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7/26/2019 Practicas Transferencia
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Transferencia de Calor
PRACTICA N° 1
CARRERA: INGENIERIA MECANICA
CURSO: Transferencia de Calor
DOCENTE: ING. NELSON JARA
ALUMNOS:
o Buenaño Merino Carlos
o Benavides Paredes Luis
o Herrera Ordoñez Andrés
o Plaza Tepan Juano Solórzano García Joseph
o Torres Díaz Cristian
o Reinoso Daniel
I. TEMA: CONDUCCION EN PAREDES COMPUESTAS EN ESTADO ESTABLE – ECUACION DE
FOURIER
1. OBJETIVOS.
2. Medir el flujo de calor para el caso de conducción estable de calor a través
de una pared plana compuesta.3. Calcular el valor del coeficiente de conductividad térmica del material y
el valor del coeficiente global de transferencia de calor.
4. MARCO TEORICO
Conducción en paredes planas compuestas
Sea una pared plana compuesta por tres materiales A, B, y C, a través de la cual se produce
una transmisión de calor por conducción en estado estacionario: [2]
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Figura 1. Pared compuesta
Las conductividades caloríficas de los materiales A, B, y C son, respectivamente k A, kB, kC;
los respectivos espesores son los indicados; y las diferencias de temperaturas entre las
superficies que delimitan cada uno de los materiales:
La diferencia de temperatura entre las superficies exteriores que delimitan la pared
es: .
Si se aplica la ecuación vista para una pared simple a cada una de las capas:
y sumando miembro a miembro, resulta:
(1)
de donde : o bien
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(2)
De acuerdo con las ecuaciones anteriores:
(3)
es decir, las diferencias de temperatura a lo largo de una pared compuesta son
directamente proporcionales a las correspondientes resistencias térmicas.
Hay que tener en cuenta, además, que siempre que los sólidos están en contacto, suelen
establecerse resistencias adicionales de contacto entre cada dos de ellos, debidas a las
imperfecciones superficiales de los mismos, por bien pulidos que estén. Siempre
quedará ocluido aire entre ambos, a cuyo través, el calor que pasa por conducción se
verá muy impedido, originando descensos importantes de la temperatura. Otras veces
los sólidos que se ponen en contacto son metálicos, siendo frecuente entonces que sobre
sus superficies se formen finísimas capas de óxidos de conductividades caloríficas muy
inferiores a las de los metales, determinando nuevas resistencias. [2]
Una aplicación más compleja del enfoque del circuito térmico sería la indicada en la figura
2, en la cual el calor se transfiere a través de una estructura formada por una resistencia
térmica en serie, otra en paralelo y una tercera en serie.[1]
Figura 2. Pared compuesta en serie-paralelo-serie
(4)
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4.2 Ecuación de Fourier.
Siempre que existe un gradiente de temperaturas en un medio sólido, el calor fluirá desde
la región con mayor temperatura a la región con menor temperatura. La Ley de Fourier
indica que potencia calorífica que se transfiere por conducción qk es proporcional al
gradiente de temperatura y a área a través de la cual se transfiere el calor1 :
(5)
Donde k es la constante de proporcionalidad llamada conductividad térmica y refleja las
propiedades conductoras del material 2; el signo negativo indica que cuando la
temperatura aumenta con la posición, el calor fluye hacia regiones de menor temperatura.
La figura 1a muestra esta situación en un sistema donde las paredes paralelas al plano
(y,z), separadas una distancia L, se encuentran a temperaturas T1 y T2 > T1 conocidas.
El calor fluirá en la dirección x (porque no existe gradiente de temperaturas en las otras
direcciones) y puede expresarse como: [3]
(6)
Siempre que la conductividad térmica k sea constante a lo ancho del material.
