UC. Transferencia de Calor

1

PRCTICA 1

FLUJO DE CALOR EN SLIDOS: CONDUCCIN EN ESTADO ESTACIONARIO Y NO

ESTACIONARIO.

OBJETIVOS: El estudiante deber:

1. Interactuar con sus compaeros de clases y el profesor en las experiencias prcticas a realizar, para compartir opiniones y conocimientos.

2. Observar y Estudiar el comportamiento de la conduccin de calor a travs de barras metlicas de diferentes materiales.

3. Determinar los parmetros que influyen en la transferencia de calor de los metales. Revisin Bibliogrfica: Transferencia de calor Conduccin de calor. Conduccin de calor en estado estacionario. Conduccin de calor en estado no estacionario. Ley de Fourier. Conductividad trmica de un material.

EXPERIENCIA N 1. Comparacin de conduccin de calor en diferentes metales. Materiales: Regla o cinta mtrica Laminas metlicas de diferentes materiales. Cronmetro Mechero, Fsforos, Cera o Vela, Vernier.

Esquema del montaje N 1

Procedimiento

1) Colocar una lmina de metal en una base, de tal manera que en su lado se le pueda transmitir calor con el mechero y al otro incrustrsele la cera. (Ver el esquema del Montaje N 1)

2) Medir el tiempo que tarda en caer completamente la cera de la lmina. 3) Realizar el mismo procedimiento para cada material

cera

mechero

soporte lamina

cera

UC. Transferencia de Calor

2

EXPERIENCIA N 2. Calor por conduccin. EQUIPOS Y MATERIALES: Varilla soporte, Soporte para tubos de vidrio, Pinza Universal Agitador, Varilla de Al en forma de U, Varillas de Cu en forma de U Termmetro, Cronmetro, Cinta mtrica, plancha de calentamiento Mechero de gas natural, Fsforos, Vernier.

Esquema del montaje N 2

Procedimiento 1) Medir el espesor , la longitud y el dimetro de la varilla metlica a utilizar. 2) Colocar en un recipiente agua a temperatura ambiente y en otro agua caliente (aproximadamente

a 100 C). (Ver el esquema del Montaje N 2) 3) Colocar los extremos de la barra en U del material seleccionado en cada uno de los recipientes,

de manera que solo tenga contacto los extremos de la barra del metal con el agua y no con los bordes del recipiente.

4) Medir la temperatura del agua de cada recipiente, la cual ser la temperatura inicial. (t=0 minutos) 5) Colocar el termmetro en el recipiente de agua a temperatura ambiente de forma que su punta de

medida quede aproximadamente 1 cm por encima del fondo del calormetro. 6) Registrar la temperatura del agua en el tiempo estipulado por el docente. Agitar regularmente el

agua. 7) Repetir el procedimiento para diferentes varillas metlicas. Observacin: La cantidad de agua a utilizar ser fijada por el facilitador en la experiencia prctica. Pautas para el Informe y algunas Consideraciones: Primera Experiencia:

Comparar la conduccin de calor para cada material utilizado. Interprete los resultados obtenidos

Porqu un material es ms y/o menos resistente a los cambios de temperatura? Justifique su respuesta.

Discutir los posibles errores y limitaciones de la experiencia realizada. Segunda Experiencia:

Graficar t vs. T. (tiempo vs Temperatura). Se obtuvo el comportamiento esperado? Justifique su respuesta.

Hallar el calor absorbido por el agua a temperatura ambiente mediante la Formula:

)(** 0TTCpmQ fabs

Recipiente 2 Agua a Temperatura Ambiente

Recipiente 1 Agua Caliente

UC. Transferencia de Calor

3

Donde: Qabs: Calor absorbido por el agua a temperatura ambiente. (J) Cp: Calor especifico del agua. (J/ g. C) Tf: Temperatura final del recipiente 2. (C) To: Temperatura inicial del recipiente 2, (C) Igualar este calor absorbido por el agua a temperatura ambiente (Qabs) al calor

transmitido por la varilla de metal que se calcula aplicando la Ley de Fourier y despejar la conductividad trmica experimental (K) de la varilla:

