Transferencia de Calor-2016

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UNIVERSIDAD NACIONAL SAN CRISTÓBAL DE
HUAMANGA
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALURGÍA
ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE INGENIERÍA EN
INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
ASIGANATURA DE TRANSMISION DE CALOR: AI-441
PRÁCTICA N° 3 y 4
“CONVECCIÓN NATURAL Y CONVECCIÓN FORZADA”
PROFESOR : M. Cs. Ing. Raúl Ricardo VELIZ FLORES
ALUMNA : González Camasca, Lizbeth María
GRUPO : Jueves 7 – 10 am.
AYACUCHO – PERÚ
2016

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INDICE
RESUMEN 03
OBJETIVOS 04
FUNDAMENTO TEÓRICO 04
PARTE EXPERIMENTAL 13
DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO 13
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 13
DATOS Y RESULTADOS EXPERIMENTALES 14
CÁLCULOS Y RESULTADOS 16
CUESTIONARIO 29
DISCUSIONES Y RESULTADOS FINALES 32
CONCLUSIONES 32
BIBLIOGRÁFICA 33

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RESUMEN
En la práctica de “convección natural y convección forzada”, realizamos los
experimentos para determinar los coeficientes de convección experimental y teórico. El
primer experimento consistió en una convección natural de agua y aire donde tuvimos
que calentar el agua a una temperatura de 61°C en un equipo de baño maría, y luego
tomamos un volumen de 1820 ml el cual vaciamos a un tanque cilíndrico de aluminio,
instalamos los aislantes y por un orificio superior introducimos la termocupla. Tomamos
el inicio de la temperatura del agua y del aire, paralelo al tiempo registrando así la
diferencia de temperatura del agua con respecto al tiempo, tomamos los datos de
temperatura hasta que el tiempo marcó más de 30 minutos. Terminado el experimento
procedimos a medir la altura, diámetro exterior e interior los cuales son datos
importantes en los cálculos para la determinación del coeficiente global de convección.
En la convección forzada, realizamos tres experimentos de agua forzada-aire natural,
agua natural-aire forzada, agua forzada-aire forzada, hemos calentado el agua en el
equipo baño maría hasta una temperatura de 61°C. Instalamos el equipo con un tanque
de aluminio contenida de agua caliente y con sus respectivos aislantes, instalamos los
sensores de la termocupla y se instalamos los equipos correspondientes ya se el equipo
de ventilación o agitación para cada experimento correspondiente. Registramos las
temperaturas cada cierto tiempo hasta llegar a los 30 minutos. Al finalizar los
experimentos procedimos a tomar los datos necesarios como es la altura, diámetro
exterior e interior y la altura del agua los cuales fueron necesarios para realizar los
cálculos correspondientes.

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I. OBJETIVOS:
 Estudiar el fenómeno de transferencia de calor por convección natural.
 Determinar el coeficiente global externo de transferencia de calor agua-aire.
 Verificar los resultados experimentales con los obtenidos a partir de las
correlaciones experimentales-teóricas.
 Estudiar el proceso de trasferencia de calor por convección forzada en un
sistema agua caliente pared cilíndrica de aluminio-aire
 Determinar los coeficientes globales externos de transferencia de calor para la
convección forzada en el sistema agua caliente-pared cilíndrica de aluminio-aire.
 Comprobar que a mayor valor de los coeficientes globales de transferencia de
calor mejor es la transferencia de calor
II. FUNDAMENTO TEÓRICO
2.1. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN
La convección es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y el
líquido o gas adyacentes que están en movimiento y comprende los efectos combinados
de la conducción y el movimiento de fluidos. Entre más rápido es el movimiento de un
fluido, mayor es la transferencia de calor por convección. En ausencia de cualquier
movimiento masivo de fluido, la transferencia de calor entre una superficie sólida y el
fluido adyacente es por conducción pura. La presencia de movimiento masivo del fluido
acrecienta la transferencia de calor entre la superficie sólida y el fluido, pero también
complica la determinación de las razones de esa transferencia. (Cengel Yunus A, 2007)
La transmisión de calor por convección no se puede predecir matemáticamente,
habiendo por ello de recurrir a resultados experimentales más que a la teoría. Las
fórmulas más satisfactorias para la transmisión de calor por convección son
relacionadas entre números adimensionales de cantidades físicas. La tarea se facilita en
parte porque las leyes del transporte molecular gobiernan tanto el flujo de calor como la
viscosidad, y por tanto la transmisión de calor por convección y la fricción en fluidos
están íntimamente relacionadas entre sí.
2.2. CONVECCIÓN NATURAL
Cuando un fluido está en contacto con una superficie más caliente o fría que él, tiene
lugar la transmisión de calor por convección natural; a medida que el fluido se calienta
o se enfría, su densidad varía; esta diferencia de densidades hace que el fluido que se ha
calentado o enfriado se mueva con lo que la transmisión de calor continúa.
2.2.1. Ecuaciones para la convección natural
1) Convección natural en cilindros verticales y planos, tales como autoclaves
verticales y paredes en hornos.

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( 𝑁𝑢) = 0.53( 𝑃𝑟 ∗ 𝐺𝑟)0.25
𝑃𝑎𝑟𝑎 104
< (𝑃𝑟 ∗ 𝐺𝑟) < 109
( 𝑁𝑢) = 0.12( 𝑃𝑟 ∗ 𝐺𝑟)0.33
𝑃𝑎𝑟𝑎 109
< (𝑃𝑟 ∗ 𝐺𝑟) < 1012
Ecuaciones que simplifican para el aire, quedando como:
ℎ 𝑐 = 1.3(
∆𝑡
𝐿
)
0.25
ℎ 𝑐 = 1.8(∆𝑡)0.25
(EARLE R., 2003)
Fuente: Yunus A Cengel (2007)
El recipiente cilíndrico de la figura contiene agua caliente cuya temperatura es Tw, el
proceso de enfriamiento comienza con una temperatura del agua Tw0, para un tiempo
inicial cero: el tanque está colocado al medio ambiente donde la temperatura del aire es
Ta, entre ambos fluidos existe una transferencia de calor desde el agua caliente hacia el
aire del medio ambiente. Si m, es la masa del fluido contenido en el tanque y si Tw >
Ta, la velocidad de transferencia de calor, la variación de la temperatura de enfriamiento
del agua en el tanque respecto al tiempo puede obtenerse aplicando un modelo
matemático de balance de energía térmica, tomando como superficie de control del
sistema la pared del tanque, el cual permitirá determinar experimentalmente el
coeficiente global de calor externo, Ue. La transferencia de calor se presenta por

