temperatura en el punto 6

M1

M1 est simbologa significa el ventilador por donde s el ingreso de aire y es impulsado por un motor

Es la diferencia de presiones que se toma la lectura en las tomas piezometricas de un equipo de orificio.

Es la diferencia de presiones que se toma la lectura en las tomas piezometricas a la entrada del tubo y al final del tubo donde se calcula el coeficiente de transferencia de calor.

 

Resultados y discusin

En la siguiente tabla 2 se muestra todos los datos registrados del ensayo del experimento para las condiciones de caudal mximo de aire.

 

Tabla 2: Datos de temperatura, presin y tiempo en el equipo

Tiempo

Temperatura superficie del tubo de ensayo (C)

Temperatura de aire (C)

Cada de Presin

(mm de columna de agua)

min

Tw1

C

Tw2

C

Tw3

C

Tw4

C

Tw5

C

Tw6

C

T(0)

C

T(L)

C

Orificio

(Dh) mm

Tubo

(Dh) mm

0

21.2

21

21

21

21

21.4

14

15

0

0

4

50

50

56

51

49

32.8

22.2

46.3

17

22

8

72

73

79

75

72

50.2

22.5

57.2

17

22

12

83

85

90

86

83

62.2

22.8

60

17

22

16

89

90

95

92

87

69

23.2

62.7

17

22

20

91

93

97

94

89

72.7

23.4

63.4

17

22

24

92

94

98

95

90

74.7

23.8

64.4

17

22

28

93

94

99

96

91

75.7

24.1

64.3

17

22

32

93

95

99

96

91

76.8

24.1

66

17

22

36

94

95

99

96

91

76.8

24.4

65.3

17

22

40

94

95

100

96

92

76.7

24.5

67.0

17

22

44

94

96

100

97

92

77.7

24.6

66.5

17

22

PROMEDIO

80,51

81,75

86,08

82,91

79

63,80

24.5

66.26

 

 

Fuente: Elaboracin propia

 

De los resultados se observa que el estado estacionario alcanza en un promedio de una hora. Adems, se ha tratado de distribuir uniformemente la resistencia.

 

Clculos

1.      Anlisis Cada de Presin en el orificio

Datos:

Dh = 17 mmH2O= 0.017m (ledo en manmetro U)

Tamb=14C

g = 9.81 m/s2

ρ= 999.22 (Temperatura ambiente 14C)

(1)

 

2.      Anlisis de Caudal y Velocidad de Aire en orificio:

Datos: Experimentales:

Tamb=14C = 287.15 K

Tericos:

P1 = 79 mm H2O

P2 = 62 mm H2O

Co = 0.62 (Valiente 1990)

D = 42.8mm = 0.0428m (dimetro interno tubera)

d = 31.20mm = 0.0312m (dimetro orificio)

(Factor de conversin de dimensiones) (2)

Densidad del aire a temperatura ambiente (anexo3)

(3)

k = Relacin de capacidades calorficas

k = 1.4031

Ecuaciones

(Ecuacin para calcular la presin puntual P1)

(Factor emprico de comportamiento ideal en gases) (4)

(Ecuacin de clculo de velocidad en el orificio) (5)

 

Calculos

(6)

 

Remplazando en la ecuacin de velocidad en el orificio

 

3.      Anlisis flujo msico aire:

Datos: Tericos

D = 42.8mm = 0.0428m

 

Ecuaciones

 

Calculos

 

4.                  Anlisis del nmero adimensional de Reynolds:

 

Reynolds en orificio: (donde la T del aire es la misma que la del medio ambiente)

Datos:

(dimetro de orificio)

m =Viscosidad del aire a temperatura ambiente (14C=287.15 K)

m = 1.8543E-5 kg/m*s

Ecuacion:

Donald Q. Kern.1999

Calculos

El nmero de Reynolds > 20000; confirma las aseveraciones inciales de Co=0.62, que se tiene en la teora y los clculos son validos

 

4.1. Reynolds en tubera de ensayo:

Datos:

