coeficiente global u

7/26/2019 Coeficiente Global U

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Introduccin

La transferencia de calor se produce de tres formas, conduccin, conveccin y radiacin, estas

tres formas de transferencia de calor fueron vistas en ctedra.

En donde la trasferencia de calor por conduccin se produce por el contacto de dosmateriales, la conveccin es provocada por la interaccin de dos gases o dos fluidos. La

capacidad de transferencia de calor depende de la conductividad trmica de cada materia.

En este informe se desarrollara la transferencia de calor entre flujos, en un lquido y un gas. Se

utilizara aire y agua para el laboratorio, en el cual se realizarn prueba en paralelo y a

contracorriente. La trasmisin de energa se realizara de flujo a mayor temperatura hacia al de

menor temperatura, en el experimento realizado el aire transmite energa al agua.

Objetico

-

Realizar trasferencia de calor en flujos paralelos y contra corriente.

- Determinar el coeficiente global U.


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Marco terico

1.- Conduccin: Es una de las formas de transmisin (tambin se transmite por conveccin y

por radiacin). La caracterstica principal de la conduccin es que el calor viaja por el interior

de un medio material.

Para estudiar este asunto vamos a contar con dos cuerpos fuente. Llamamos fuente a aquellos

cuerpos que aunque reciben o ceden calor, no varan su temperatura. Al recibir una fuente

energtica de otro lado.

El traspaso del calor de un material a otro se puede cuantificar planteando el cociente Q/T

magnitud que no tiene nombre propio pero que queda claro que se trata de una potencia, y

sus unidades ms usuales sern watt, caloras por segundo, caloras por hora.

El calor viaja por adentro desde la fuente caliente hasta la fuente fra.

Viajar ms rpido cuanto mayor sea el rea, A, de la barra. Viajar ms lento cuanto ms larga

sea la barra, x. Viajar ms rpido cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre las

fuentes, T.

Pero tambin ocurrir que dependiendo del material de la barra viajar ms rpido o ms

lento. Hay materiales buenos conductores del calor y otros no tanto, y algunos tan poco

conductores que los llamamos aislantes. Esa propiedad intrnseca de los materiales que

describe su conductividad calrica se llama conductividad trmica y se simboliza con la letra k

minscula. Esta ley experimental es llamada Ley de Fourier.

Q=(- T*k*A)/L (1)

2.- Conveccin: La conveccin es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de

masa o circulacin dentro de la sustancia. Puede ser natural producida solo por las diferencias

de densidades de la materia o forzada, cuando la materia es obligada a moverse de un lugar a

otro, por ejemplo el aire con un ventilador o el agua con una bomba. Slo se produce en

lquidos y gases donde los tomos y molculas son libres de moverse en el medio. En la

naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmsfera por conduccin y radiacin cerca


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de la superficie, es transportado a otras capas o niveles de la atmsfera por conveccin. Un

modelo de transferencia de calor H por conveccin, llamado ley de enfriamiento de Newton,

es el siguiente:

Q = q A (TAT)

Donde q se llama coeficiente de conveccin, en W/(m2K), A es la superficie que entrega calor

con una temperatura T al fluido adyacente, que se encuentra a una temperatura T.

3.- Radiacin: La radiacin trmica es energa emitida por la materia que se encuentra a una

temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas las

direcciones. Esta energa es producida por los cambios en las configuraciones electrnicas de

los tomos o molculas constitutivos y transportada por ondas electromagnticas o fotones,

por lo recibe el nombre de radiacin electromagntica. La masa en reposo de un fotn (que

significa luz) es idnticamente nula.

A diferencia de la conduccin y la conveccin, o de otros tipos de onda, como el sonido, que

necesitan un medio material para propagarse, la radiacin electromagntica es independiente

de la materia para su propagacin, de hecho, la transferencia de energa por radiacin es ms

efectiva en el vaco. Sin embargo, la velocidad, intensidad y direccin de su flujo de energa se

ven influidos por la presencia de materia.