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convección natural del agua caliente hacia la pared interna del recipiente, por
conducción a través de la pared del cilindro y desde la pared externa del recipiente por
convección natural a través del aire.
Ecuación de balance general de energía.
𝐸̇ 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − 𝐸̇ 𝑠𝑎𝑙𝑒 = 𝐸̇ 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 + 𝐸̇ 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 (2.1)
Donde:
𝐸̇ 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = velocidad de energía térmica que entra por la superficie de control
𝐸̇ 𝑠𝑎𝑙𝑒 = velocidad de energía térmica que sale por la superficie de control
𝐸̇ 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 = velocidad de energía térmica que se acumula dentro del volumen de
control.
𝐸̇ 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 = velocidad de energía térmica que se genera dentro del volumen de control.
Por el volumen de control no ingresa energía térmica, tampoco se genera energía, por
consiguiente la ecuación (3.1) queda reducida a,
−𝐸̇ 𝑠𝑎𝑙𝑒 = 𝐸̇ 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 (2.2)
−𝐸̇ 𝑠𝑎𝑙𝑒 = 𝑄̇ 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 (2.3)
Como el agua contenida en el recipiente cilíndrico tiene más temperatura que el aire del
medio ambiente, la velocidad de transferencia de calor se lleva a cabo desde el agua
caliente al aire del medio ambiente mediante un proceso de convección natural para
ambos fluidos.
2.2.2 Velocidad de energía térmica que sale del sistema
La velocidad de transferencia de calor se lleva a cabo a través de la superficie de control
que es el área de transferencia de calor, como el área externa es más grande que el área
interna hay que definir con que área se desea trabajar, como nuestro objetivo es
determinar el coeficiente global de transferencia de calor externo, debemos trabajar con
el área externa.

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𝐴 𝑒 = 2𝜋𝑟𝑒 𝐻 = 𝜋𝐷 𝑒 𝐻
Donde.
De = diámetro externo del tanque
H = altura del agua contenida en el tanque (recipiente cilíndrico)
Ecuación de diseño para la transferencia de calor
𝑄̇ 𝑠𝑎𝑙𝑒 = 𝑈𝑒 𝐴 𝑒 ( 𝑇 𝑤 − 𝑇𝑎) (2.4)
Donde,
𝑄̇ 𝑠𝑎𝑙𝑒 =velocidad de energía térmica que sale del tanque, [w]
𝑈𝑒=coeficiente global externo de transferencia de calor, [
𝑊
𝑚2 °𝐶
]
𝐴 𝑒=área de transferencia de calor [ 𝑚2]
𝑇 𝑤=temperatura constante del agua contenida en el termostato [°C]
Ta = temperatura del aire del medio ambiente que se mantiene constante para
nuestro modelo, [°C]
2.2.3 Velocidad de cambio de energía térmica acumulada
El proceso de enfriamiento se lleva a cabo dentro del tanque donde la temperatura del
agua disminuye y varía su contenido energético. El término acumulación se refiere al
calor sensible que experimenta el agua de enfriamiento,
Ecuación de diseño,
𝑄̇ 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 =
𝑑(𝑚𝐶 𝑝 𝑇)
𝑑𝑡
(2.5)
Donde,
𝑄̇ 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 =energía térmica acumulada, [w]
m = masa de agua contenida en el tanque [Kg]
Cp = calor especifico del agua del tanque a temperatura promedio, [
𝐽
𝐾𝑔°𝐶
]
t = tempo, [s]
La masa, m, del agua en el tanque no varía y considerando que el calor específico del
agua del tanque no varía con la temperatura la ecuación (3.5) se convierte en,
𝑚𝐶 𝑝 𝑑𝑇 𝑤
𝑑𝑡
(2.6)
Reemplazando las ecuaciones (3.4) y (3.6) se obtiene,
−𝑈𝑒 𝐴 𝑒( 𝑇 𝑤 − 𝑇𝑎) =
𝑚𝐶 𝑝 𝑑𝑇
𝑑𝑡

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Ordenando los miembros de la ecuación anterior,
𝑑𝑇
( 𝑇 𝑤 − 𝑇𝑎)
= −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
𝑚𝐶 𝑝
𝑑𝑡
(2.7)
El primer miembro de la ecuación (3.7), es una integral conocida, pero hay que realizar
el siguiente artificio.
𝑑𝑇 = 𝑑( 𝑇 𝑤 − 𝑇𝑎) (2.8)
Reemplazando la ecuación (3.8) en la ecuación (3.7) se obtiene,
𝑑( 𝑇 𝑤 − 𝑇𝑎)
( 𝑇 𝑤 − 𝑇𝑎)
= −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
𝑚𝐶 𝑝
𝑑𝑡
(2.9)
Integrando la ecuación (3.9) y definiendo los límites se obtiene,
∫
( 𝑇 𝑤 − 𝑇𝑎)
𝑇 𝑤=𝑇 𝑤
𝑇 𝑤=𝑇 𝑤0
= −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
𝑚𝐶 𝑝
∫ 𝑑𝑡
𝑡=𝑡
𝑡=0
(2.10)
Two es la temperatura inicial del agua en el tanque a tiempo = 0
ln (
( 𝑇 𝑤 − 𝑇𝑎)
( 𝑇 𝑤0 − 𝑇𝑎)
) = −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
𝑚𝐶 𝑝
𝑡
(2.11)
Transformando el logaritmo neperiano de la última ecuación a logaritmo decimal,
log (
( 𝑇 𝑤 − 𝑇𝑎)
( 𝑇 𝑤0 − 𝑇𝑎)
) = −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
2.3026 𝑚 𝐶𝑝
𝑡
(2.12)
La ecuación (3.2) es una ecuación semilogarítmica que sigue la ecuación de la línea
recta que parte del origen (no hay un valor para el intercepto en el eje de ordenadas). Si
graficamos los valores de (
( 𝑇 𝑤−𝑇𝑎)
( 𝑇 𝑤0−𝑇𝑎 )
) en ordenadas y el tiempo t en segundos en abscisas
del papel semilogaritmico se obtiene una línea recta en el cuarto cuadrante que parte
desde el origen, cuya pendiente negativa es igual a −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
2.3026 𝑚 𝐶 𝑝
𝑡.
2.3 CONVECCIÓN FORZADA
La transmisión de calor por convección forzada tiene lugar cuando se fuerza a un fluido
a pasar sobre un sólido, existiendo transmisión de calor entre ambos.
Como es de esperar, cuanto mayor es la velocidad del fluido, mayor es la velocidad de
transmisión de calor; cuando las velocidades son pequeñas y, por tanto, las velocidades