L

tdt

dTAKQ

*)(** =

L

tTTAKQabs

*)(*. 12

Donde: Q: Flujo de Calor transmitido por la varilla de metal. (J/ s) K: Conductividad Trmica del Metal. (W/m.K) A: rea Transversal de la varilla de metal. (m2) t: Tiempo (s) T2: Temperatura Final del Agua en el Recipiente 2. (K) T1: Temperatura Inicial del Agua en el Recipiente 1. (K) L: Longitud de la varilla de metal. (m)

Comparar el valor de la conductividad trmica K experimental con el valor de

conductividad trmica K terico para cada material. Calcule el error absoluto, relativo y porcentual entre el valor de K experimental y K

terico para cada material. Discutir los resultados obtenidos, los posibles errores cometidos en la experiencia

prctica, las limitaciones y condiciones ambientales existentes en la prctica, tomando en cuenta el enunciado de la ley de Fourier.

Cmo explicara usted el fenmeno de conduccin tomando en cuenta la experiencia prctica realizada? El mismo es estacionario o no estacionario? Justifique su respuesta.

UC. Transferencia de Calor

4

PRCTICA 2.

FLUJO DE CALOR ENTRE FLUIDOS: CONVECCIN NATURA Y FORZADA.

OBJETIVO:

Estudiar de transferencia de calor por conveccin libre y forzada.

Evaluar los coeficientes de conveccin natural y forzada

Revisin Bibliogrfica:

Transferencia por conveccin. Ley de enfriamiento de Newton Conveccin natural y forzada. Coeficiente de Transferencia de calor. Conveccin en flujos laminares y turbulentos. Resistencias compuestas en series. Mtodo del anlisis dimensional y nmeros adimensionales de conveccin.

Materiales.

Recipiente de con tapa de material con K conocido. Termmetro Cronometro Aislante de K conocido, tales como corcho o anime. Ventilador. Agitador magntico. Agua. Cinta Mtrica y Vernier. Cava de anime.

Diagrama ideal de un Montaje:

UC. Transferencia de Calor

5

EXPERIENCIA 1. CONVECCION NATURAL

Procedimiento experimental: 1) El recipiente debe tener inserto un termmetro. 2) Registre el dimetro interno, dimetro externo y longitud del recipiente.. 3) Vaci agua de masa conocida a temperatura cercana a la de ebullicin en el recipiente y tpelo. 4) Registre tanto la temperatura inicial del agua como la temperatura ambiente. 5) Cada dos minutos registre el cambio de temperaturas del agua durante 20 minutos.

EXPERIENCIA 2. CONVECCION FORZADA

Procedimiento experimental: 1. Vaci agua a temperatura cercana a la de ebullicin en el recipiente y tpelo. 2. Registre tanto la temperatura inicial del agua, como la temperatura del ambiente. 3. Encienda el ventilador. 4. Cada dos minutos registre el cambio de temperaturas del agua durante 20 minutos.

Observaciones. La constante agitacin del agua, tiene la finalidad de mantener la pared interna del

recipiente a la misma temperatura del agua, haciendo que el gradiente de temperatura tenga un valor de cero. Con esto suponemos que en el interior del recipiente no hay calor por conveccin y a travs de la pared la transferencia es por conduccin.

La tapa del recipiente y el fondo deben estar aislados, para evitar la transferencia de calor en esta direccin y trabajar solo con la direccin perpendicular a los laterales del recipiente.

Informe. 1. Realizar el balance de energa para ambas experiencias, sabiendo que:

El calor perdido por el agua es )(**22 dt

dTCpmq OHOH Ec. 1

El coeficiente global en un sistema combinado de conduccin mas conveccion esta dado por:

;.3.!

2.; EcR

UAEcR

Tq

Hallar UA de esta igualacin de ecuaciones e integrando la cual resulta:

tCpm

UA

TambT

TambTLn

OinicialH

OH

*2

2

; Ecuacin de una recta donde la pendiente m es:

mXYEcCpm

UAm

OHOH

4.;*

22

UC. Transferencia de Calor

6

Considerando que La temperatura del ambiente permanece constante.

Graficar

TambT

TambTLnVsst

OinicialH

OH

2

2. aproximar a una recta este

comportamiento; para hallar la pendiente entre dos puntos pertenecientes a la recta. Con esta pendiente hallar el coeficiente global por rea U.A de la ecuacin 4.