Coeficiente global U

El coeficiente global U corresponde al coeficiente global de transferencia de calor el cual se

concentran todos los mecanismos de transferencia de calor. Analticamente se determina en

funcin de las variables de temperaturas y el rea de la superficie que se define como frontera

de un sistema que transmite energa (calor).


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Desarrollo

Flujo contracorriente

Descripcin del flujo a contracorriente y diagrama de variacin de temperatura de los

fluidos a lo largo de una superficie [1].

Datos Ventilador

Voltaje 110 v

Amperaje 3,5 A

Trabajo del ventilador 30% de capacidad mxima

Temperatura en los ductos de agua

Temperatura de entrada del agua 17 C

Temperatura de salida del agua 17,9 C

Temperatura en los ductos del aire

Temperatura pared del aire a la entrada del intercambiador (T pared aire entrada) 21,1 C

Temperatura pared del aire a la salida del intercambiador ( ) 26,4 C


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Temperatura de entrada del aire al intercambiador ) 78 C

Temperatura de salida del aire del intercambiador ) 21,1 C

Presiones del aire

Presin de entrada del

intercambiador

50 mmca

Presin de salida del intercambiador 21 mmca

Caudal de agua

Caudal

666 ml/8seg 83,25 [ml/seg]

590 ml/7,5seg 78,66[ml/seg]

540 ml/6,9seg 78,26[ml/seg]

Promedio caudal

Largo del tubo 1,829 m

Calculo del coeficiente global Uexp

(2)

Despejamos Uexp

= (2)

En Uexp remplazamos Q

=

Calculamos cada una de las incgnitas de Uexp


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=

=

=

El lo calculamos de la variacin de temperatura entre el agua y elaire, en cada extremo.

Con todos los datos calculados, remplazamos en Uexplos datos obtenidos,

para calcular Uexp

= =


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Calculo de coeficiente aire-tubo (U1,exp)

=

Reemplazamos

Calculamos

= =

Recalculando

emplazamos los valores en V

Con el valor de V, remplazamos en Numero de Reynolds (Re)


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D = dimetro = 0,019 m Viscosidad cinemtica = 1,794

Reemplazamos los datos en Re

Con Reynolds entramos al diagrama Moody, las caeras en las que se realiz el ensayo

son de cobre, por ende entramos con rugosidad relativa E de tuberas de cobre en el

grfico y determinamos el coeficiente de friccin () = f(

E =

k = 0,015 mm D = 19 mm

Calculamos la rugosidad relativa

E = = 0,00079

Entramos al diagrama:

Con un Re= y un E= 0,00079 para obtener el coeficiente de

friccin = 0,027


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Con el coeficiente de friccin, recalculamos la velocidad con la ecuacin de DARCY-

WEISBACH:

(3)

Despejamos V

V

Calculamos

Con =26,36 m, g= 9,81 , L=1,829 m, D = 0,019 m y = 0,027, calculamos laV

V

Con la velocidad recalculamos el

Una vez recalculada la remplazamos en

Con los siguientes datos, anteriormente calculados

=0,1199

Ahora reemplazamos en el U1,exp


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=

=

Clculos de coeficiente tubo-agua (U2,exp)

= (2)

No sabemos Qabsorbio por el aguadebemos calcularlo

(2)

Sabemos que:

Calculamos Qabsorbido por el agua

Tenemos los siguientes datos:

=0,1195

Reemplazamos en la ecuacin U2,exp

=


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Flujo paralelo

Descripcin del flujo a paralelo y diagrama de variacin de temperatura de los fluidos a

lo largo de una superficie

Datos Ventilador

Voltaje 110 v

Amperaje 3,5 A

Trabajo del ventilador 30% de capacidad mxima

Temperatura en los ductos de agua

Temperatura de entrada del agua 17,4 C

Temperatura de salida del agua 18 C

Temperatura en los ductos del aire


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Temperatura pared del aire a la entrada del intercambiador (T pared aire entrada) 18,5 C

Temperatura pared del aire a la salida del intercambiador ( ) 27 C

Temperatura de entrada del aire al intercambiador ) 84 C

Temperatura de salida del aire del intercambiador ) 36 C

Presiones del aire

Presin de entrada del

intercambiador

46 mmca

Presin de salida del intercambiador 21 mmca

Caudal de agua

Caudal

545 ml/8seg 77,85 [ml/seg]

