Determinación del coeficiente de convección de dos maneras.

1. Instituto Tecnológico de Mexicali
Ingeniería Química
Materia:
Laboratorio Integral I
Tema:
Práctica
Determinación del coeficiente de convección
Integrantes:
Nombre del profesor
Norman Edilberto Rivera Pazos
Mexicali, B.C. a 27 de abril de 2015
Aranda Sierra Claudia Janette
Castillo Tapia Lucero Abigail
Cruz Victorio Alejandro Joshua
De La Rocha León Ana Paulina
Guillén Carvajal Karen Michelle
Lozoya Chávez Fernanda Viridiana
Rubio Martínez José Luis
12490384
11490627
12490696
11490631
12940396
12490402
12490417

2. 1
Índice
Práctica
Título: “Determinación del coeficiente de convección”
Objetivo 2
Introducción 2
Marco teórico 3
Definición de la convección 3
Tipos de convección 3
Importancia de la convección 3
Ley de enfriamiento de Newton 4
Coeficiente de convección 4
Numero de Reynolds, Prandtl y Nusselt 5
Material, equipo y reactivos 6
Procedimiento 7
Cálculos 7
Análisis 10
Observaciones 10
Evidencias 11
Bibliografía 12

3. 2
Práctica XIII
Título:
“Determinación del coeficiente de convección”
Objetivo:
Determinar el coeficiente de convección (ℎ) en dos fluidos (agua y aire) de manera forzada (en
el agua como flujo forzado), y también convección libre que se da entre un metal y el ambiente
(aire).
Objetivos específicos:
 Determinar el calor transmitido utilizando el calor específico del metal.
 Determinar el coeficiente de convección del aire y del agua.
 Determinar el coeficiente de convección cuando es forzada (en el aire).
Introducción
La transferencia de calor está directamente relacionada con los gradientes de temperatura.
Existen diferentes mecanismos de transferencia (conducción, convección y radiación) los
cuales pueden diferenciarse dependiendo de cómo se lleva a cabo esta transferencia. Uno de
estos mecanismos es la convección.
La velocidad de transferencia de calor a través de un fluido es mucho mayor por convección
que por conducción o radiación, por lo cual es un mecanismo que se utiliza mucho en la
industria para aumentar la rapidez de transferencia de calor. Cuanto mayor es la velocidad del
fluido mayor es la velocidad de transferencia de calor.
La transferencia de calor por convección depende de las propiedades del fluido, de la superficie
en contacto con el fluido y del tipo de flujo. Entre las propiedades del fluido se encuentran:
la viscosidad dinámica, la conductividad térmica, la densidad. Entre las propiedades de la
superficie que intervienen en la convección están la geometría y la aspereza. El tipo de
flujo, laminar o turbulento, también influye en la velocidad de transferencia de calor por
convección.
En cualquier caso, la velocidad de transferencia de calor por convección siempre es
proporcional a la diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido. Este hecho se modela
matemáticamente mediante la Ley de Enfriamiento de Newton. La influencia de las propiedades

4. 3
del fluido, de la superficie y del flujo se cuantifica en el coeficiente de película o coeficiente de
transferencia de calor por convección (h) del cual se hablará en esta práctica
Marco teórico
Definición de convección
La convección se define como la transmisión de calor debida al
movimiento macroscópico de aire (o un gas) o un líquido
calentado de un lugar a otro, llevando consigo el calor que
contiene. La tasa de flujo de calor varía en función de la
temperatura del gas o líquido en movimiento y de su caudal.
Tipos de convección
Convección natural (libre): El flujo es inducido por fuerzas de empuje que surgen a partir de
diferencias de densidad ocasionadas por variaciones de temperatura en el fluido.
Convección forzada: Se obliga al fluido a fluir mediante medios externos, como un ventilador o
una bomba. Este tipo de convección se clasifica a su vez en externa o interna dependiendo de
si el flujo es interno o externo. El flujo de un fluido se clasifica como interno o externo
dependiendo de si la fuerza al fluido a fluir está dada por un canal confinado (superficie interior)
o por una superficie abierta. El flujo de un fluido no limitado por una superficie (placa, alambre,
exterior del tubo) es flujo externo. El flujo por un tubo o ducto es flujo interno. Si el fluido está
limitado por completo por superficies sólidas. El flujo de líquidos en un tubo se conoce como
flujo en canal abierto si es tubo está parcialmente lleno con el líquido y se tiene una superficie
libre.
Importancia de la convección
La convección es un mecanismo que la misma naturaleza realiza para el transporte de energía.
Esto se puede observar por ejemplo en el manto terrestre ya que este se encuentra en un
estado de intensa convección con respecto al transporte de energía a lo largo de todo este y
también puede observarse este fenómeno a través de las brisas marinas, solo por mencionar
algunos.
Industrialmente, se puede observar la convección en los congeladores, particularmente en el
evaporador del equipo de refrigeración. Otro ejemplo seria en la elaboración de bebidas
alcohólicas como el coñac, o tequila o whiskey, al condensar ya el producto, en el evaporado se
usan intercambiadores de calor que pueden de tubo y coraza, estos trabajan bajo la convección
Fig. 1 Mecanismo de convección