Sustituir U.A en la ecuacin 3 y despejar coeficiente de conveccion (h) para conveccion natural y forzada. Sabiendo que Las resistencias trmicas son:

LK

ri

reLn

Rt cilindro2

Aeh

Rtaire

conveccion*

1

2. Comparar los coeficientes de conveccion obtenido experimentalmente con los valores

tericos, discutir los errores presentados. 3. Discutir todas las suposiciones establecidas en la practica, el porque esas suposiciones y

argumentar los fenmenos presentes durante su experiencia en el laboratorio.

UC. Transferencia de Calor

7

PRACTICA 3. APLICACIN DE LA LEY DE STEFAN-BOLTZMAN Objetivos:

Estudiar el fenmeno de transferencia de calor por radiacin, conveccin y conduccin en un

sistema

Aplicar la ecuacin de Stefan Boltzman, Ley de Fourier y Ley de Enfriamiento de Newton.

Estudiar la perdida de calor en superficies planas.

Revisin Bibliogrfica:

1. Transferencia de calor por radiacin, conveccin y conduccin,

2. Ley de Stefan Boltzman.

3. Ley de Fourier aplicada a superficies planas y cilndricas.

4. Ley de enfriamiento de Newton.

5. Prdida de Calor en superficies planas y cilndricas.

6. Radiacion trmica.

7. Coeficiente global de transferencia de calor.

Construccin del dispositivo:

Materiales para la construccin y operacin del dispositivo:

Una caja de anime u otro material con su tapa.

2 laminas de diferentes materiales.

Aislante. (Corcho o fibra de vidrio)

Un bombillo con su sistema de encendido.

Termmetros.

Cronmetros

Secciones de la caja de Anime u otro material sugerido

Seccin B: En las paredes inferior y superior, estarn ubicadas

las lminas metlicas a utilizar. Las paredes laterales estarn

cubiertas con un aislante

Seccin C: las partes laterales y superiores estarn cubiertas por

un aislante.

Lamina metlica

UC. Transferencia de Calor

8

Procedimiento experimental:

1. Verificar si el dispositivo tiene bien colocados los termmetros y el bombillo.

2. Encender el dispositivo.

3. Medir la temperatura cada minuto en las tres secciones hasta que hayan transcurrido 15

minutos. (Verificar si la temperatura en cada una de las secciones logr estabilizarse)

4. Apagar el dispositivo.

Informe.

Graficar t(s) Vs. Temperatura para cada seccion en una misma grafica e interpretar el

comportameinto.

Hallar calor total desde la pared interna de la seccion A hasta la seccion C, por unidad

de area, Esta dada por esta la siguiente ecuacion:

;R

Tq

(w/m2): donde las temperaturas involucradas son las de la seccin A y C. Las

resistencias son las de las paredes metlicas y la de conveccin en cada seccin.

Hallar la energia radiada por el bombillo segun la ecuacion de Stefan-Boltzman

4TH Donde :

H: es la velocidad radiada por el bombillo medida en W/m2

: es la emisividad del vidrio 0.8.

: es la constante de Blotzman; la cual tiene un valor constanted e5.67x10-8w/m2K4

T: Temperatura de la seccion A.

Hallar la energia total por unidad de area ; disipada por el sistema, la cual se halla con

la sumatoria de las dos energias (q+H) . Interprete este resultado.

Discutir todas las suposiciones establecidas en la practica, el porque esas

suposiciones y argumentar los fenmenos presentes durante su experiencia en el

laboratorio.

La ley de Kirchoff es una importante generalizacin relacionada con la potencia radiante de una

sustancia y establece que, para la temperatura de equilibrio, la relacin entre la potencia radiante total

Seccin A: Debe ubicarse el sistema de encendido del

bombillo. Las paredes laterales y la inferior estarn cubiertas

con un aislante.

Lamina metlica

Sistema de encendido del

Bombillo

UC. Transferencia de Calor

9

de cualquier cuerpo y su absortividad depende slo de la temperatura del mismo. As, considere dos

cuerpos cualesquiera que estn en equilibrio trmico con entornos comunes

PRCTICA 4. FLUJO DE CALOR ENTRE FLUIDOS CON CAMBIOS DE FASE.

OBJETIVOS.

Identificar la condensacin en pelcula y en gotas.

Medir del flujo de calor y coeficiente de transferencia de calor por rea en la condensacin en pelcula y en gotas a presiones por encima de la atmosfrica.