4.3 Coeficiente de conductividad térmica
La conductividad térmica k es una propiedad de los materiales que, excepto en el caso de
los gases a bajas temperaturas, no es posible predecir analíticamente. La información
disponible está basada en medidas experimentales. [1]
En general, la conductividad térmica de un material varía con la temperatura, pero en
muchas situaciones prácticas, si el sistema tiene una temperatura media, se puede
considerar con un valor medio constante, lo que proporciona resultados bastante
satisfactorios. [1]
En la Tabla 1, se relacionan los valores típicos de la conductividad térmica de algunos
metales, sólidos no metálicos, líquidos y gases, que nos dan una idea del orden de
magnitud con que se presenta en la práctica, mientras que en las figura 3, se presenta una
gráfica de conductividades térmicas, entre 0 y 450 W/mK para metales y aleaciones
(buenos conductores térmicos). [1]
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Particularizada la anterior ecuación al caso de una placa plana en que sus
superficies tengan una diferencia de temperaturas ΔT, tenemos: [4]
(8)
Donde se define la resistencia térmica por conducción de una placa plana como:
(9)
c) Resistencias térmicas conductivas en caso de capa cilíndrica
Particularizada la anterior ecuación al caso de una capa cilíndrica en que sus superficies
tengan una diferencia de temperaturas ΔT, tenemos: [4]
(10)
Donde se define la resistencia térmica por conducción de una capa cilíndrica como: [4]
(11)
d) Resistencias térmicas conductivas en caso de capa esférica
Particularizada la anterior ecuación al caso de una capa esférica en que sus superficies
tengan una diferencia de temperaturas ΔT, tenemos: [4]
(12)
Se define la resistencia térmica por conducción de una capa esférica como: [4]
(13)
4.5 Coeficiente Global de transferencia de Calor (U)
En cada una de las configuraciones analizadas se puede resumir la contribución de las
diferentes capas de material y la existencia de convección y radiación en una resistenciatérmica global del sistema, y con su inversa definir el coeficiente global de transferencia
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de calor, así:[4]
(14) , (15)
(16),(17)
(18),(19)
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5.1 Preparación y ajuste del equipo
Como primer paso se debe colocar la pasta térmica en las superficies de contacto de las
secciones del dispositivo HT11 (sección de calentamiento, enfriamiento y el espécimen a
prueba), y asegurarlas de forma correcta con las agarraderas.
Conectar los termopares en la unidad de servicio HT10XC procurando conectar cada
termopar en su zócalo, razón por la cual cada punto de conexión y cada terminal están
numerados del 1 al 8 más para este ejercicio no se conectan las termocuplas T4 y T5. Inspeccionar que la conexión a la fuente de agua fría este acoplada con el regulador
de presión y no posea fugas.
Actividades del alumno.
7.1 Realizar un gráfico temperatura vs posición de las termocuplas donde se puedan observar
las líneas a través de los puntos medidos para la sección de calentamiento y de enfriamiento.
5. Desarrollo
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7.2 Gráfico temperatura vs posición de las termocuplas realizado en Excel
NOTA:
Los valores ocultos en las tablas de datos serán entregados al finalizar el
ejercicio.
Conclusiones.
Se pudo medir fácilmente el flujo de calor para el caso de conducción estable de calor a
través de una pared plana compuesta por medio del software de la
computadora.
Para realizar la práctica de transferencia de calor; en este caso, veríamos la conducción de calor
en paredes compuestas en estado estable, para esto se colocó 6 termocuplas, para observar el
cambio de temperatura con la distancia resultante de la conducción lineal de calor a lo largo de
una barra de un material conductor a diferentes tasas de flujo de calor a través de la barra al
momento de ver las gráficas que nos envía el software notamos una ciada en el gradiente de
temperatura.
Cuestionario.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
E x t r a p o l a t e d t e m p e r a t u r e s
[ ° C ]
Position along Bar [mm]
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1. ¿Cómo afectan las diferentes variables presentes en la ecuación de Fourier en los valores
obtenidos?
Siempre que existe un gradiente de temperaturas en un medio sólido, el calor fluirá desde
la región con mayor temperatura a la región con menor temperatura. La Ley de Fourier indica que potencia calorífica que se transfiere por conducción qk es proporcional al
gradiente de temperatura y a área a través de la cual se transfiere el calor1 :
1 ¿Cómo varia el diferencial de temperatura respecto al aumento de voltaje?
Dado que la corriente I es igual V/R, a medida que sube el voltaje la corriente aumenta. Y
como la potencia es P=V*I, la potencia (y por tanto el brillo y el calor también aumentan).
