Práctica 12 Transferencia de Calor por Convección

Experimento realizado en los laboratorios del Instituto Tecnológico de Mexicali para poder visualizar la transferencia de calor por convección por medio de experimentos muy sencillos y observación del movimiento convectivo utilizando agua, tinta, aire y una espiral de papel.

1. 1 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI, Equipo Rojo, Ing. Química
PRÁCTICA #12
“Transferencia de Calor por Convección”


OBJETIVO GENERAL:
Observar experimentalmente la transferencia de calor por convección en un sistema con
medios líquidos y con medios gaseosos.

Objetivos Específicos:
 Diseñar dos experimentos donde sea fácilmente observable el fenómeno de
convección.
 Analizar cómo son posibles los fenómenos observados y realizar conclusiones.
 Capturar evidencia en forma de fotografía y videos de las corrientes de
convección.

MARCO TEÓRICO:
 Transferencia de Calor.
Es la energía en tránsito debido a una diferencia de temperaturas. Siempre que ocurra una
diferencia de temperaturas en un cuerpo o entre cuerpos, debe ocurrir una transferencia
de calor.
Cuando existe un gradiente de temperatura en un medio estacionario – que puede
ser un sólido o un fluido – utilizamos el término conducción para referirnos a la
transferencia de calor que se producirá a través del medio. En cambio, el término
convección se refiere a la transferencia de calor que ocurrirá entre una superficie y un
fluido en movimiento cuando están a diferentes temperaturas. El tercer modo de
transferencia de calor se denomina radiación térmica. Todas las superficies con
temperatura finita emiten energía en forma de ondas electromagnéticas. Por tanto, en
ausencia de un medio, existe una transferencia neta de calor por radiación entre dos
superficies a diferentes temperaturas.

Figura 1 Modos de Transferencia de Calor.
Los fenómenos de transferencia de calor tienen un papel importante en muchos
problemas industriales y ambientales. Por ejemplo, considere el área vital de la
producción y conversión de energía. No hay una sola aplicación en ésta área que no
implique efectos de transferencia de calor de alguna manera. En la generación de potencia
eléctrica – ya sea mediante fisión o fusión nuclear -, la combustión de combustibles
fósiles, los procesos magnetohidrodinámicos o el uso de fuentes de energía geotérmica,
hay numerosos problemas de transferencia de calor que deben resolverse. Estos
problemas incluyen procesos de conducción, convección y radiación que se relacionan

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con el diseño de sistemas como calderas, condensadores y turbinas. A menudo nos vemos
en la necesidad de maximizar las velocidades de transferencia de calor y mantener la
integridad de los materiales en ambientes de alta temperatura.
En una escala más pequeña hay muchos problemas de transferencia de calor
relacionados con el desarrollo de sistemas de conversión de energía solar para
calentamiento de espacios, así como para la producción de energía eléctrica. Los procesos
de transferencia de calor también afectan al funcionamiento de sistemas de propulsión,
como los motores de combustión interna, de turbinas de gas y propulsión de cohetes. Los
problemas de transferencia de calor surgen en el diseño de sistemas de calentamiento de
espacios convencionales y de agua, en el diseño de incineradores y de equipo de
almacenamiento criogénico, en el enfriamiento de equipo electrónico, en el diseño de
sistemas de refrigeración y de acondicionamiento de aire y en muchos procesos de
producción. La transferencia de calor también es relevante para la contaminación del aire
y del agua e influye fuertemente en el clima local y global.

 Convección.
El modo de transferencia de calor por convección se compone de dos mecanismos.
Además de la transferencia de energía debida al movimiento molecular aleatorio
(difusión), la energía también se transfiere mediante el movimiento global, o
macroscópico del fluido. El movimiento del fluido se asocia con el hecho de que, en
cualquier instante, grandes números de moléculas se mueven de forma colectiva o como
agregados. Tal movimiento, en presencia de un gradiente de temperatura, contribuye a la
transferencia de calor. Como las moléculas en el agregado mantienen su movimiento
aleatorio, la transferencia total de calor se debe entonces a una superposición de transporte
de energía por el movimiento aleatorio de las moléculas y por el movimiento global del
fluido. Se acostumbra utilizar el término convección cuando se hace referencia a este
transporte acumulado y el término advección cuando se habla del transporte debido al
movimiento volumétrico del fluido.
La transferencia de
calor por convección se
clasifica de acuerdo con la
naturaleza del flujo.
Hablamos de convección
forzada cuando el flujo es
causado por medios
externos, como un
ventilador, una bomba o
vientos atmosféricos.
Como ejemplo,
considérese el uso de un
ventilador para
proporcionar enfriamiento
por aire mediante
convección forzada de los
componentes eléctricos
calientes sobre un arreglo de tarjetas de circuitos impresos. En cambio, en la 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. Un
ejemplo es la transferencia de calor por convección libre, que ocurre a partir de
componentes calientes sobre un arreglo vertical de tarjetas de circuitos en aire inmóvil.
Figura 2 Procesos de transferencia de calor por convección. (a) Convección
forzada. (b) Convección natural. (c) Ebullición. (d) Condensación.

