������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
Determinaci�n del coeficiente convectivo de transferencia de calor (Hc) en la evaluaci�n del equipo de convecci�n forzada
Determination of the convective heat transfer coefficient (Hc) in the evaluation of forced convection equipment
Determina��o do coeficiente de transfer�ncia de calor por convec��o (Hc) na avalia��o de equipamentos de convec��o for�ada
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 Butr�n-Pinazo III
sandrabp3@gmail.com
https://orcid.org/0000-0001-6653-8266
Correspondencia: ingluisalberto83@gmail.com �
Ciencias t�cnicas y aplicadas�
Art�culo de investigaci�n
��������������������������������������� ���������������������������������������������
*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 determinaci�n del coeficiente convectivo de transferencia de calor (hc) se tuvo que encontrar los par�metros �ptimos para las variables independientes como son la temperatura de pared o superficie y el flujo m�sico, 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.
Despu�s se
realizaron los c�lculos 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 tambi�n como el flujo m�sico (
�)
y el n�mero 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 relaci�n a la temperatura de salida y para evaluar el tipo de r�gimen, es haciendo corridas en el mismo equipo, luego de haber sido dise�ado, armado y listo para el funcionamiento, acci�n que nos permiti� hacer corridas exitosas y lograr por ende resultados satisfactorios con el equipo.
Palabras claves: Coeficiente convectivo; temperatura; ca�da de presi�n.
�
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 determina��o do coeficiente de transfer�ncia de calor convectivo (hc) teve que encontrar os par�metros �timos para as vari�veis independentes como a temperatura da parede ou da superf�cie e o fluxo de massa, onde se constatou que o sistema atinge o estado estacion�rio ap�s 40 minutos. Aproximadamente e as avalia��es foram feitas em estado estacion�rio ao longo de 120 minutos para cada teste experimental.
Em seguida, foram realizados os c�lculos para determinar o coeficiente convectivo de transfer�ncia de calor () em um tubo horizontal, bem como a velocidade do fluido na descarga do orif�cio medidor () e tamb�m como a vaz�o m�ssica () e o n�mero de Reynolds, que interessa-nos determinar o coeficiente de transfer�ncia de calor convectivo (hc) no equipamento.
O procedimento a ser utilizado para o medidor de orif�cio, a rela��o com a temperatura de sa�da e para avaliar o tipo de regime, � fazendo rodar corridas no mesmo equipamento, ap�s ter sido projetado, montado e pronto para opera��o, a��o que nos permitiu realizar corre bem e, portanto, consegue resultados satisfat�rios com a equipe.
Palavras-chave: Coeficiente convectivo; temperatura; queda de press�o.
Introducci�n
El problema que complica el estudio de la operaci�n de transferencia de calor es la determinaci�n del coeficiente de convecci�n, teniendo en cuenta que en la transferencia de calor por convecci�n, se tiene dos tipos de transferencia, que son: convecci�n natural y convecci�n forzada, los mismos que surgen de la observaci�n y el comportamiento que exhibe dicho proceso. Los procesos de transferencia de calor son de conducci�n, convecci�n y radiaci�n se estudian convenientemente en forma independiente; sin embargo, en todo proceso de transformaci�n se requiere de calor.
En el proceso de transferencia de calor por convecci�n es muy importante determinar el coeficiente convectivo de transferencia de calor, ya que a partir de este dato se puede realizar el dise�o de los equipos de transferencia de calor, as� como tambi�n realizar las modificaciones de un proceso en la industria qu�mica.
Para la determinaci�n del coeficiente de convecci�n 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 c�lculo del coeficiente convectivo de transferencia de calor, as� como las ecuaciones emp�ricas que existen en la bibliograf�a 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, espec�ficamente para determinar el coeficiente convectivo (hc) de transferencia de calor, para relacionar los problemas con la aplicaci�n de la ecuaci�n de enfriamiento o calentamiento de Newton.
�
M�todologia
Generalidades del experimento de flujo de calor de pared especificada
El equipo experimental permiti� realizar ensayos de convecci�n forzada sea en flujo turbulento en forma r�pida y exacta observando ca�das de presi�n a trav�s 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 analog�a de Reynolds para aire (St = f/8)( Welty 2002)
� El valor de numero de Nusselt, Nu y su comparaci�n con f�rmulas emp�ricas
� El coeficiente global de transferencia de calor
� El n�mero de Stanton, St.
� Perfil de temperatura media del fluido en la direcci�n axial
� Perfil de temperatura superficial del tubo en la direcci�n axial.
� Factor de fricci�n f y su comparaci�n con el valor experimental.
� Por tanto, las variables a medir son:
Del proceso:
� Caudal de aire
� Ca�da de presi�n 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
� Di�metro interno y externo
� Tipo de material
Prueba experimental y su descripcion
Diagrama de operacion
![]() |
Figura 1: Elaboraci�n 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 evaluaci�n preliminar se ensay� con un caudal m�ximo de aire y para mejorar la confiabilidad de los datos adquiridos se repiti� el experimento tres veces. Las lecturas de caudal, ca�da de presi�n, voltaje, amperaje y temperaturas fueron efectuadas manualmente.