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de transmisión de calor por convección natural y forzada son equiparables, el número de
Grashof es todavía útil. Sin embargo, en general, la transmisión pasa de depender de los
coeficientes de expansión térmica y la aceleración de la gravedad, según las leyes de la
circulación natural, a depender de las velocidades de circulación y del número de
Reynolds.
El recipiente cilíndrico de la figura contiene con temperatura Tw, si se agita mediante
un agitador se presenta la transferencia de calor por convección forzada, si lo dejamos al
medio ambiente el contenido energético del agua disminuye debido a que el color
comienza a transportarse por convección a través del aire, que puede ser el mecanismo
de convección forzada si se aumenta la velocidad del mismo, por consiguiente estamos
iniciando un proceso de enfriamiento con un descenso de la temperatura. Si Two, es la
temperatura inicial del agua caliente para un tiempo inicial cero; y si Ta es la
temperatura del aire el cual durante el proceso no variará, entre ambos fluidos existe una
transferencia de calor desde el agua caliente que se enfría hacia el aire del medio
ambiente. Si m, es la masa del fluido contenido en el tanque y si Tw > Ta, la velocidad
de transferencia de calor y la variación de la temperatura de enfriamiento del agua en el
tanque respecto al tiempo puede obtenerse aplicando un modelo matemático de balance
de energía térmica, tomando como superficie de control del sistema la pared del tanque,
el cual permite determinar experimentalmente el coeficiente global de transferencia de
calor externo, Ue. La transferencia de calor del agua, se puede presentar por convección
natural o convección forzada hacia la pared interna del recipiente, por conducción del
calor a través de la pared del tanque y desde la pared externa del recipiente por
convección natural o forzada a través del aire.
2.3.1. Ecuaciones para la convección forzada
Cuando el flujo turbulento está totalmente desarrollado
para (Re) > 2.100 y (Pr) > 0.5
( 𝑁𝑢) = 0.023( 𝑅𝑒)0.8
(Pr)1/3
Para los gases o líquidos fluyendo con números de Reynolds moderados o grandes:
( 𝑁𝑢) = 0.26( 𝑅𝑒)0.43
(Pr)0.3
Para líquidos y números de Reynolds pequeños 1 < (Re) < 200:
( 𝑁𝑢) = 0.86( 𝑅𝑒)0.43
(Pr)0.3

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Ecuación de balance general de energía.
𝐸̇ 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − 𝐸̇ 𝑠𝑎𝑙𝑒 = 𝐸̇ 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 + 𝐸̇ 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 (3.1)
Donde:
𝐸̇ 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = velocidad de energía térmica que entra por la superficie de control
𝐸̇ 𝑠𝑎𝑙𝑒 = velocidad de energía térmica que sale por la superficie de control
𝐸̇ 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎 𝑑𝑎 = velocidad de energía térmica que se acumula dentro del volumen
de control.
𝐸̇ 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 = velocidad de energía térmica que se genera dentro del volumen de
control.
A través de la superficie de control no ingresa energía térmica, tampoco se genera
energía, por consiguiente la ecuación (4.1) queda reducida a,
−𝐸̇ 𝑠𝑎𝑙𝑒 = 𝐸̇ 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 (3.2)
Expresado la ecuación (4.2) en términos de velocidad de transferencia de calor, [J/s],
queda,
−𝐸̇ 𝑠𝑎𝑙𝑒 = 𝑄̇ 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 (3.3)
Como el agua contenida en el recipiente cilíndrico tiene más temperatura que el aire del
medio ambiente, la velocidad de transferencia de calor se lleva a cabo desde el agua
caliente al aire del medio ambiente mediante un proceso de convección natural para
ambos fluidos.

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2.3.2 Velocidad de energía térmica que sale del sistema
La velocidad de transferencia de calor se lleva a cabo a través de la superficie de control
que es el área de transferencia de calor, como el área externa es más grande que el área
interna hay que definir con que área se desea trabajar, como nuestro objetivo es
determinar el coeficiente global de transferencia de calor externo, debemos trabajar con
el área externa.
𝐴 𝑒 = 2𝜋𝑟𝑒 𝐻 = 𝜋𝐷 𝑒 𝐻
Donde:
De = diámetro externo del tanque
H = altura del agua contenida en el tanque (recipiente cilíndrico)
Ecuación de diseño para la transferencia de calor
𝑄̇ 𝑠𝑎𝑙𝑒 = 𝑈𝑒 𝐴 𝑒 ( 𝑇 𝑤 − 𝑇𝑎) (3.4)
Donde,
𝑄̇ 𝑠𝑎𝑙𝑒 =velocidad de energía térmica que sale del tanque, [w]
𝑈𝑒=coeficiente global externo de transferencia de calor, [
𝑊
𝑚2 °𝐶
]
𝐴 𝑒=área de transferencia de calor [ 𝑚2]
𝑇 𝑤=temperatura constante del agua contenida en el termostato [°C]
Ta = temperatura del aire del medio ambiente que se mantiene constante para
nuestro modelo, [°C]
2.2. Velocidad de cambio de energía térmica acumulada
El proceso de enfriamiento se lleva a cabo dentro del tanque donde la temperatura del
agua disminuye y varía su contenido energético. El término acumulación se refiere al
calor sensible que experimenta el agua de enfriamiento,
Ecuación de diseño,
𝑑(𝑚𝐶 𝑝 𝑇)
𝑑𝑡
(3.5)
Donde,
𝑄̇ 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 =energía térmica acumulada, [w]
m = masa de agua contenida en el tanque [Kg]
Cp = calor especifico del agua del tanque a temperatura promedio, [
𝐽
𝐾𝑔°𝐶
]
t = tiempo, [s]