5. 4
ya que existe un flujo en ese intercambio y más si el intercambiador es a contracorriente y para
estar alimentando liquido frio al condensador se recircula ese liquido enfriador a una torre de
enfriamiento donde el mecanismo seria también de convección y ya lo devuelve frio otra vez al
condensador.
Ley de enfriamiento de Newton
La ley de enfriamiento de Newton enuncia que la rapidezcon que se enfría un objeto es proporcional
a la diferencia entre su temperatura y la temperatura del medio ambiente en el cual se encuentra el
objeto y un coeficiente convectivo. Esta ley nos permite calcular el calor transferido a través de
la convección. Se denota matemáticamente de la siguiente manera:
𝑞´´ = ℎ(𝑇 − 𝑇∞)
Donde:
q´´: Flujo de calor transmitido por unidad de área (W/m2
)
h: Coeficiente de convección (o película)(W/m2
.o
C)
T: Temperatura del objeto (o
C).
T∞: Temperatura del ambiente (o
C).
Para calcular el coeficiente de convección o película se despeja de la fórmula de enfriamiento
de Newton “h”, quedando de la siguiente manera:
ℎ =
𝑞´´
(𝑇 − 𝑇∞)
Coeficiente de convección (o película)
El coeficiente de transferencia de calor por convección (h) 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 las
propiedades termodinámicas del fluido y de transporte. Al final, el
estudio de la convección se reduce a ver cómo podemos determinar
este coeficiente. Como se puede apreciar en la figura 2 las condiciones
de flujo varían de punto a punto sobre la superficie, al igual que q’’, por lo tanto h también varía
a lo largo de la superficie. Es por esta razón que en la ley de enfriamiento de Newton, se utiliza
a h como un coeficiente promedio para toda la superficie.
Fig. 2 Variables involucradas en la convección

6. 5
Número de Reynolds, Prandtl, Nusselt
Existen importantes parámetros adimensionales utilizados en la transferencia de calor en el flujo
de fluidos, los cuales son de gran utilidad, estos son los números de Reynolds, Prandtl y
Nusselt los cuales se definirán a continuación.
Numero de Reynolds: Es un parámetro adimensional cuyo valor indica si el flujo sigue un
modelo laminar o turbulento. Este de denota matemáticamente de la siguiente manera:
𝑅𝑒 =
𝜌𝑣𝐷
𝜇
Donde:
𝜌: Densidad del fluido (kg/m3
).
𝑣: Velocidad del fluido (m/s).
𝐷: Diámetro por donde pasa el fluido (m)
𝜇: Viscosidad del fluido (kg/m.s)
Numero de Prandtl: Es un número adimensional en cual cuando tiene un valor bajo nos dice la
conducción de calor es efectiva en comparación a la convección, pero cuando la convección es
eficiente transfiriendo calor en comparación con la conducción, entonces se considera que el
número de Prandtl es alto. Matemáticamente se denota:
𝑃𝑟 =
𝐶 𝑝 𝜇
𝑘
Donde:
𝐶 𝑝: Calor especifico del fluido (J/Kg o
C).
𝜇: Viscosidad del fluido (kg/m.s).
𝑘: Coeficiente de conductividad térmica (W/m o
C)
Número de Nusselt: Se calcula para estimar la relación convectiva a la transferencia de calor
por convección. Este debe ser calculado solamente en paredes sólidas, así, consideramos
entonces superficies sólidas a las caras del dominio que tengan velocidades prescritas e
iguales a cero. Este número también es calculado en la superficie de los bloques sólidos.
Matemáticamente se denota:
𝑁𝑢 =
ℎ𝐷
𝑘

7. 6
Donde:
h: Coeficiente de convección del fluido (w/m2 o
C).
D: Diámetro por donde pasa el fluido (m).
k: Coeficiente de conductividad térmica del material (w/m o
C).
Coeficiente de convección
Donde se aplica (convección)
Como se aplica, unidades, ley de enfriamiento de newton
Conversión forzada y libre
Números adimensionales (Nusselt, Reynolds, Pradtl)
Valores teóricos
Fluido
Coeficiente convectivo de
transferencia de calor (𝑾/𝒎 𝟐 𝑲)
Aire.-convección libre 5-25
Aire.-convección forzada 10-200
Agua.-convección libre 20-100
Agua.-convección forzada 50-10,000
Material, equipo y reactivos
Experimento Material y equipo Material a estudiar
1 1 Soporte universal Tubo de cobre
3 Pinzas
(2) Tres dedos, y (1) dos
dedos
Agua
2 Guantes
1 Termómetro infrarrojo
1 Regla
1 Cronómetro
1 Vaso de ppt 100 ml
1 Probeta 50 ml
1 Balanza
1 Termómetro
2 1 Manguera 1 in Agua
1 Vernier
1
Termómetro
infrarrojo*
1 Cronómetro
1 Probeta 1000 ml
1 Termómetro