El comportamiento de la resistencia con la temperatura depende del material del que esté
hecha la resistencia, en el caso de un bombillo normal de tungsteno, la resistencia
aumenta con la temperatura.
Por eso, en el caso del bombillo normal y de una instalación normal, en la que el voltaje es
constante e igual a 220 ó 125 volts, al calentarse el bombillo, el valor de la resistencia sube
ligeramente, lo que provoca una disminución de la intensidad y de la potencia, hasta quese estabiliza la temperatura. Si no fuera así, la temperatura aumentaría sin control hasta
que se rompería el filamento
2 ¿Cómo afecta la pasta térmica colocada en las superficies de contacto en el proceso de
transferencia de calor?
La pasta térmica, también llamada grasa siliconada, silicona térmica, masilla térmica (o
también "Pasta, silicona, masilla o grasa para semiconductores"), es una sustancia que
incrementa la conducción de calor entre las superficies de dos o más objetos que pueden
ser irregulares y no hacen contacto directo. En electrónica e informática, es frecuentemente
usada para ayudar a la disipación del calor de componentes mediante un disipador.
Referencias.
[1] http://01a4b5.medialib.edu.glogster.com/media/8c/8cb4f786b59b7
cab5df50cde7f797fdb18acbb8fe964e9947093ddf0d066f832/teorico-
conduccion.pdf
[2] http://ocwus.us.es/arquitectura-e-ingenieria/operaciones-
basicas/contenidos1/tema7/pagina_06.htm
[3] http://www.fing.edu.uy/~skahan/tranferenciacalor.pdf
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[4] http://www.idae.es/uploads/documentos/documentos_10540
_Diseno_y_calculos_aislamiento_AISLAM_GT3_07_01ee3c15.pdf
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Transferencia de Calor
PRACTICA N° 2CARRERA: INGENIERIA MECANICA
CURSO: Transferencia de Calor
DOCENTE: ING. NELSON JARA
ALUMNOS:
o Buenaño Merino Carlos
o Benavides Paredes Luis
o Herrera Ordoñez Andrés
o Plaza Tepan Juan
o Solórzano García Josepho Torres Díaz Cristian
o Reinoso Daniel
I. TEMA: CONCEPTO DE LINEA DE SATURACION – TABLAS DE VAPOR
II. OBJETIVOS.
Comprender la aplicación de aislantes térmicos y su influencia en la conductividad de
materiales.
Calcular el valor del coeficiente de conductividad térmica del material aislante.
III. MARCO TEÓRICOAISLANTE TÉRMICO
Un aislante térmico es un material cuyas características proporcionan resistencia al paso del calor o la
energía. Materiales como el corcho o el papel poseen valores de conductividad térmica bajos, esto
significa que tan solo una pequeña cantidad de calor pasará a través del material a pesar de existir una
diferencia de temperatura alta en las superficies del aislante. Los aislantes térmicos son utilizados
prácticamente en situaciones donde se requiere reducir las pérdidas de calor de un cuerpo caliente a sus
alrededores.
Las principales ventajas de los materiales aislantes son los siguientes:
Prevenir la transmisión del calor que entra desde el aire circundante caliente a elementos que irradian
calor.
Para ayudar a reducir las necesidades de energía para sistemas de refrigeración si se utilizan.
Los materiales no conductores o aislantes se clasifican, según las últimas normas del Comité Electrotécnico
Internacional, en distintas clases teniendo en cuenta los valores máximos de temperatura admisible:
o Clase Y: temperatura máxima de funcionamiento 90ºC; algodón, seda y papel y sus derivados, sin
impregnación.
o Clase A: temperatura máxima 105ºC; algodón, seda y papel y sus derivados, convenientemente
impregnados, recubiertos o sumergidos en un líquido aislante, por ejemplo, aceite.
o Clase E: temperatura máxima 120ºC, materiales, simples o compuestos, con estabilidad térmica
adecuada para actuar a dicha temperatura.
o Clase B: temperatura máxima 130ºC; amianto, mica, fibra de vidrio y sus derivados con la adición de
aglomerantes apropiados.