12
La masa, m, del agua en el tanque no varía y considerando que el calor específico del
agua del tanque no varía con la temperatura la ecuación (3.5) se convierte en,
𝑑𝑡
(3.6)
Reemplazando las ecuaciones (4.4) y (4.6) se obtiene,
−𝑈𝑒 𝐴 𝑒( 𝑇 𝑤 − 𝑇𝑎) =
𝑑𝑡
Ordenando los miembros de la ecuación anterior,
𝑑𝑇 𝑤
( 𝑇 𝑤 − 𝑇𝑎)
= −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
𝑚𝐶 𝑝
𝑑𝑡
(3.7)
El primer miembro de la ecuación (3.7), es una integral conocida, pero hay que realizar
el siguiente artificio.
𝑑𝑇 = 𝑑( 𝑇 𝑤 − 𝑇𝑎) (3.8)
Reemplazando la ecuación (3.8) en la ecuación (3.7) se obtiene,
( 𝑇 𝑤 − 𝑇𝑎)
= −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
𝑚𝐶 𝑝
𝑑𝑡
(3.9)
Integrando la ecuación (3.9) y definiendo los límites se obtiene,
∫
( 𝑇 𝑤 − 𝑇𝑎)
𝑇 𝑤=𝑇 𝑤
𝑇 𝑤=𝑇 𝑤0
= −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
𝑚𝐶 𝑝
∫ 𝑑𝑡
𝑡=𝑡
𝑡=0
(3.10)
Two es la temperatura inicial del agua en el tanque a tiempo = 0
ln (
( 𝑇 𝑤 − 𝑇𝑎)
( 𝑇 𝑤0 − 𝑇𝑎)
) = −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
𝑚𝐶 𝑝
𝑡
(3.11)
Transformando el logaritmo neperiano de la última ecuación a logaritmo decimal,
log (
( 𝑇 𝑤 − 𝑇𝑎)
( 𝑇 𝑤0 − 𝑇𝑎)
) = −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
2026 𝑚 𝐶 𝑝
𝑡
(3.12)

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La ecuación (3.12) es una ecuación semilogarítmica que sigue la ecuación de la línea
recta que parte del origen (no hay un valor para el intercepto en el eje de ordenadas). Si
graficamos los valores de (
( 𝑇 𝑤−𝑇𝑎)
( 𝑇 𝑤0−𝑇𝑎 )
) en ordenadas y el tiempo t en segundos en abscisas
del papel semilogaritmica se obtiene una línea recta en el cuarto cuadrante que parte
desde el origen, cuya pendiente negativa es igual a −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
2.3026 𝑚 𝐶 𝑝
.
III. PARTE EXPERIMENTAL
3.1 MATERIALES
- Equipo de termostato
- Recipiente cilíndrico de aluminio
- Termómetros
- Probetas
- Balanza
- Cronómetro
- Regla graduada
- Balanza analítica
- Equipo de baño María
- Equipo de agitación con agitador de paletas “Heidolph mod 5015”
- equipo de ventilación “Scoli”
- Medidor de velocidad lineal del aire “FM modelo 8901”
3.2 Descripción del equipo
Se utiliza un recipiente cilíndrico de aluminio de un litro, para la convección natural de
agua caliente hacia los alrededores, termómetros para medir la temperatura del agua y
aire y la pared externa del tanque.
Recipiente cilíndrico de aluminio, con tapas aislantes tanto para la base inferior y
superior, la última con tomas para colocar las termocuplas para medir la temperatura del
agua caliente y aire ambiental.
3.3 Procedimiento experimental
3.3.1 Convección Natural
Medir el diámetro interno y externo del recipiente cilíndrico de aluminio, para
determinar el espesor. Calentar agua en el termostato y transferir más o menos 1500 ml
al recipiente cilíndrico. Pesar el recipiente cilíndrico vacío, luego con el contenido de
agua caliente, la diferencia de masas, es la masa de agua usada para el experimento.
Medir la altura del contenido de agua de enfriamiento, que conjuntamente con el De nos
permitirá determinar el área de transferencia de calor (𝐴 𝑒 = 𝜋𝐷 𝑒 𝐻). Comenzar el
experimento (tiempo cero) con una temperatura del agua caliente cercana a 60°C y la

14
temperatura del aire del medio ambiente. Medir la temperatura de enfriamiento del agua
cada tres minutos por el tiempo de cuarenta minutos.
3.3.2 Convección Forzada
Se realizará tres experimentos para estudiar la transferencia de calor por convección
forzada (sistema agua caliente-pared cilíndrica de aluminio-aire ambiental),
Convección del agua Convección del aire
Forzada Natural
Natural Forzada
forzada forzada
La metodología del proceso a seguir es idéntica para los tres casos, los cuales se
resumen en los siguientes pasos.
1. Medir el diámetro interno y externo del recipiente cilíndrico de aluminio, para
determinar su espesor.
2. Calentar agua en el equipo baño maría y transferir más o menos 1500 ml al recipiente
cilíndrico.
3. Pesar el recipiente cilíndrico vacío, luego con el contenido de agua caliente, la
diferencia de masa, es la masa del agua, este paso se puede realizar al final del
experimento.
4. medir la altura del contenido de agua caliente, que conjuntamente con el De nos
permitirá determinar al área de transferencia de calor.
IV. DATOS Y RESULTADOS EXPERIMENTALES
4.1 PARA CONVECCIÓN DE AGUA NATURAL Y AIRE NATURAL
4.1.1 Tabla 1: Datos obtenidos en el laboratorio.
𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 = 22°𝐶
TIEMPO
[S] Tw [°C]
0 61
130 60
305 59
520 58
820 57
1030 56
1290 55
1585 54
1840 53

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4.1.2 Tabla 2: Cálculos para obtener la gráfica en función del tiempo
TIEMPO
[S] Tw [°C]
𝑻 𝒘 − 𝑻 𝒂
𝑻 𝒘𝟎 − 𝑻 𝒂
𝒍𝒏 (
)
0 61 1 0
130 60 0.97436 -0.02598
305 59 0.94872 -0.05264
520 58 0.92308 -0.08004
820 57 0.89744 -0.10821
1030 56 0.87179 -0.13720
1290 55 0.84615 -0.16705
1585 54 0.82051 -0.19783
1840 53 0.79487 -0.22957
4.2 PARA LA CONVECCIÓN NATURAL AGUA Y CONVECCIÓN FORZADA
AIRE
4.2.1 Tabla 3: Datos y resultados experimentales
t [S] Tw [°C]
𝒍𝒏 (
)
0 61 1 0
80 60 0.97436 -0.02598
150 59 0.94872 -0.05264
270 58 0.92308 -0.08004
420 57 0.89744 -0.10821
510 56 0.87179 -0.13720
696 55 0.84615 -0.16705
832 54 0.82051 -0.19783
975 53 0.79487 -0.22957
1118 52 0.76923 -0.26236
1305 51 0.74359 -0.29627
4.3 PARA LA CONVECCIÓN FORZADA AGUA Y CONVECCIÓN NATURAL
AIRE
4.3.1. tabla 4: Datos y resultados experimentales
TIEMPO [S] Tw [°C]
(
) 𝒍𝒏 (
)
0 59 0 1
39 58 0.97222 -0.02817
295 57 0.94444 -0.05716