Demostrar e investigar el efecto del aire en condensadores

REVISIN BIBLIOGRFICA.

Transferencia de calor desde vapores condensantes, condensacin en gotas y en pelcula.

Coeficientes para la condensacin en pelcula.

Condensacin de vapores sobrecalentados.

Condensacin de vapores mezclados.

Efecto de los incondensables.

Transferencia de calor a lquidos en ebullicin: ebullicin de lquido saturado, flujo mximo y cada de temperatura crtica, calderas de tetera.

Flujo de calor mnimo y ebullicin de pelcula, calderas termosifn, calderas de circulacin forzada.

Evaporizacion

PRECAUCIN:

Por el tubo flexible y el tubo de vidrio pasa vapor de agua muy caliente. Mantn siempre el orificio de salida vertical hacia abajo.

Al calentar el agua el aro soporte y la rejilla se ponen muy calientes.

Mete siempre los tubos de vidrio en los tapones de goma con glicerina.

MONTAJE:

Monte el material de soporte segn la figura 1a. La malla de calentamiento debe quedar a aproximadamente 1 cm por encima del mechero.

Ponga el tubo de vidrio corto en el tapn de goma.

Ponga unos 75 ml de agua en el Erlenmeyer y cirralo con el tapn.

Ponga el erlenmeyer en la rejilla y sujtalo con la pinza universal.

Empalme el tubo flexible al tubito de vidrio del tapn y ponga en su otro extremo el tubo de vidrio largo.

Sujete el tubo de vidrio largo en el centro del soporte para tubos de vidrio y ponga debajo el beaker plstico (figura 14a).

Monte el calormetro, Ponga el termmetro y el agitador en los orificios correspondientes de la tapa del calormetro.

UC. Transferencia de Calor

10

Figura 14.

PROCEDIMIENTO.

Ponga exactamente 150 ml de agua fra en el calormetro (mdelo con la pipeta y la probeta graduada). Anote este valor como V1.

Mida la temperatura inicial en el calormetro, corresponde a T1.

Caliente el agua del erlenmeyer y hgala hervir.

Observe si sale vapor de agua caliente y no salgan gotas.

Coja ahora el tubo de vidrio e introdzcalo en el orificio grande de la ranura de la tapa del calormetro, para que el vapor de agua entre en el. (figura 14b).

Deje entrar el vapor unos 2 minutos, hasta que la temperatura del agua sea de unos 50 C.

Apague ahora el mechero, saque el tubo de vidrio del calormetro y sujtelo otra vez en la varilla.

Agite cuidadosamente el agua. Mide y anote su temperatura TEQ. de equilibrio de la mezcla.

Mida el volumen de agua V3 que hay ahora en el calormetro, echndola en la probeta graduada, y antelo (considere los valores intermedios de 0.5 ml).

Recuerde que la temperatura del vapor de agua, Tvap = 100

UC. Transferencia de Calor

11

PRCTICA 5. (Terica) FUNCIONAMIENTO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

OBJETIVOS.

Realizar balance de energa y estudio de prdidas en los diferentes tipos de intercambiadores de calor.

Determinar la efectividad de los intercambiadores por el mtodo de NTU.

Estudiar de la transferencia de calor bajo condiciones de flujo a contracorriente y en paralelo.

REVISION BIBLIOGRFICA.

Flujos en paralelo y contracorriente.

Balances de energa: Balances de entalpa en intercambiadores de calor.

Balances de entalpa en condensados totales.

Temperatura media de la corriente del fluido.

Coeficiente global variable y coeficientes individuales de transferencia de calor.

Intercambiadores de calor de tubo y carcaza: Intercambiadores multitubo, Intercambiadores de paso simple, Intercambiadores de paso mltiple, Intercambiadores de tipo placa. Equipos con superficie ampliada. Intercambiadores de superficie escarpada.

PRCTICA 6. (Terica) FUNCIONAMIENTO DE EVAPORADORES

OBJETIVOS.

Demostrar de flujo bifsico con incremento del contenido de vapor en un evaporador.

Estudiar el efecto de la temperatura, presin y velocidad de flujo en el proceso de evaporacin.

REVISIN BIBLIOGRFICA.

Tipos de evaporadores.

Operacin de simple y mltiple efecto.

Evaporadores tubulares.

Coeficientes de transferencia de vapor. Economa de un evaporador.

Recompresin del vapor