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o Clase F: temperatura máxima 155ºC; amianto, mica, fibra de vidrio con los aglomerantes adecuados
para soportar dicha temperatura.
o Clase H: temperatura máxima 180ºC; elastómeros de siliconas, amianto, mica, fibra de vidrio, con
resinas de siliconas como aglomerante.
o Clase C: temperatura de funcionamiento superior a 180ºC; mica, materiales cerámicos, vidrio, cuarzo
con aglomerantes inorgánicos o sin ellos.
COEFICIENTE DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA (K)
Es el coeficiente que expresa la magnitud o flujo de calor que pasa a través de la unidad de superficie de
una muestra de material, de extensión infinita, caras plano - paralelas y espesor la unidad, cuando entre
sus caras se establece una diferencia de temperaturas igual a la unidad, en condiciones estacionarias. El
coeficiente de conductividad térmica varía según las condiciones del material (humedad que contiene,
temperatura a la que se hace la medición), por lo que se fijan condiciones para hacerlo, generalmente
para material seco y 15°C y en otras ocasiones, 300 K (26,84 °C).
AISLANTES MÁS EMPLEADOS, CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES.
Aislamiento resistivo
En general, además del vacío, los peores conductores de calor son los gases (como el aire). Debido a ellolos materiales constructivos considerados como aislantes son precisamente aquellos que deben su
ligereza a la gran cantidad de aire encapsulado en su interior, como las colchonetas hechas a base de
fibras. Mientras más pequeños y numerosos sean los compartimientos de aire mayor será la capacidad de
aislamiento. Tal es el caso de materiales como el poliuretano y el poliestireno.
Productos aislantes resistivos
Los productos aislantes resistivos se suelen encontrar en cuatro formas distintas: placas, fieltros, rociados
(espreados), y rellenos:
Placas
Las placas rígidas generalmente se hacen con espumas sintéticas como el poliestireno expandido (EPS) o
extrudido (XPS), el poliuretano expandido y el poliisocianurato. En ocasiones también se producenmediante materiales fibrosos prensados.
Estos productos ofrecen un excelente aislamiento térmico (un elevado valor R) y acústico, además de que
son relativamente resistentes a pesar de su ligereza. Por otro lado suelen brindar una buena cobertura
superficial, reduciendo las pérdidas y ganancias de calor a través de fisuras. Las placas aislantes
generalmente se aplican en la parte externa de los cerramientos exteriores (muros y cubiertas) o en
cámaras de aire. También es común su uso en cimentaciones, suelos y cielorrasos.
Fieltros
Los fieltros (o colchonetas) se fabrican con distintos tipos de fibras que pueden ser sintéticas, de vidrio,
minerales o naturales. La fibra de vidrio se produce con arena y vidrio reciclado, mientras que la fibra
mineral se hace con una mezcla de roca basáltica y residuos metálicos triturados. Una ventaja importante
de los fieltros es su flexibilidad, ya que son muy fáciles de cortar y adaptar a distintas situaciones de obra.
Aislantes rociados
Los aislantes rociados se componen de fibras sueltas o pequeños agregados, generalmente adicionados
con adhesivos para hacerlos más resistentes. Generalmente se producen con fibras de vidrio, minerales o
de celulosa. En el caso de las fibras de celulosa, casi siempre se producen a partir de papel reciclado y se
tratan con químicos que retardan el fuego.
Estos aislantes suelen aplicarse sobre los cielorrasos o como relleno de cavidades en el interior de algunos
cerramientos. Pueden proporcionar una buena resistencia a la infiltración si son lo suficientemente
densos.
Espumas de relleno
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Las espumas de relleno, generalmente producidas con base en materiales como el poliuretano, se
introducen directamente en las cavidades de algunos cerramientos. Al inyectarla, la espuma se expande
hasta llenar por completo dichas cavidades.
Una desventaja de las espumas es que casi siempre deben ser aplicadas por instaladores profesionales y
con equipos especiales. Sin embargo ofrecen la posibilidad de generar un aislamiento perfectamente
ajustado a las cavidades, haciendo más eficiente su función y reduciendo las infiltraciones de aire a través
de la envolvente.