16
450 56 0.91667 -0.08701
615 55 0.88889 -0.11778
855 54 0.86111 -0.14953
1050 53 0.83333 -0.18232
1250 52 0.80556 -0.21622
1670 51 0.77778 -0.25131
2050 49 0.72222 -0.32542
4.4 PARA LA CONVECCIÓN FORZADA AGUA Y CONVECCIÓN FORZADA
AIRE
4.4.1 Tabla 5: Datos y resultados experimentales
TIEMPO
[S] Tw [°C]
(
) 𝒍𝒏 (
)
0 59 1 0
14 58 0.97347 -0.02688
160 57 0.94695 -0.05451
253 56 0.92042 -0.08292
357 55 0.89390 -0.11216
500 54 0.86737 -0.14229
585 53 0.84085 -0.17334
670 52 0.81432 -0.20540
885 51 0.78780 -0.23851
950 50 0.76127 -0.27276
1030 49 0.73475 -0.30823
1140.5 48 0.70822 -0.34500
1275 47 0.68170 -0.38317
1400 46 0.65517 -0.42286
1530 45 0.62865 -0.46419
1680 44 0.60212 -0.50730
1850 43 0.57560 -0.55235
2000 42 0.54907 -0.59953
V. CALCULOS Y RESULTADOS
5.1 CONVECCIÓN NATURAL
1. Graficar los valores de la temperatura del agua en función del tiempo de
enfriamiento.
Grafica 1: tiempo [s] Vs temperatura [°C]

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2. Obtener los valores de 𝑙𝑛(
𝑇 𝑤−𝑇𝑎
𝑇 𝑤0 −𝑇𝑎
) y graficar en función del tiempo en segundos en
papel milimetrado
Gráfica 2:
y = -0.0042x + 60.499
R² = 0.9914
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
0 500 1000 1500 2000
temperatura[°C]
tiempo [S]
Series1
Linear (Series1)
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0 500 1000 1500 2000 2500
ln((T_w-T_a)/(T_w0-T_a))
tiempo [S]

18
3. Determinar el coeficiente global de transferencia de calor Uexp. a partir de la
pendiente de la gráfica anterior e igualmente al término −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
𝑚 𝐶 𝑝
. El calor específico
del agua se determina de tablas a temperatura promedio del agua caliente al inicio y
final del experimento.
T° prom = (Ti + Tf)/2 = (61 + 53)/2 = 57 °C
𝐶 𝑝(57°𝐶 ) = 4183
𝐽
𝑘𝑔 °𝐶
𝐷𝑖 = 14.3 𝑐𝑚 = 0.143 𝑚
𝐷 𝑒 = 15.1 𝑐𝑚 = 0.151 𝑚
𝐻 = 11.5 𝑐𝑚 = 0.115 𝑚
𝜌 𝑎𝑔𝑢𝑎 (57°𝐶) = 984.66
𝐾𝑔
𝑚3
𝑉 = 1820𝑚𝑙
𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝜌 ∗ 𝑉
𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 984.66
𝐾𝑔
𝑚3
∗ 1820𝑚𝑙 ∗
1𝐿 ∗ 1𝑚3
1000𝑚𝑙 ∗ 1000𝐿
𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1.7921 𝐾𝑔
𝐴 𝑒 = 𝜋𝐷 𝑒 𝐻
𝐴 𝑒 = 𝜋𝑥0.151𝑥0.115
𝐴 𝑒 = 0.05455 𝑚2
𝑏 = 𝑡𝑔 =
∆
∆𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜
=
−0.24000− (−0.13000)
1800 − 1000
𝑏 = −0.00013
𝑦 = 𝑎 + 𝑏𝑥
𝑏 = −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
𝑚𝐶 𝑝
= −0.00013
𝑈𝑒 =
𝑚𝐶 𝑝 × 0.0001
𝐴 𝑒
𝑈𝑒 =
1.7921𝑘𝑔 × 4183
𝐽
𝑘𝑔 °𝐶
× 0.00013
0.05455 𝑚2
𝑈𝑒 = 17.8648
𝑊
𝑚2°𝐶
4. Obtener los valores de la relación
𝑇 𝑤0 −𝑇𝑎
, y graficar en función del tiempo en
segundos en papel semilogarítmico.

19
y = -0.0001x - 0.0152
R² = 0.9984
-0.25000
-0.20000
-0.15000
-0.10000
-0.05000
0.00000
0 500 1000 1500 2000
Ln(Tw-Ta/Two-Ta)
tiempo [s]
Series1
Linear (Series1)
5. Determinar el coeficiente global de transferencia de calor Uexp, a partir de la
pendiente de la línea recta del gráfico del gráfico anterior e igualar al término
−
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
2.3026 ∗𝑚𝐶 𝑝
sí : 𝑦 = 𝑎 + 𝑏𝑥 entonces, 𝑏 = −0.00011
∴ 𝑏 = −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
2.3026 ∗ 𝑚𝐶 𝑝
= −0.00011
𝑈𝑒 =
𝑚𝐶 𝑝 × 0.00011
𝐴 𝑒
𝑈𝑒 =
1.7921𝑘𝑔 × 4183
𝐽
𝑘𝑔 °𝐶
× 0.00011 ∗ 2.3026
0.05455 𝑚2
𝑈𝑒 = 34.8070
𝑊
𝑚2°𝐶
6. Determinar el Uexp utilizando para el cálculo de la pendiente el programa EXCEL,
para ambos casos
Para la gráfica del milimetrado
Gráfica 4: tiempo [s] Vs Ln(Tw-Ta/Two-Ta)
si: 𝑦 = 𝑎 + 𝑏𝑥, entonces 𝑏 = −0.0001

