Determinación experimental de nuevas correlaciones estadísticas para el cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección para placa plana, cilindros y bancos de tubos

Abstract

Introducción: En este proyecto se llevó a cabo una investigación experimental con el diseño, montaje y puesta en marcha de un banco de pruebas de transferencia de calor por convección.Objetivo: Determinar nuevas correlaciones estadísticas que permitan conocer los coeficientes de transferencia de calor por convección del aire, con mayor exactitud, en aplicaciones con diferentes configuraciones geometrías calefactoras.Metodología: Se estudiaron tres configuraciones geométricas, como lo son placa plana, cilindros y bancos de tubos en función de sus propiedades físicas a través de los números de Reynolds y Prandtl utilizando una interfaz de transmisión de datos mediante controladores Arduino® con los que se midió la temperatura del aire a través del ducto para obtener datos en tiempo real y relacionar el calor cedido del elemento calefactor al fluido y poder realizar el modelamiento matemático en un software estadístico especializado. El estudio se hizo para las tres geometrías mencionadas, una potencia por elemento calefactor y dos velocidades de salida de aire con 10 repeticiones.Resultados: Se obtuvieron tres correlaciones matemáticas con coeficientes de regresión mayores a 0.972, una para cada elemento calefactor, obteniéndose errores de predicción en los coeficientes convectivos de transferencia de calor de 7,50% para la placa plana, 2,85% para la placa cilíndrica y 1,57% para el banco de tubos.Conclusiones: Se observó que en geometrías constituidas por varios elementos individuales se logra un ajuste estadístico mucho más exacto para predecir el comportamiento de los coeficientes de calor por convección debido a que cada unidad alcanza una estabilidad en el perfil de temperatura de la superficie con mayor rapidez, otorgándole a la geometría en general una medición más precisa en los parámetros que rigen la transferencia de calor, como es en el caso de la geometría del banco de tubos.

Introduction− This project carried out an experimental research with the design, assembly and commissioning of a convection heat transfer test bench.Objective−To determine new statistical correlations that allow to know the heat transfer coefficients by air convection with greater accuracy in ap-plications with different heating geometry configurations.Methodology−Three geometric configurations, such as flat plate, cylin-ders and tube banks were studied according to their physical properties through Reynolds and Prandtl numbers, using a data transmission inter-face using Arduino® controllers Measured the air temperature through the duct to obtain real-time data and to relate the heat transferred from the heating element to the fluid and to perform mathematical modeling in spe-cialized statistical software. The study was made for the three geometries mentioned, one power per heating element and two air velocities with 10 repetitions.Results− Three mathematical correlations were obtained with regression coefficients greater than 0.972, one for each heating element, obtaining prediction errors in the heat transfer convective coefficients of 7.50% for the flat plate, 2.85% for the plate Cylindrical and 1.57% for the tube bank.Conclusions−It was observed that in geometries constituted by several individual elements, a much more accurate statistical adjustment was ob-tained to predict the behavior of the convection heat coefficients, since each unit reaches a stability in the surface temperature profile with Greater speed, giving the geometry in general, a more precise measurement in the parameters that govern the transfer of heat, as it is in the case of the ge-ometry of the tube bank