Aislamiento reflectante (radiante)
A diferencia de los aislantes resistivos, que reducen la transferencia de calor por conducción, los aislantes
reflectantes actúan como barrera a las ondas radiantes, principalmente aquellas ubicadas en el rango de
los infrarrojos. Por lo general se producen fijando una capa de aluminio, u otro material de brillo similar,
a una lámina más o menos flexible de plástico o de cartón.
Los aislantes reflectantes se pueden emplear para reducir tanto las ganancias de calor en los climas cálidos
como las pérdidas en los climas fríos, para ser efectivos deben tener un alto índice de reflectancia (por lo
menos 0.9).
NORMAS DE ENSAYO PARA MATERIALES AISLANTES.Las Normas UNE se emplean para la realización de los ensayos correspondientes.
Ensayo de conductividad térmica
UNE 53-037-76 Materiales plásticos. Determinación de la conductividad térmica de materiales
celulares, con el aparato de placas.
Ensayo de densidad aparente
UNE 53.144 Materiales plásticos. Espumas flexibles de poliuretano. Determinación de la densidad
aparente.
UNE 53.215 Materiales plásticos. Determinación de la densidad aparente.
UNE 56-906-74 Aglomerado expandido puro de corcho para aislamiento térmico. Placas.
Determinación de la densidad aparente. Ensayo de permeabilidad al vapor de agua
UNE 53.312 Materiales plásticos. Materiales celulares rígidos. Permeabilidad al vapor de agua de
materiales aislantes térmicos.
Ensayo de permeabilidad al aire de ventanas
UNE 7-405-76 Métodos de ensayo de ventanas. Ensayo de permeabilidad al aire (concuerda con la
EN 42).
UNE 85-205-78 Métodos de ensayo de ventanas. Presentación del informe de ensayo (concuerda
con la EN 78).
Ensayo de absorción de agua por volumen
UNE 53.028 Materiales plásticos. Determinación de la absorción de agua.
Otras Normas de ensayo para materiales aislantes térmicos
UNE 53.029 Materiales plásticos. Determinación de la resistencia química.
UNE 53.126 Materiales plásticos. Coeficiente de dilatación líneal.
UNE 53.127 Inflamabilidad de las espumas y láminas de plástico.
UNE 53.181 Materiales plásticos. Espumas flexibles de poliuretano. Determinación de la
deformación remanente.
UNE 53.182 Materiales plásticos. Espumas flexibles de poliuretano. Determinación de la
resistencia a la compresión.
UNE 53.205 Materiales plásticos. Materiales celulares rígidos. Determinación de la
resistencia a la compresión.
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UNE 53-310-78 Materiales plásticos. Espumas de poliestireno expandido utilizadas como
aislantes térmicos en habitáculos y en instalaciones isotérmicas y frigoríficas. Características
y ensayos.
UNE 53-351-78 Plásticos. Espumas rígidas de poliuretano utilizadas como aislantes térmicos
en habitáculos y en instalaciones isotérmicas y frigorificas. Características y métodos de
ensayo
UNE 56-904-76 Aglomerado expandido puro de corcho para aislamiento térmico. Placas.
Características, muestreo y embalado.
UNE 56-905-74 Aglomerado expandido puro de corcho para aislamiento térmico. Placas.
Determinación de dimensiones.
UNE 56-906-74 Aglomerado expandido puro de corcho para aislamiento térmico. Placas.
Determinación de la densidad aparente.
UNE 56-907-74 Aglomerado expandido puro de corcho para aislamiento térmico. Placas.
Determinación de la resistencia a la rotura por flexión.
UNE 56-908-74 Aglomerado expandido puro de corcho para aislamiento térmico. Placas.
Determinación del comportamiento en agua hirviendo.
IV. PROCEDIMIENTO DE LA PRÁCTICA.MÉTODOS:
Mediante la medición de la diferencia de temperatura resultante de un flujo de calor desconocido a través
de un espécimen de material aislante se pretende emplear la ecuación de Fourier para calcular la
conductividad térmica del material usado.
EQUIPOS:
Unidad de servicio de transferencia de calor HT10CX.
Equipo de transferencia de calor de conducción lineal HT11.
Pasta térmica.
Material Aislante Intermedio (disco de corcho).