440 ml/7,5seg 88 [ml/seg]

450 ml/6,9seg 90 [ml/seg]

Promedio caudal

Largo del tubo 1,829 m

Calculo del coeficiente global experimental ( )

(2)

Despejando Uexp

=

Tenemos las siguientes ecuaciones para reemplazar en U exp


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El Uexp nos queda de la siguiente forma

=

Calcular los datos para luego reemplazarlos en Uexp

=

Sabemos que:

Reemplazamos en

=

Luego para determinar , tenemos:

=

Necesitamos calcular , con los datos obtenidos del la siguiente

figura:


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Con todos los datos obtenidos reemplazamos en Uexp

= =

Calculo del coeficiente aire-tubo (U1,exp)

= (2)

Donde Qcedido por el airees calculable de las siguientes formas

Igualamos las dos ecuaciones y despejamos y calculamos su valor

= =


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Recalculando el valor de :

Desperados la V

Calculamos su variable rea

Luego reemplazamos en V el rea y

Con el valor de V, remplazamos en Numero de Reynolds (R e)

D = dimetro = 0,019 m Viscosidad cinemtica = 1,794

Con Reynolds entramos al diagrama Moody gual que en el flujo contracorriente, por

ende entramos con rugosidad relativa E de tuberas de cobre en el grfico y

determinamos el coeficiente de friccin () = f(

E =

k = 0,015 mm D = 19 mm

Calculamos la rugosidad relativa

E = = 0,00079


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Entramos al diagrama:

Con un Re= y un E= 0,00079 para obtener el coeficiente de

friccin = 0,029

Con el coeficiente de friccin, recalculamos la velocidad con la ecuacin de DARCY-

WEISBACH:

Despejamos V

V

Calculamos


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Con los datos L= 1,829 m g = 9,8 = 0,029y , reemplazamos en

V.

V

V

Con V calculados recalculamos

(2)

Entonces con el recalculado obtenemos el

Ahora calculamos las y

Con los datos obtenidos procedemos a calcular el U1,exp

=


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Calculo del coeficiente tubo-agua U2,exp

= (2)

El Qabsorbido por el agualo calculamos de la siguiente forma

Tenemos los sigui entes valor es, con los cuales calcularemos Qabsorbido por el agua

Tenemos los siguientes datos para e calculo del U2,exp

= 0,1199

Reemplazando estos valores en la ecuacin de U2,expnos queda:

=

=


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Conclusiones

- En el informe se logr determinar los objetivos expuestos, calcular

el traspaso de calor del aire al agua en flujo paralelo y flujo

contracorriente.- La determinacin del coeficiente global U tiene una complejidad

mayor, debido a la cantidad de variables que se encuentran en el

proceso de transferencia de calor de flujo paralelo y contrapresin.

-

En el flujo contra corriente presenta mayor dificultad que el flujo en

paralelo, debido a que es difcil determinar el punto donde la

temperatura del fluido de mayor temperatura es mxima y la

temperatura del fluido de menor temperatura es menor, debido a

que van en sentidos contrarios. Por lo tanto es difcil determinar su

gradiente de temperatura.

-

En los flujos en paralelo es ms fcil determinar el punto en donde

la temperatura del fluido de mayor temperatura es mximo y el

otro fluido su temperatura es mnima, ya que al principio de la tubo

debera estar un fluido a su mxima temperatura y el otro fluido a

su menor temperatura.


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Bibliografa

[1]Atlas Copco, Manual de aire comprimido, sptima edicin, 2011

[2] Hook Up ( 1998)Design of fluid System Spirax Sarco Kreith F (1968)

Principios de Transferencia de Calor Editorial Herreros Hermanos.

[3]Schuan, Mecanica de fluidos e hidrulica; Ronald V. Giles, Jack Bevent, Creng Liv;

1994; tercera edicin; MC Graw Hill, Mexico.

[4] Transferencia de calor ; Jose Angel Manrriquez Valdez; 2002; segunda edicin,

Oxford university. pres

coeficiente global u

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