20
𝑈𝑒 =
1.7921𝑘𝑔 × 4183
𝐽
𝑘𝑔 °𝐶
× 0.0001
0.05455 𝑚2
𝑈𝑒 = 13.7422
𝑊
𝑚2°𝐶
Para la gráfica del papel semilogarítmico
Grafica 5: tiempo [s] Vs (Tw-Ta/Two-Ta)
si 𝑦 = 𝑎 + 𝑏𝑥 entonces 𝑏 = −0.0001
∴ 𝑏 = −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
2.3026 ∗ 𝑚𝐶 𝑝
= −0.0001
𝑈𝑒 =
1.7921𝑘𝑔× 4183
𝐽
𝑘𝑔 °𝐶
× 0.0001 ∗ 2.3026
0.05455 𝑚2
𝑈𝑒 = 31.6427
𝑊
𝑚2°𝐶
5.2 CONVECCIÓN FORZADA
Para cada proceso realizar los siguientes cálculos:
y = -0.0001x + 0.9872
R² = 0.9914
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 500 1000 1500 2000
(𝑻_𝒘−𝑻_𝒂/𝑻_𝒘𝟎−𝑻_𝒂)
tiempo [s]
Series1
Linear (Series1)

21
7. Graficar los valores de la temperatura del descenso del agua caliente en función
del tiempo.
Gráfica6: convección natural del agua y convección forzada del aire
Gráfica 7: convección forzada del agua y convección natural del aire
Gráfica 8: convección forzada del agua y convección forzada del aire
y = -0.0075x + 60.321
R² = 0.9893
0
10
20
30
40
50
60
70
0 500 1000 1500
Tagua[°C]
tiempo [s]
Series1
Linear (Series1)
y = -0.0046x + 58.244
R² = 0.9837
0
10
20
30
40
50
60
70
0 500 1000 1500 2000 2500
Tagua[°C]
tiempo [s]
Series1
Linear (Series1)

22
8. Obtener los valores de 𝑙𝑛(
𝑇 𝑤0−𝑇𝑎
) y graficar en función del tiempo en segundos
en papel milimetrado
Gráfica 9: convección natural del agua y convección forzada del aire
y = -0.0084x + 58.139
R² = 0.9943
0
10
20
30
40
50
60
70
0 500 1000 1500 2000 2500
Tagua[°C]
tiempo [s]
Series1
Linear (Series1)
-0.35
-0.3
-0.25
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
tiempo [s]
Series1

23
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 500 1000 1500 2000 2500
tiempo [S]
Series1
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0 500 1000 1500 2000 2500
tiempo [s]
Series1

24
9. Determinar el coeficiente global de transferencia de calor Uexp. a partir de la
pendiente de la gráfica anterior e igualmente al término −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
𝑚 𝐶 𝑝
. El calor específico
del agua se determina de tablas a temperatura promedio del agua caliente al inicio
y final del experimento.
Para la gráfica 9: convección natural del agua y convección forzada del aire
Temperatura promedio = (Ti + Tf)/2 = (61 + 51)/2 = 56 °C
𝐶 𝑝(56°𝐶 ) = 4183
𝐽
𝑘𝑔 °𝐶
𝐷𝑖 = 14.3 𝑐𝑚 = 0.143 𝑚
𝐷 𝑒 = 15.1 𝑐𝑚 = 0.151 𝑚
𝐻 = 10.8 𝑐𝑚 = 0.108 𝑚
𝜌 𝑎𝑔𝑢𝑎 (56°𝐶) = 984.45
𝐾𝑔
𝑚3
𝑉 = 1925𝑚𝑙
𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 984.45
𝐾𝑔
𝑚3
∗ 1925𝑚𝑙 ∗
1𝐿 ∗ 1𝑚3
1000𝑚𝑙 ∗ 1000𝐿
𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1.8951 𝐾𝑔
𝐴 𝑒 = 𝜋𝑥0.151𝑥0.108
𝐴 𝑒 = 0.0512𝑚2
𝑏 = −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
𝑚𝐶 𝑝
= −0.00023
𝑈𝑒 =
𝑚𝐶 𝑝 × 0.00023
𝐴 𝑒
𝑈𝑒 =
1.8951𝑘𝑔 × 4183
𝐽
𝑘𝑔 °𝐶 × 0.00023
0.0512 𝑚2
𝑈𝑒 = 35.6105
𝑊
𝑚2°𝐶
Para la gráfica 10: convección forzada del agua y convección natural del aire
Temperatura promedio = (Ti + Tf)/2 = (59 + 49)/2 = 54°C

25
𝑏 = −0.00016
𝑏 = −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
𝑚𝐶 𝑝
= −0.00016
𝑈𝑒 =
𝑚𝐶 𝑝 × 0.00016
𝐴 𝑒
𝑈𝑒 =
1.5780𝑘𝑔 × 4182
𝐽
𝑘𝑔 °𝐶
× 0.00016
0.04506 𝑚2
𝑈𝑒 = 23.4326
𝑊
𝑚2°𝐶
Para la gráfica 11: convección forzada del agua y convección forzada del aire
Temperatura promedio = (Ti + Tf)/2 = (59 + 42)/2 = 50.5 °C
𝐶 𝑝(50.5°𝐶) = 4181
𝐽
𝑘𝑔 °𝐶
𝐷𝑖 = 14.3 𝑐𝑚 = 0.143 𝑚
𝐷 𝑒 = 15.1 𝑐𝑚 = 0.151 𝑚
𝐻 = 9.5 𝑐𝑚 = 0.095 𝑚
𝜌 𝑎𝑔𝑢𝑎 (50.5°𝐶) = 988.1
𝐾𝑔
𝑚3
𝑉 = 1599𝑚𝑙
𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 988.1
𝐾𝑔
𝑚3
∗ 1599𝑚𝑙 ∗
1𝐿 ∗ 1𝑚3
1000𝑚𝑙 ∗ 1000𝐿
𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1.5799 𝐾𝑔
𝐴 𝑒 = 𝜋𝑥0.151𝑥0.095
𝐴 𝑒 = 0.04506 𝑚2
𝑏 = −0.00031
𝐶 𝑝(54°𝐶) = 4182
𝐽
𝑘𝑔 °𝐶
𝐷𝑖 = 14.3 𝑐𝑚 = 0.143 𝑚
𝐷 𝑒 = 15.1 𝑐𝑚 = 0.151 𝑚
𝐻 = 9.5 𝑐𝑚 = 0.095 𝑚
𝜌 𝑎𝑔𝑢𝑎 (54°𝐶 ) = 986.9
𝐾𝑔
𝑚3
𝑉 = 1599𝑚𝑙
𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 986.9
𝐾𝑔
𝑚3
∗ 1599𝑚𝑙 ∗
1𝐿 ∗ 1𝑚3
1000𝑚𝑙 ∗ 1000𝐿
𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1.5780 𝐾𝑔
𝐴 𝑒 = 𝜋𝑥0.151𝑥0.095
𝐴 𝑒 = 0.04506 𝑚2