PREPARACIÓN Y AJUSTE DEL EQUIPO
Medir el espesor del disco de corcho que se empleará en el experimento.
Asegurar las secciones de calentamiento y de aislamiento con el disco de corcho colocado en el medio de
las secciones antes nombradas.
Conectar los termopares en la unidad de servicio HT10XC procurando conectar cada termopar en su
zócalo, razón por la cual cada punto de conexión y cada terminal están numerados del 1 al 8 más para este
ejercicio no se conectan las termocuplas T4 y T5.
Inspeccionar que la conexión a la fuente de agua fría este acoplada con el regulador de presión y no posea
fugas.
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Fig 1. Armado final del dispositivo.
PROCEDIMIENTO
1. Verificar que la unidad de servicio este conectada de manera correcta, es decir, que el equipo esté
acoplado a la parte posterior de la unidad de servicio por medio de la conexión eléctrica. De igual manera
inspeccionar que la salida de 24 V (OUTPUT2) en la parte posterior de la unidad de servicio este conectada
a la sección de calentamiento.
2. Ubicar el dispositivo HT11 armado con las secciones a trabajar al mismo nivel que la unidad de servicio
HT10XC.
3. Encender la unidad de servicio HT10XC mediante el botón de encendido en la parte superior izquierda de
la unidad y verifique que el panel frontal se encienda.
4. Seleccionar el control del dispositivo en MANUAL y ajuste el voltaje inicial a 9V girando el control de voltaje
de la unidad.
Fig 2. Partes del equipo.
5. Ingrese al software del dispositivo HT11 LINEAR HEAT CONDUCTION donde seleccionará el ejercicio G.
6. Ahora se tiene que cambiar el control del equipo a REMOTO mediante el selector de operacion y verificar
que la pantalla frontal de la unidad de servicio se apague.
7. El voltaje de calentamiento debe ser 1.5 V, por lo tanto se debe ingresar el valor por teclado o mediante
las flechas en la casilla de control dentro del programa hasta llegar al voltaje inicial. (Tabla de equivalencias1).
Tabla1.EquivalenciasdeVoltaje-Porcentaje.
8. Ajustar la toma de datos a manual dentro del menú de configuración de muestras (SAMPLE).
9. Esperar que el equipo se estabilice, lo cual se demostrará mediante la visualización de valores en la
casilla de control de voltaje de calentamiento que se halla debajo de la casilla de voltaje inicial, este
proceso toma aproximadamente 2 minutos.
10. Tomar la muestra respectiva mediante el botón “Go”.
11. Aumentar el voltaje a 2 Voltios, esperar que el equipo se estabilice y repetir el muestreo.
12. Ajustar el voltaje al mínimo en la casilla de voltaje y apagar el equipo pulsando el botón “POWER ON” en
el diagrama del programa.
13. Colocar el selector de operación en manual y reducir el voltaje mediante el control de voltaje, además
apagar la unidad HT10XC.
14. Permitir que el agua fría circule al menos 25 minutos más por el sistema para favorecer el enfriamiento.
15. Para la exportación de datos, se guardan el archivo de los resultados que luego debe ser abierto con el
programa EXCEL donde se podrán contar con los valores obtenidos durante la práctica para su posterior
manejo.
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V. CALCULOS/GRAFICOS/ESQUEMASAlgunos de las constantes necesarias para este ejercicio son:
Para cada serie de valores tomados los resultados deben ser calculados bajo las siguientes fórmulas:
Grafica de vs según los datos obtenidos.
Datos obtenidos.