8. 7
Procedimiento:
a) Experimento 1 (Convección en aire tanto libre y forzada)
1. Limpiar los materiales a utilizar y ordenar el equipo.
2. Con la regla tomar la medida de la longitud del tubo así como el diámetro.
3. Colocar la fibra de vidrio alrededor del tubo con el fin de servir como aislante.
Nota: No en los extremos. (Separar un poco más de uno de los extremos con el fin de que no se queme
el unicel).
4. Medir la temperatura de los extremos y registrar.
5. Prender la plancha.
6. Colocar el tubo en un soporte universal con su respectiva pinza.
7. Colocar uno de los extremos del tubo en la plancha.
8. Apagar al pasar 240 segundos con el cronómetro.
9. Tomar la temperatura en cada extremo del tubo.
10. Dejar enfriar durante 240 segundos con el aire del ambiente.
11. Repetir del paso 7-10 pero esta vez dejarlo enfriar con aire saliente de los tubos de la
refrigeración. (registrar la temperatura de dicho aire)
12. Poner agua en un vaso de precipitado.
13. Repetir del paso 7-10 pero esta vez en agua.
14. Tomar el peso del tubo los tubos y del agua.
b) Experimento 2 (Convección en agua forzada)
1. Limpiar los materiales a utilizar y ordenar el equipo.
2. Con el vernier tomar la medida del diámetro interno de la manguera.
3. Colocar la manguera a la toma de agua.
4. Medir la temperatura de entrada y salida y registrar. (tomar la temperatura del
ambiente).
5. Mantener un flujo estable y medir el caudal. Esto se hace tomando el tiempo en que
se tarda en llenar la probeta de 1000 ml.
Cálculos y Resultados
Para el experimento 1
Se debe de calcular el calor transferido, por lo que se utiliza la siguiente ecuación:
𝑄 = 𝑚𝐶 𝑝(𝑇2 − 𝑇1)

9. 8
𝑞 =
𝑄
𝑡
Recordando que el tiempo en todos los experimentos fue de 240 s.
Exp 1 M (𝒌𝒈) Cp (𝑱/𝒌𝒈℃) 𝑻 𝟏 (℃) 𝑻 𝟐 (℃) ∆𝑻 (℃) Q (𝑱) q (𝑾)
Bronce* 0.4306 385 387 62 325 53878.82 224.50
Bronce** 0.4306 385 367 63.4 303.6 50331.11 209.71
Bronce*** 0.4306 385 325 47.6 277.4 45987.65 191.62
*convección libre en aire, ** convección forzada en aire y ***convección libre en agua
Utilizando la ley de enfriamiento de Newton, sabemos que ℎ estaría dado por:
ℎ =
𝑞′′
(𝑇𝑠 − 𝑇∞)
Suponiendo un flujo estacionario y un sistema adiabático, entonces por la ley de la
conservación de la energía:
𝑞′′ 𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑞′′ 𝑐𝑜𝑛𝑣
−𝐾
(𝑇2 − 𝑇1)
𝑑𝑥
= ℎ(𝑇𝑠 − 𝑇∞)
Por lo tanto:
ℎ =
𝐾(𝑇1 − 𝑇2)
(𝑇𝑠 − 𝑇∞)𝑑𝑥
Utilizando la constante de conducción térmica obtenida en la práctica pasada.
Exp 1 Intento q (𝑾) 𝑻 𝟏 (℃) 𝑻 𝟐 (℃) 𝑻 𝒔 (℃) 𝑻∞ (℃) 𝑲(𝑾/𝒎℃) 𝒅𝒙 (𝒎) 𝒉 (𝑾/𝒎 𝟐℃)
Aire
libre
1 224.50 - 62 26.8 25 - - 6.07
2 - 367 63.4 26.8 25 125.52 0.098 231258.50
Aire
forzado
3 209.71 - - 25.6 13 12.8 - 16.38
4 - 367 63.4 25.6 13 125.52 0.098 28177.96
Agua
libre
5 191.62 - - 29 26 - - 19.08
6 - 325 47.6 29 26 125.52 0.098 118432.81
Nota: En el intento 1 es utilizando el calor obtenido a partir del 𝐶 𝑝 del bronce y el intento 2 es utilizando el
promedio de la constante de conductividad térmica calculada en la práctica “Aplicación de la ley de
Fourier” pero considerando la 𝑇∞ como la del aire ambiente. El intento 3, 4 son iguales a los anteriores