Tabla 1: Descripci�n 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� simbolog�a 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 discusi�n
En la siguiente tabla 2 se muestra todos los datos registrados del ensayo del experimento para las condiciones de caudal m�ximo de aire.
Tabla 2: Datos de temperatura, presi�n y tiempo en el equipo
Tiempo |
Temperatura superficie del tubo de ensayo (�C) |
Temperatura de aire (�C) |
Ca�da de Presi�n (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: Elaboraci�n propia
De los resultados se observa que el estado estacionario alcanza en un promedio de una hora. Adem�s, se ha tratado de distribuir uniformemente la resistencia.
C�lculos
1. An�lisis Ca�da de Presi�n en el orificio
Datos:
Dh = 17 mmH2O= 0.017m (le�do en man�metro U)
Tamb=14�C
g = 9.81 m/s2
ρ= 999.22 (Temperatura ambiente 14�C)
������������������������� (1)
2. An�lisis de Caudal y Velocidad de Aire en orificio:
Datos: Experimentales:
����������������������� Tamb=14�C = 287.15 K
Te�ricos:
P1 = 79 mm H2O
P2 = 62 mm H2O
Co = 0.62 (Valiente 1990)
D = 42.8mm = 0.0428m (di�metro interno tuber�a)
d = 31.20mm = 0.0312m (di�metro orificio)
�(Factor
de conversi�n de dimensiones)��������������������������������������������� (2)
Densidad
del aire a temperatura ambiente (anexo3)
������������������������������������������������������������������������������������������������������� (3)
k = Relaci�n de capacidades calor�ficas
k = 1.4031�
�����������
Ecuaciones
�
(Ecuaci�n para calcular la presi�n puntual P1)
�
(Factor emp�rico de comportamiento ideal en gases)��� (4)
�(Ecuaci�n
de c�lculo de velocidad en el orificio)������������������������ (5)
Calculos
������������������������������������������������������������������������������� (6)
�
Remplazando en la ecuaci�n de velocidad en el orificio
�
�
3. An�lisis flujo m�sico aire:
Datos: Te�ricos
�
�
D = 42.8mm = 0.0428m
Ecuaciones
�
�����������
Calculos
�
4. An�lisis del n�mero adimensional de Reynolds:
Reynolds en orificio: (donde la T del aire es la misma que la del medio ambiente)
Datos:
�
�
(di�metro de orificio)
m =Viscosidad del aire a temperatura ambiente (14�C=287.15 K)
m = 1.8543E-5 kg/m*s
����������� Ecuacion:
Donald Q. Kern.1999
�
Calculos
����������� �����������
El n�mero de Reynolds > 20000; confirma las aseveraciones in�ciales de Co=0.62, que se tiene en la teor�a y los c�lculos son validos
4.1. Reynolds en tuber�a de ensayo:
Datos:
Ta: 24.5 �C
Tb: 66.26 �C
Tab: 57.63 �C = 330.78 K
dtubo = 28.4mm = 0.0284m (di�metro de tuber�a de ensayo)
�aire: 2.0077E-5 kg/m.s
Ecuaciones
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� (7)
��� �
�����������
5. An�lisis de la velocidad del aire en el tubo de ensayo ( ):
Datos: Tab: �57.63 C = 330.78 K
����������������������� ����������� ����������
dTubo =28.4mm = 0.0284m (di�metro interno de tuber�a de ensayo)
�
��Densidad
del aire a la Temp promedio de la entrada y la salida (
����������������������� �1.0066
kg/m3
Ecuaciones:�
������������������������������������������������������������������� (8)
�����������������������
C�lculos:�
�����������
6. An�lisis del balance de energ�a:
Determinaci�n� flujo
de calor
Datos:
����������� Ta: 24.5 �C
����������� Tb: 66.26 �C
����������� Tab: 57.63 �C
����������� �
Cpaire
= Capacidad Calor�fica del aire dentro del tubo de ensayo a la ,
Interpolando:
T (K) |
|
300 |
1005.7 |
313.45 |
|
350 |
1009.0 |
Cp= 1007.7 KJ/kg.K
������������ ��������������������������������������������������������������������������������� (9)
En ecuaciones compuestas se tiene (1�C= 1K)
Calor ganado por el aire
C�lculos:�������
����������� Q1= (0.0198)(1007.7)(66.26-24.5)����
����������� Q1= 883.21J/s = 883W
7. An�lisis flujo de energ�a
Datos
dTubo = 28.4mm = 0.0284m (Di�metro interno tubo de ensayo)
����������������������� L = 1.1m (Longitud del tubo de ensayo)
;
(�rea de transferencia de calor)
Q1= 883.21J/s = 883W
Ecuaciones: ��� ��
C�lculos:�������� ������� �
8. Verificaci�n analog�a Reynolds
La analog�a 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 t�rmica 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 suposici�n de la Analog�a.