ThermocoupleDescription
PositionalongBar
[mm]
TemperatureReadings
[°C]t1 t2 t3 t6 t7 t8
Heater Voltage
[V]
Heater Current
[A]
Insulator Thickness
[mm]
ExtrapolatedTemperatures
[°C]
ThermocoupleT1 15,0 133,0 133,0 78,3 77,8 19,2 19,0 18,2 1,6 0,17 0,9 133,0
ThermocoupleT2 30,0 78,3 133,0 78,1 77,6 19,2 19,0 18,2 1,6 0,17 0,9 78,3
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
140,0
0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0
Temperatura vs Posicion
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ThermocoupleT3 45,0 77,8 133,0 77,8 77,3 19,2 19,0 18,2 1,6 0,17 0,9 77,8
Hot Face 52,5 133,0 77,6 77,1 19,2 19,0 18,2 1,6 0,17 0,9 77,6
Cold Face 53,4 115,7 77,3 76,8 19,2 19,0 18,2 1,6 0,17 0,9 19,3
ThermocoupleT6 60,9 19,2 94,7 77,1 76,6 19,2 19,0 18,2 1,6 0,17 0,9 19,2
ThermocoupleT7 75,9 19,0 19,0
ThermocoupleT8 90,9 18,2 18,2
Cálculos de Conductividad
Temperatura en la superficie caliente del aislante77,59
°C
Temperatura en la superficie Fría del aislante19,34
°C
Diferencial de temperatura a través del aislante58,25
°C
Área transversal 0,000490862 m2
Flujo de Calor 0,272 W
Coeficiente de conductividad térmica de la secciónintermedia. 0,04
W/m°C
VI. ANALISIS DE RESULTADOSEl grafico obtenido de la relación de la temperatura con respecto a la posición de las termocuplas
nos muestra una tendencia de decaimiento de la temperatura de una manera uniforme lo cual
es correcto, esta baja de temperatura sufre un gran salto en la posición 4 y 5 donde se encuentra
el aislamiento en donde se comprueba que el asilamiento funciona de manera correcta existiendo
un flujo de calor bastante bajo en esa zona.
VII. CONCLUCIONES
Se logró conocer la variedad de aislantes térmicos disponibles y la gran utilidad que tienen en
el efecto de la conductividad térmica.
Existen una gran variedad de ensayos para materiales aislantes los cuales están descritos
mediante las normas UNE.
Los resultados obtenidos de la toma de datos en el laboratorio, para el posterior cálculo
realizado son lo bastante aproximados por lo que se logró encontrar el coeficiente térmico del
material aislante (corcho) de 0,04 W/m°C el cual está en el rango al valor proporcionado por
tablas de materiales aislantes.
Gracias a la guía la práctica fue realizada de la manera correcta cumpliendo con los objetivos
plantados, fue importante realizar un segundo muestreo de datos, para asi garantizar una
aproximación más real, también es indispensable conocer sobre el software para agilizar la
práctica.
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VIII. BIBLIOGRAFIA.
[1] Materiales aislantes [en línea]. [Consultado 30 mayo 2016]. Disponible en: http://www.sol-
arq.com/index.php/caracteristicas-materiales/materiales-aislantes
[2] Normas de ensayo exigibles a los materiales usados como aislantes térmicos [en línea].
[Consultado 30 mayo 2016]. Disponible en:
http://www.miliarium.com/Prontuario/ArquitecturaSostenible/AhorroEnergiaConstruccion/Norma
s_Ensayo.asp
IX. ANEXOS
CUESTIONARIO
1. ¿Cómo es afectada la transferencia del calor cuando se emplean aislantes?
La transferencia de calor disminuye ya que los aislantes tienen un coeficiente de conducción
bastante bajo por lo que no conducen calor.2. El papel se emplea como aislante para experimentos de laboratorio. ¿Es este material mejor
aislante que el corcho? ¿Por qué?
No, porque uno es mejor conductor de calor que el otro, en este caso el papel se quema antes que el
corcho.
3. ¿Por qué la gradiente de temperatura en los gráficos que se obtienen al emplear aislantes
térmicos tiende a ser pequeña?
Porque la conductividad baja de los materiales aislantes tienen este comportamiento ya que
todo el material aislante conserva la misma temperatura.
4. ¿Cuáles deben ser los parámetros para poder seleccionar un aislante adecuado?Si se tiene el coeficiente de conductividad térmica, ese sería el principal, después se tiene
parámetros como espesores, formas geométricas, impacto ambiental, etc.
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Transferencia de Calor
PRACTICA N° 3
CARRERA: INGENIERIA MECANICA
CURSO: Transferencia de Calor
DOCENTE: ING. NELSON JARA
ALUMNOS:
o Buenaño Merino Carlos
o Benavides Paredes Luis
o Herrera Ordoñez Andrés
o
Plaza Tepan Juano Solórzano García Joseph
o Torres Díaz Cristian
o Reinoso Daniel
I. TEMA: CONDUCCION EN ESTADO NO ESTABLE.
1. OBJETIVOS.
Observar de manera cualitativa la conducción de calor en estado no estable.