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El aire que hace contacto con los componentes experimenta un aumento de temperatura
y, en consecuencia, una reducción en su densidad. Como ahora es más ligero que el aire
de los alrededores, las fuerzas de empuje inducen a un movimiento vertical por el que el
aire caliente que asciende de las tarjetas es reemplazado por un flujo de entrada de aire
ambiental más frío.

 Flujo de calor por convección.
Sin importar la naturaleza particular del proceso de transferencia de calor por convección,
la ecuación o modelo apropiado es de la forma:
??????
"
=ℎ(??????
??????− ??????
∞)
donde ??????
"
, el flujo de calor por convección (W/m
2
), es proporcional a la diferencia entre
las temperaturas de la superficie y del fluido, ??????
?????? y ??????
∞, respectivamente. Esta expresión se
conoce como la ley de enfriamiento de Newton, y la constante de proporcionalidad h
(W/m
2
∙ K) se denomina coeficiente de transferencia de calor por convección. Éste
depende de las condiciones en la capa límite, en las que influyen la geometría de la
superficie, la naturaleza del movimiento del fluido y una variedad de propiedades
termodinámicas del fluido y de transporte.

MATERIALES:
 Aire.
 Agua.
 Tinta o colorante.
 2 vasos de la misma medida.
 1 lamina de plástico.
 1 parrilla eléctrica.
 1 mechero de bunsen.
 1 hoja de papel en forma de espiral
 1 tarugo para sostener la hoja.
 1 tachuela.
 1 cartón como base.
 Silicón.

PROCEDIMIENTO:
1. Pedir y limpiar adecuadamente el material a utilizar.
2. Para la convección en agua, calentar utilizando la parrilla eléctrica uno de los
vasos completamente lleno de agua con colorante.
3. Cuando se encuentre un poco caliente, con ayuda de la lámina de plástico, ponerlo
justo encima del otro vaso lleno de agua a temperatura ambiente, boca con boca.
4. Retirar un poco la lámina. Observar.
5. Nuevamente, calentar un vaso lleno de agua con colorante.
6. Cuando se encuentre un poco caliente, con ayuda de la lámina de plástico, poner
el vaso lleno de agua a temperatura ambiente encima de este vaso, boca con boca.
7. Retirar un poco la lámina y observar lo que sucede.
8. Para la convección en aire, acomodar el tarugo encima de la base de cartón y
pegar con silicón.
9. Poner la espiral de papel en la parte más alta y colocar una tachuela para permitir
el movimiento del papel.
10. Debajo de donde esté colgando la espiral, colocar un mechero de Bunsen y
observar lo que sucede.

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11. Limpiar el área de trabajo.


Figura 3 Calentando agua con tinta. Figura 4 Transferencia convectiva homogeneizada.

Figura 5 Agregando más tinta. Figura 6 Segunda transferencia convectiva.


Figura 7 Homogeneizándose. Figura 8 Convección completa.

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Figura 9 No hay convección, el calor se mantiene arriba. Figura 10 Convección en aire.

Figura 11 Convección en aire.

ANÁLISIS:
Con el primer experimento se observó cómo se movilizan las corrientes convectivas en
una transferencia de calor; el fluido más caliente tendrá menor densidad y tenderá a subir
tomando el lugar del fluido con menor temperatura. Con ello podemos percatarnos de que
una transferencia de calor por medio de convección conlleva a veces a una transferencia
de masa también, pues el fluido caliente se mueve a la zona más fría buscando el
equilibrio. Para poder observarlo de forma más sencilla se utilizó tinta en agua. El
movimiento convectivo en el agua se debió a que en el vaso posicionado en la parte
inferior contenía agua caliente y el de la parte superior agua a temperatura ambiente, lo
que significa que ésta contará con una densidad menor que la del vaso que tiene agua
posicionado en la parte superior; con este experimento se pudo comprobar que sustancias
con menor densidad tienden a subir, lo que se observa en el comportamiento del agua
caliente al ir subiendo al agua a menor temperatura para buscar el equilibrio térmico, esta
transferencia del agua es a lo que se le conoce como transferencia de calor convectiva.
También se observó el caso contrario, donde el fluido caliente se disponía en el vaso
superior y el fluido a temperatura ambiente en el vaso inferior, en este caso, no se observó
movimiento convectivo.

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En el caso del segundo experimento, se buscaba analizar la convección en un
fluido no líquido, por medio de aire caliente se intentaría mover una espiral de papel para
que girara. Por problemas técnicos la espiral no giró, pero se pudo observar que de igual
forma el aire caliente provocaba movimiento en la espiral de papel (aunque no fuera
giratorio), y cuando se alejaba de la fuente de calor, el papel no se movía pues no existían
corrientes de aire en el sitio.

OBSERVACIONES:
Al principio no se observaba claramente el movimiento convectivo por falta de tinta para
una mejor apreciación, por ende, se repitió el primer experimento varias veces. En el caso
del segundo experimento, no se pudo observar claramente el giro de la espiral de papel,
además, era demasiado larga y tuvo que cortarse para evitar quemarla con la alta flama
del mechero de Bunsen.

FUENTES DE INFORMACIÓN:
Libros:
- Incropera, Frank; DeWitt, David. (1999). Fundamentos de Transferencia de
Calor. Editorial Prentice Hall. Cuarta Edición. México. Págs. 2, 5-8.