9. An�lisis del factor de fricci�n
El factor de
Fricci�n� ,
est� en funci�n 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 fricci�n
lo evaluamos con la correlaci�n de CHEN. (Para un an�lisis m�s detallado se
recomienda utilizar un valor de
�extra�do
de TABLAS (ANEXO 05), tomando como base un acero comercial de 1 pulg de
di�metro)
�����������
Datos: �
Ecuaciones:
�
���������������������� (11)
(Para un an�lisis
mas detallado se recomienda utilizar un valor de� �extraido
tomando como base un acero comercial de 1 pulg de di�metro)
Como �,
la ecuaci�n quedar�a:
�
C�lculos:
�
10. An�lisis del n�mero a dimensional de Stanton (St):
Datos: � =
0.0054
Ecuaciones:
�
11. Determinaci�n 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 ecuaci�n (i) tenemos
Calculando con
la siguiente ecuaci�n:
����������� ������������������������������������������������������������� ����������� (13)
�
Donde:
Z=0.00
�Se tiene:
������ �
De la ecuaci�n (ii) tenemos:
Calculando� con la siguiente ecuaci�n:
���������������� �
� ����������.(*)
De la ecuaci�n (*) se tiene que uno de los datos esta en grados kelvin por las unidades entonces hacemos la conversi�n de ah� tenemos
T(�C)= 421-273.15
T(�C)= 147.85
Entonces reemplazando en la ecuaci�n (*) se tiene:
��C
Resultados de c�lculo tabulados en la siguiente tabla se muestra gr�ficamente.
Tabla 3:� Datos tabulados de temperatura del fluido y la pared del tubo
distancia axial |
T� Fluido |
T� pared teorico |
T� pared Exper |
|
|
|
|
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: Elaboraci�n 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 convecci�n forzada en un tubo horizontal para el flujo turbulento y se encuentra dentro del rango para el aire que tiene un valor que var�a de 11.3 � 55 W/m2K.
El valor obtenido
del flujo m�sico del aire con relaci�n a� la temperatura de salida� �que
corresponde el equipo de convecci�n 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 m�sico 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 n�mero de Reynolds y se obtuvo el valor de (Re=44212.77), este dato corresponde seg�n bibliograf�a 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
1. Mills, A. (1994) Transferencia de Calor. Editorial McGraw-Hill.
2. Bird, r.b. / Stewart, w. E. / Lightfoot, e. N. (1992) �Fen�menos de Transporte�. Editorial REVERTE, S.A.
3. Donald Q. K, (1987) Procesos de Transferencia de Calor, Cia. Editorial Continental S. A. (CECSA), M�xico; Vig�sima Impresi�n.
4. Incropera, Frank. (1999) Fundamentos de Transferencia de Calor. Editorial Prentice Hall, Cuarta Edici�n.
5. Geankoplis, C. J. (1998) �Procesos de transporte y operaciones unitarias�. Tercera edici�n. Editorial CESCA.�
6. Holman, J.P. (1998) TRANSFERENCIA DE CALOR, Octava Edici�n, McGraw-Hill/Interamericana, Espa�a.
7. James R. W, (1997) FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE MOMENTO, CALOR Y MASA, Editorial Limusa S. A., M�xico, Octava Reimpresi�n.
8. Kreith, Bohn M, S. (2001) PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. Editorial Thomson � learning. sexta edici�n
9. Necati O., (1979) TRANSFERENCIA DE CALOR, Editorial Mc Graw Hill Latinoamericana S. A. Bogot�, Colombia.
10. Perry J. H. �Manual del Ingeniero Qu�mico�. Sexta edici�n. Editorial McGRAW HILL.
11. Perry R. H. � Chilton H. (1986) �Biblioteca del Ingeniero Qu�mico� Edit. Mc GRAW HILL M�XICO.�
12. Valiente A, � NORIEGA J. (1993) �Manual de Ingeniero Qu�mico� Edit. LIMUSA M�XICO.�
13. Valiente A., (1994). �Transferencia de Calor� Edit. LIMUSA � M�XICO. 2002.�
14. Yunus A. C. (2005) TRANSFERENCIA DE CALOR. Editorial McGrawHill. Segunda edici�n � 2005.
15. Franco de R. Gloria ( 1991 ) �C�lculos de Intercambiadores de Calor por Elementos Finitos� , Integral Industrial.
16. Kreit. F. (1985) � Fluid Mechanics� Mechanical Engineering Handbook
17. Tello E.,(2007) �Estudio y simulaci�n del proceso de secado de quinua (chenopodium quinoa willd) en un secador de lecho fluidizado continuo.
� 2020 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)
(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).
Enlaces de Referencia
- Por el momento, no existen enlaces de referencia
Polo del Conocimiento
Revista Científico-Académica Multidisciplinaria
ISSN: 2550-682X
Casa Editora del Polo
Manta - Ecuador
Dirección: Ciudadela El Palmar, II Etapa, Manta - Manabí - Ecuador.
Código Postal: 130801
Teléfonos: 056051775/0991871420
Email: polodelconocimientorevista@gmail.com / director@polodelconocimiento.com
URL: https://www.polodelconocimiento.com/