26
𝑏 = −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
𝑚𝐶 𝑝
= −0.00031
𝑈𝑒 =
𝑚𝐶 𝑝 × 0.00031
𝐴 𝑒
𝑈𝑒 =
1.5799𝑘𝑔 × 4181
𝐽
𝑘𝑔 °𝐶
× 0.00031
0.04506 𝑚2
𝑈𝑒 = 45.4444
𝑊
𝑚2°𝐶
10. Determinar el Uexp utilizando para el cálculo de la pendiente el programa EXCEL,
para ambos casos
Gráfica 12: convección natural del agua y convección forzada del aire
𝑈𝑒 =
𝑚𝐶 𝑝 × 0.0002
𝐴 𝑒
𝑈𝑒 =
1.8951𝑘𝑔 × 4183
𝐽
𝑘𝑔 °𝐶
× 0.0002
0.0512 𝑚2
𝑈𝑒 = 30.9656
𝑊
𝑚2°𝐶
y = -0.0002x - 0.0133
R² = 0.9953
-0.35
-0.3
-0.25
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0 500 1000 1500
ln(Tw-Ta/Two-Ta)
tiempo [s]
Series1
Linear (Series1)

27
Temperatura promedio = (Ti + Tf)/2 = (59 + 49)/2 = 54°C
𝑏 = −0.00016
𝑏 = −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
𝑚𝐶 𝑝
= −0.00016
𝑈𝑒 =
𝑚𝐶 𝑝 × 0.00016
𝐴 𝑒
𝑈𝑒 =
1.5780𝑘𝑔 × 4182
𝐽
𝑘𝑔 °𝐶
× 0.0002
0.04506 𝑚2
𝑈𝑒 = 29.2907
𝑊
𝑚2°𝐶
Temperatura promedio = (Ti + Tf)/2 = (59 + 42)/2 = 50.5 °C
y = -0.0002x - 0.0167
R² = 0.9908
-0.35
-0.3
-0.25
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0 1000 2000 3000
ln(Tw-Ta/Two-Ta)
Series1
Linear (Series1)
y = -0.0003x - 0.0037
R² = 0.9974
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0 1000 2000 3000
ln(Tw-Ta/Two-Ta)
Series1
Linear (Series1)

28
𝑏 = −0.00031
𝑏 = −
𝑈𝑒 𝐴 𝑒
𝑚𝐶 𝑝
= −0.00031
𝑈𝑒 =
1.5799𝑘𝑔 × 4181
𝐽
𝑘𝑔 °𝐶
× 0.0003
0.04506 𝑚2
𝑈𝑒 = 43.9784
𝑊
𝑚2°𝐶
VI. CUESTIONARIO
1. Determinar el coeficiente global de transferencia de calor Ue, utilizando las
correlaciones teóricas-experimentales desarrolladas en la parte teórica de la
asignatura.
PARA CONVECCIÓN DE AGUA NATURAL Y AIRE NATURAL
𝐶 𝑝(57°𝐶) = 4183
𝐽
𝐾𝑔. °𝐶
𝑘 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 0.0647
𝑊
𝑚. °𝐶
𝜇(57°𝐶) = 490.65𝑥10−6
𝑁𝑠
𝑚2
𝜌 𝑎𝑔𝑢𝑎 (57°𝐶 ) = 984.66
𝐾𝑔
𝑚3
𝑔 = 9.81
𝑚
𝑠2
𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1.7921 𝐾𝑔
𝑇𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = 22 °𝐶
∆𝑇 = 8°𝐶
𝐷𝑖 = 14.3 𝑐𝑚 = 0.143 𝑚
𝐷 𝑒 = 15.1 𝑐𝑚 = 0.151 𝑚
𝐻 = 11.5 𝑐𝑚 = 0.115 𝑚
𝜌 𝑎𝑔𝑢𝑎 (61°𝐶 ) = 982.68
𝐾𝑔
𝑚3
𝜌 𝑎𝑔𝑢𝑎 (53°𝐶 ) = 986.66
𝐾𝑔
𝑚3
𝛽 =
982.68 − 986.66
(
982.68 + 986.66
2
) × (53 − 61)
= 5.05𝑥10−4
𝐾−1
𝐺𝑟 ∗ 𝑃𝑟 = 𝐷𝑖3
𝐿3
𝜌2
𝛽𝑔
∆𝑇
𝜇
×
𝐶𝑝
𝑘

29
𝐺𝑟 ∗ 𝑃𝑟 =
0.1433
× 984.662
× 9.81 × 5.05𝑥10−4
∗ 8 ∗ 4183
490.65𝑥10−6 ∗ 0.0647
𝐺𝑟 ∗ 𝑃𝑟 =1.48*1010
ℎ𝑖 =
𝑘
𝐷 𝑒𝑞
× 0.53( 𝐺𝑟 ∗ 𝑃𝑟)0.25
ℎ𝑖 =
0.0647
0.143
× 0.53(1.48 ∗ 1010)0.25
ℎ𝑖 = 83.6391
𝑊
𝑚2°𝐶
𝐺𝑟 ∗ 𝑃𝑟 = 𝐻3
𝜌2
𝑔𝛽
∆𝑇
𝜇2
× 𝐶𝑝
𝜇
𝑘
Propiedades del aire a la temperatura media de la película.
𝑇𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 = 59°𝐶
𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 = 22°𝐶
𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = 40.5°𝐶
∆𝑇 = 37°𝐶
𝐷 𝑒 = 115.1 𝑐𝑚 = 0.151 𝑚
𝐻 = 11.5 𝑐𝑚 = 0.115 𝑚
𝑘 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 0.0269
𝐽
𝑚 𝑠°𝐶
𝜌 𝑎𝑖𝑟𝑒 (40.5°𝐶) = 1.1318
𝐾𝑔
𝑚3
𝜇(40.5°𝐶) = 1.9209𝑥10−5
𝑁𝑠
𝑚−2
𝐶 𝑝(40.5°𝐶) = 1005
𝐽
𝐾𝑔.°𝐶
𝑔 = 9.81
𝑚
𝑠2
𝛽 =
1
313.5
𝐺𝑟 ∗ 𝑃𝑟 =
0.1513
× 1.13182
× 9.81 ×
1
313.5
× (59 − 22) × 1005
1.9209𝑥10−5 × 0.0269
𝐺𝑟 ∗ 𝑃𝑟 = 9931444
ℎ 𝑒 =
𝑘
𝐻
× 0.53( 𝐺𝑟 ∗ 𝑃𝑟)0.25
ℎ 𝑒 =
0.0269
0.115
× 0.53(9931444)0.25
ℎ 𝑒 = 6.9596
𝑊
𝑚2°𝐶
𝐴 𝑒 = 𝜋𝑥0.151𝑥0.115
𝐴 𝑒 = 0.05455 𝑚2
𝑟𝑒 = 0.076 𝑚
𝐴𝑖 = 𝜋𝐷𝑖 𝐻
𝐴𝑖 = 𝜋𝑥0.143𝑥0.115
𝐴𝑖 = 0.05166 𝑚2
𝑟𝑖 = 0.072 𝑚