Ta: 24.5 C

Tb: 66.26 C

Tab: 57.63 C = 330.78 K

dtubo = 28.4mm = 0.0284m (dimetro de tubera de ensayo)

aire: 2.0077E-5 kg/m.s

 

Ecuaciones

(7)

5.                  Anlisis de la velocidad del aire en el tubo de ensayo ( ):

Datos: Tab: 57.63 C = 330.78 K

dTubo =28.4mm = 0.0284m (dimetro interno de tubera de ensayo)

Densidad del aire a la Temp promedio de la entrada y la salida (

1.0066 kg/m3

Ecuaciones: (8)

Clculos:

 

6.                  Anlisis del balance de energa:

Determinacin flujo de calor

Datos:

Ta: 24.5 C

Tb: 66.26 C

Tab: 57.63 C

Cpaire = Capacidad Calorfica del aire dentro del tubo de ensayo a la , Interpolando:

T (K)

(J/Kg.K)

300

1005.7

313.45

350

1009.0

 

 

 

 

Cp= 1007.7 KJ/kg.K

(9)

En ecuaciones compuestas se tiene (1C= 1K)

Calor ganado por el aire

Clculos:

Q1= (0.0198)(1007.7)(66.26-24.5)

Q1= 883.21J/s = 883W

 

7.                  Anlisis flujo de energa

Datos

dTubo = 28.4mm = 0.0284m (Dimetro interno tubo de ensayo)

L = 1.1m (Longitud del tubo de ensayo)

; (rea de transferencia de calor)

Q1= 883.21J/s = 883W

Ecuaciones:

Clculos:

 

8.                  Verificacin analoga Reynolds

La analoga de Reynolds se cumple cuando el numero Pr = 1

8.1.- Analizando Prantl:

Datos: Cp = 1.0077 (KJ/Kg.K)

*2.077E-5 (Kg/m.s)

k = Conductividad trmica del aire (ANEXO 03)

k = 2.85 E-5

Ecuaciones:

(10)

El valor de Pr se acerca mucho a 1; por lo tanto, se valida la suposicin de la Analoga.

 

9.                  Anlisis del factor de friccin

El factor de Friccin , est en funcin del Re y la rugosidad relativa ; pero es de suponer que en un tubo estirado como el del ensayo la rugosidad relativa se considera cero (0); se observa por lo tanto el factor de friccin lo evaluamos con la correlacin de CHEN. (Para un anlisis ms detallado se recomienda utilizar un valor de extrado de TABLAS (ANEXO 05), tomando como base un acero comercial de 1 pulg de dimetro)

Datos:

 

Ecuaciones:

(11)

(Para un anlisis mas detallado se recomienda utilizar un valor de extraido tomando como base un acero comercial de 1 pulg de dimetro)

Como , la ecuacin quedara:

Clculos:

 

10.              Anlisis del nmero a dimensional de Stanton (St):

 

Datos: = 0.0054

Ecuaciones:

 

11.              Determinacin del coeficiente convectivo de transferencia de calor:

Datos: = 0.000675

31.22 m/s

1.0077 KJ/Kg.K = 1007.7 J/Kg.K

1.0066 Kg/m3

 

Ecuaciones: (12)

 

Perfil axial de temperatura del fluido y de la pared del tubo al 100% (Compuerta de aire completamente abierto)

El perfil axial de temperatura tanto para el fluido como para la pared del tubo se calcula a partir de las siguientes ecuaciones

(i)

(ii)

De la ecuacin (i) tenemos

Calculando con la siguiente ecuacin:

(13)

Donde:

Z=0.00

Se tiene:

De la ecuacin (ii) tenemos:

Calculando con la siguiente ecuacin:

.(*)

De la ecuacin (*) se tiene que uno de los datos esta en grados kelvin por las unidades entonces hacemos la conversin de ah tenemos

T(C)= 421-273.15

T(C)= 147.85

Entonces reemplazando en la ecuacin (*) se tiene:

C

Resultados de clculo tabulados en la siguiente tabla se muestra grficamente.

