Eg041 convección forzada
- 1. Mecanismos de Transferencia de Calor: Convección Convección forzada Ejercicio guiado Curso de adaptación a Grado de Ingeniería Mecánica
- 2. Enunciado Aire atmosférico a la temperatura TF=285ºK y velocidad uF=20 m/seg, fluye sobre una placa plana horizontal de longitud L =1,5 m, que se encuentra a una temperatura TpF=341K. Se pide calcular a. Las propiedades físicas del aire b. El coeficiente medio de transmisión de calor para toda la placa. c. La razón de transferencia de calor por metro de anchura de la placa.
- 3. 1. planteamiento Dibuja el esquema del problema 2. Introduce las condiciones de contorno y las propiedades de los materiales y fluido Taire = 285 K Uaire = 20 m/s Ts = 341 K 3. 1. Dibuja el esquema del resistencias térmicas Dado que sólo analizamos la convección, y se conocen las temperaturas en la superficie y en el fluido lejos de la superficie, únicamente existe la resistencia de convección
- 4. planteamiento 4. Define las hipótesis 1. Condiciones de operación estacionarias 2. La transferencia de calor por radiación es despreciable. Propiedades del aire; aunque no se solicitasen, son necesarias para los siguientes apartados 5. Identifica las cuestiones: ¿qué es lo que se pide? El coeficiente medio de transmisión de calor para toda la placa, es decir, el promedio de toda la placa. La potencia calorífica transferida por metro de anchura de la placa, dado que no conocemos el ancho.
- 5. Propiedades del aire 6. Calcular la temperatura media del fluido Tmedia 7. Identificar la tabla correspondiente al fluido en cuestión El valor de las propiedades a 313 K, estarán entre los valores de 300 y 350 K proporcionados en la tabla. 8. resolución Si la temperatura no coincide con ninguna de la proporcionadas, interpolamos linealmente T fluido Tsuperficie 2 285 341 2 313 K
- 6. Propiedades del aire 9. Metodología de interpolación Temperatura (K) Densidad (kg/m3) 300 1,1774 resolución Tomamos la densidad como ejemplo. Apuntamos los datos de la tabla anterior que afectan al margen de temperaturas. 313 350 0,9980 Interpolación lineal: dibujamos una línea que una los dos puntos de la gráfica que se muestra. 1,1774 0,998 1,1774 T 313 K Pendiente curva tg 313 300 350 300 0,998 1,1774 1,1774 313 300 1,1307 k g/m3 T 313 K 350 300 Para la densidad: ρ (kg/m3) 1,1774 ρT=313 K α 0,9980 T (K) 300 313 350 Obtenemos el punto intermedio de la manera mostrada
- 7. Propiedades del aire resolución Haciendo lo mismo para las demás propiedades: cp 1,0067 k J/k gºC T 313 K 5 T 313 K 2,007 10 k g/m·s 6 T 313 K k T 313K T 313 K 2 7,86 10 m /s 0,0272 W/mºC 2,4 10 5 m 2 /s Pr 0,70514
- 8. Coeficiente de convección promedio resolución 10. Determinar si el flujo es natural o forzado Como el aire tiene una velocidad inducida por otro factor que no sea el gradiente de temperaturas, se puede concretar que la convección es forzada. 11. Si es FORZADO: calcular el número de Reynolds para determinar si es LAMINAR o TURBULENTO número de Reynolds para placas planas Re u fluido L 11. Si es NATURAL: calcular el número de Grashof 20 m/s 1,5 m 17 ,86 10 6 1.679.806 1,7 106 número de Reynolds crítico para placas planas Recritico = 5x105. 1,7 106 5 105 Re caso Re crítico En este caso, se pude concluir que el flujo es TURBULENTO
- 9. Coeficiente de convección promedio resolución 12. Determinar la correlación del número de Nusselt apropiada Flujo turbulento y placa plana: Nu 0,037 Re 0,8 Pr 1/ 3 0,037 1679806 0 ,8 0,705 1/ 3 3146 ,3 13. Aplicar la expresión del número de Nusselt y obtener h Nu hL k h Nu k L 3146 0,0272 1,5 57 W/m 2 º C Recordad que el valor de k es el de la conductividad el fluido, no del sólido
- 10. Calor transferido 14. Aplicar la expresión de transferencia de calor adecuada Q T Rconveccion T 1 hA resolución En esta ocasión se trata de un caso de convección únicamente 341 285 K 1 57 W/m2 º C 1,5m 1m 4.788 W