30
𝑘 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜 = 220
𝑊
𝑚°𝐶
𝑈𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 =
1
1
ℎ 𝑒
+
𝐴 𝑒 𝐿𝑛(
𝑟𝑒
𝑟𝑖
)
2𝜋𝑘𝐻
+
𝐴 𝑒
ℎ𝑖 𝐴𝑖
1
1
6.9596
𝑊
𝑚2°𝐶
+
0.05455 𝑚2 × 𝐿𝑛(
0.076
0.072
)
2𝜋 × 220
𝑊
𝑚°𝐶
× 0.115 𝑚
+
0.05455 𝑚2
83.6391
𝑊
𝑚2°𝐶
× 0.05166 𝑚2
1
0.1437
𝑚2 °𝐶
𝑊
+ 1.8554𝑥10−5 𝑚2°𝐶
𝑊
+ 0.0126
𝑚2°𝐶
𝑊
𝑈𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 = 6.3972
𝑊
𝑚2 °𝐶
2. A partir de los resultados obtenidos para los cuatro procesos, fundamentar
científicamente que proceso es mejor para la transferencia de calor
Tabla 6: Resultados de coeficiente global
Convección Papel milimetrado
agua aire 𝑈𝑒𝑥𝑝[w/𝑚2
°𝐶]
Natural Natural 17.7422
Forzada Natural 23.4326
Natural Forzada 35.6105
Forzada Forzada 45.4444
Según la tabla 6 de resultados, se observa el coeficiente global de convección más
alto en la convección forzada de agua y convección forzada de aire. Cuanto mayor
es la velocidad del fluido, mayor es la velocidad de transmisión de calor y mucho
mejor es la transferencia de calor.
3. A partir de los resultados experimentales para los cuatro procesos estudiados,
indicar con fundamento de transferencia de calor que temperatura del agua
caliente disminuyó más en el tiempo de media hora.
Según Yunus- 2007, A pesar de la complejidad de la convección, se observa que
la rapidez de la transferencia de calor por convección es proporcional a la
diferencia de temperatura y se expresa en forma conveniente por la ley de Newton
del enfriamiento como:
𝑄̇ 𝑠𝑎𝑙𝑒 = 𝑈𝑒 𝐴 𝑒 ( 𝑇 𝑤 − 𝑇𝑎)
𝑄̇ 𝑠𝑎𝑙𝑒 = 45.4444 ∗ 0.05455(61 − 22) = 96.6807 𝑊

31
Por lo tanto se dice que, el experimento que disminuye la temperatura antes de
media hora es la de convección forzada en agua y aire, porque tiene un calor de
96.6807w, que sale del tanque de aluminio.
VII. RESULTADO Y DISCUSIÓN
Tabla 7: Resultados
Convección Papel
milimetrado
Papel
semilog.
Excel Coef. Teórico
𝑈𝑒𝑥𝑝[w/𝑚2
°𝐶]
agua aire 𝑈𝑒𝑥𝑝[w/𝑚2
°𝐶] 𝑈𝑒𝑥𝑝[w/𝑚2
°𝐶] milimetrado Semilog. 𝑈 𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜[w/𝑚2
°𝐶]
Natural Natural 17.7422 34.8070 13.7422 31.6427 6.3972
Forzada Natural 23.4326 - 29.2967 -
Natural Forzada 35.6105 - 30.9656 -
Forzada Forzada 45.4444 - 43.9784 -
- Según Yunus-2007, nos presenta un cuadro de coeficientes de transferencia de calor
globales de convección donde se tiene para una convección natural de 2 a 25
w/𝑚2
°𝐶, comparando el coeficiente global teórico se obtuvo 6.3972 w/𝑚2
°𝐶; por lo
tanto se encuentra dentro del rango. Realizamos una comparación coeficiente global
obtenido gráficamente en el milimetrado y semilogaritmico observando una
significativa diferencia de resultados porque el semilogarítmico presenta una línea
logarítmica creciente con respecto al tiempo y a la temperatura. También se hace una
comparación con la graficas obtenidas en el Excel pues se tiene resultados similares
con una mínima diferencia. Por lo tanto concluimos que por tener un coeficiente
global de T.C inferior no es buena la transferencia de calor.
- Según la tabla 7 de resultados se observa las diferencias de coeficientes globales de
convección natural o forzada en el agua y el aire, haciendo una comparación entre
estos valores se tiene que, la convección forzada de agua y aire presenta un
coeficiente global de transferencia de calor alto, por lo tanto se dice que la
transferencia de calor es mucho mejor.
VIII. CONCLUSIONES
- Estudiamos el fenómeno de transferencia de calor por convección natural.
- Determinamos el coeficiente global externo de transferencia de calor agua-aire.
- Verificamos los resultados experimentales con los obtenidos a partir de las
correlaciones experimentales-teóricas.
- Estudiamos el proceso de trasferencia de calor por convección forzada en un
sistema agua caliente pared cilíndrica de aluminio-aire
- Determinamos los coeficientes globales externos de transferencia de calor para
la convección forzada en el sistema agua caliente-pared cilíndrica de aluminio-
aire.

32
- Comprobamos que a mayor valor de los coeficientes globales de transferencia de
calor mejor es la transferencia de calor.
IX. BIBLIOGRÁFIA
- Cengel Yunus A: Transferencia de Calor y Masa. 3era Edición Mc Graw-Hill.
University of Nevada, Reno, 2007. Pág. 25
- Earle R.: Ingeniería de los alimentos. Las operaciones básicas del procesado de
los alimentos, 2da edición. Editorial Acribia, New Zelanda, 2003. Pág. 54 – 58.
- Frank P. Incropera, David P. De Witt: Fundamentos de transferencia de calor,
1999, cuarta edición, México.
- https://es.scribd.com/doc/94148509/Densidad-del-agua-entre-0-y-100-C última
visita (10-05-2016 11:36a.m)

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