 

Tabla 3: Datos tabulados de temperatura del fluido y la pared del tubo

distancia axial

T Fluido

T pared teorico

T pared Exper

(m)

(C)

(C)

(C)

0

14

162,2812442

94

0,22

22,86

171,1412442

96

0,44

31,73

180,0112442

100

0,66

40,59

188,8712442

97

0,88

49,46

197,7412442

92

1,1

58,32

206,6012442

77,7

Fuente: Elaboracin Propia

 

Conclusiones

El valor obtenido del coeficiente convectivo de transferencia de calor es 21.38 W/m2K. que corresponde a la transferencia de calor por conveccin forzada en un tubo horizontal para el flujo turbulento y se encuentra dentro del rango para el aire que tiene un valor que vara de 11.3 55 W/m2K.

El valor obtenido del flujo msico del aire con relacin a la temperatura de salida que corresponde el equipo de conveccin forzada con el cual se trabaj.

Para elevar el valor del coeficiente convectivo de transferencia de calor (hc) de 21.38 W/m2 K. se tiene que incrementar la velocidad de fluido y la cantidad del flujo msico en el sistema, esto se lograra incrementando la potencia del ventilador en el equipo, por ende, se cumple con el objetivo trabajado, pero no al 100% de su eficiencia.

Se determin el nmero de Reynolds y se obtuvo el valor de (Re=44212.77), este dato corresponde segn bibliografa a un flujo turbulento con el cual se trabaj.

Se determin los perfiles de temperatura en los seis puntos donde se obtuvo un ajuste polinomial en donde el valor de R=0.981, con eso decimos que es eficiente el equipo.

 

Referencias

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2.         Bird, r.b. / Stewart, w. E. / Lightfoot, e. N. (1992) Fenmenos de Transporte. Editorial REVERTE, S.A.

3.         Donald Q. K, (1987) Procesos de Transferencia de Calor, Cia. Editorial Continental S. A. (CECSA), Mxico; Vigsima Impresin.

4.         Incropera, Frank. (1999) Fundamentos de Transferencia de Calor. Editorial Prentice Hall, Cuarta Edicin.

5.         Geankoplis, C. J. (1998) Procesos de transporte y operaciones unitarias. Tercera edicin. Editorial CESCA.

6.         Holman, J.P. (1998) TRANSFERENCIA DE CALOR, Octava Edicin, McGraw-Hill/Interamericana, Espaa.

7.         James R. W, (1997) FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE MOMENTO, CALOR Y MASA, Editorial Limusa S. A., Mxico, Octava Reimpresin.

8.         Kreith, Bohn M, S. (2001) PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. Editorial Thomson learning. sexta edicin

9.         Necati O., (1979) TRANSFERENCIA DE CALOR, Editorial Mc Graw Hill Latinoamericana S. A. Bogot, Colombia.

10.     Perry J. H. Manual del Ingeniero Qumico. Sexta edicin. Editorial McGRAW HILL.

11.     Perry R. H. Chilton H. (1986) Biblioteca del Ingeniero Qumico Edit. Mc GRAW HILL MXICO.

12.     Valiente A, NORIEGA J. (1993) Manual de Ingeniero Qumico Edit. LIMUSA MXICO.

13.     Valiente A., (1994). Transferencia de Calor Edit. LIMUSA MXICO. 2002.

14.     Yunus A. C. (2005) TRANSFERENCIA DE CALOR. Editorial McGrawHill. Segunda edicin 2005.

15.     Franco de R. Gloria ( 1991 ) Clculos de Intercambiadores de Calor por Elementos Finitos , Integral Industrial.

16.     Kreit. F. (1985) Fluid Mechanics Mechanical Engineering Handbook

17.     Tello E.,(2007) Estudio y simulacin del proceso de secado de quinua (chenopodium quinoa willd) en un secador de lecho fluidizado continuo.

 

 

 

2020 por los autores. Este artculo es de acceso abierto y distribuido segn los trminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribucin-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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