10. 9
pero utilizando la temperatura del aire acondicionado. En el intento 5 y 6 es considerando temperaturas
del agua en la convección.
Experimento 2
En este caso las formulas necesarias son:
𝑁 𝑢 = 𝐶 ∗ 𝑅 𝑒
𝑎
∗ 𝑃𝑟
1/3
𝑅 𝑒 =
𝑣𝐷𝜌
𝜇
𝑃𝑟 =
𝐶 𝑝 𝜇
𝑘
𝑁 𝑢 =
ℎ𝐷
𝐾
→ ℎ =
𝑁 𝑢 𝐾
𝐷
A continuación los valores de las variables conocidas a 26℃
𝑣 = 0.13494 𝑚/𝑠 𝐷 = 0.0185 𝑚 𝜌 = 982 𝑘𝑔/𝑚3
𝜇 = 8.73𝑥10−4 𝑃𝑎 ∗ 𝑠 𝐶 𝑝 = 4180 𝐽/𝑘𝑔𝐾 𝑘 = 0.58 𝑊/𝑚𝐾*
𝐿 = 0.18𝑚
*Constante de conducción del agua.
𝑅 𝑒 = 2808.65 𝑃𝑟 = 0.0291
Para determinar las constantes C y a es necesario obtener el número de Reynolds y comparar
con la siguiente tabla:
Reynolds C A
1-40 0.75 0.4
40-103
0.51 0.5
103
-2x105
0.26 0.6
2x105
-106
0.076 0.7
𝑁 𝑢 = 𝐶 ∗ 𝑅 𝑒
𝑎
∗ 𝑃𝑟
1
3 → 𝑁 𝑢 = 0.26𝑅 𝑒
0.6
∗ 𝑃𝑟
1/3
ℎ =
𝑁 𝑢 𝐾
𝐿
→ ℎ = 293.85 𝑊/𝑚2 𝐾

11. 10
Análisis
Como podemos observar en la tabla de resultados tanto la convección del aire libre y forzado y
del agua son correspondientes ya sea que estén dentro del margen de valores o están casi
llegando a uno de los extremos. Esto ocurre para la constante de convección solamente en los
intentos donde se utilizaba el calor de conducción igual al calor que se transmitiría por
convección. (Intento 1,3 y 5).
En el caso de los intentos 2,4 y 6, estos valores no coincidieron en lo más mínimo, suponemos
que estos resultados como están tan alejados se debe principalmente a como en este caso
utilizamos la constante de conductividad de la práctica pasada y a su vez no utilizamos el
mismo tubo, ni el aislante y las medidas del tubo eran un poco distintas, entonces es posible
que no podríamos usar la misma constante. Por lo tanto los valores que tomaremos como
reales son lo del intento 1, 3 y 5.
En lo que estamos seguros es que el ejercicio es posible realizarlo y obtener valores concisos
de la manera en cómo se desarrolló, ya que tanto en el aire como en el agua, siendo libre o
forzado, el valor se puede obtener.
Comparación
Sustancia Valor de h calculado Valor de h teórico
Aire (Convección libre) 6.07 5-25
Aire (Convección forzada) 16.38 10-200
Agua(Convección libre) 19.08 20-100
Agua(Convección forzada) 293.85 50-10,000
Observaciones
 Hay que tener en cuenta que solo hay un termómetro de infrarrojo y que los demás equipos
querrán usarlo.
 Calentar y mantener la temperatura de la plancha.
 Cuidar los materiales a usar (que sean los mismos).
 El agua utilizada tenía cloro y esta a su vez era de la llave.

12. 11
Evidencias

13. 12
Bibliografías
Fuentes de libros
 Incropera. (2000). “Fundamentos de Transferencia de Calor”. Ed. Pearson. 4ta
edición.
 Cengel, Yunus. (1996) “Termodinámica”. Ed. Mc Graw-Hill. 6ta
edición.
 Wark, K. Richards. (2001). “Termodinámica” Ed. Mc Graw-Hill. 6ta
edición.
 Moran J. (1999). “Fundamentos de Termodinámica Técnica”. 1ra
edición. Ed. Reverte.
Fuentes electrónicas
 http://docsetools.com/articulos-utiles/article_106262.html
 http://www.cimec.org.ar/ojs/index.php/mc/article/viewFile/403/388
 http://es.slideshare.net/Karinanne/prctica-x-y-xi-aplicacin-de-la-ley-de-
fourier?ref=http://equipo2-lab-1-2015-1.blogspot.mx/