2. Marco Teorico.
CONDUCCIÓN NO ESTACIONARIA
Durante la transferencia de calor transitoria, la temperatura normalmente varía tanto
con el tiempo como con la posición. En el caso especial de variación con el tiempo pero
no con la posición, la temperatura del medio cambia uniformemente con el tiempo. Los
sistemas con una transferencia de calor de este tipo se llaman sistemas de parámetros
concentrados o de resistencia interna despreciable. Por ejemplo, un pequeño objeto
metálico, como una unión de un termopar o un alambre delgado de cobre, se puede
analizar como un sistema de parámetros concentrados durante un proceso de
calentamiento o de enfriamiento. La mayoría de los problemas de transferencia de calor
que se encuentran en la práctica son de naturaleza transitoria, pero suelen analizarse
bajo condiciones que se suponen estacionarias, ya que los procesos estacionarios son
más fáciles de analizar y suministran respuestas a nuestras preguntas. Por ejemplo, la
transferencia de calor a través de las paredes y el techo de una casa típica nunca es
estacionaria, puesto que las condiciones en el exterior, como la temperatura, la
velocidad y dirección del viento, la ubicación del Sol, cambian en forma constante.
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Fig. 4.1 Conducción de Calor Transitoria en una Pared Plana.
PARED PLANA
Considere un elemento delgado de espesor en una pared plana grande, Suponga que
la densidad de la pared es r, el calor específico es C y el área de la pared perpendicular a
la dirección de transferencia de calor es A. Un balance de energía sobre este elementodelgado, durante un pequeño intervalo de tiempo , se puede expresar como:
Pero el cambio en el contenido de energía interna del elemento y la velocidad de
generación de calor dentro del elemento se pueden expresar como:
Al sustituir en la ecuación 2-6, se obtiene:
Al dividir entre da:
Al tomar el límite cuando y se obtiene:
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Por la definición de derivada y a partir de la ley de Fourier de la conducción del calor,
El área A es constante para una pared plana, la ecuación unidimensional de conducción
de calor en régimen transitorio en una pared de ese tipo queda:
Conductividad Variable:
Conductividad Constante:
Régimen transitorio, sin generación de calor:
4.2 APLICACIONES DE LA CONDUCCIÓN EN ESTADO NO ESTABLE
Alguna de las aplicaciones que se dan en la industria son:
Tratamientos térmicos de materiales (proceso de templado).
Esterilización de alimentos.
Control de los microorganismos en los alimentos:
Microorganismos como las bacterias, los mohos y los virus se encuentran en el aire, el
agua, el suelo y los productos alimenticios no procesados, y causan sabores y olores
fuera de lo común. El mejor desarrollo de los microorganismos ocurre a las
temperaturas “cálidas”, por lo común entre 20 y 60°C. El enfriamiento es una manera
eficaz y práctica de reducir la velocidad de desarrollo de los microorganismos y, de este
modo, la extensión de la vida en anaquel de los alimentos perecederos. Una
temperatura de refrigeración de 4°C o inferior se considera segura.
Un microorganismo particular que puede no desarrollarse a cierta temperatura baja
puede ser capaz de sobrevivir en ella durante mucho tiempo (figura 4.2). Por lo tanto, la
congelación no es una manera eficaz de matar los microorganismos.
7/26/2019 Practicas Transferencia
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lación puede detener el desarrollo de los microorganismos, pero no los mataría.
Control de los microorganismos en los alimentos.
La vida en almacenamiento de los alimentos frescos perecederos, como las carnes, el
pescado, las frutas se puede extender durante varios días almacenándolos a
temperaturas escasamente arriba de la de congelación, por lo común entre 1 y 4°C. La
vida en almacenamiento de los alimentos se puede extender durante varios meses
congelándolos, por lo común entre –18 y –35°C, (figura 4.3). La refrigeración retarda los
procesos químicos y biológicos en los alimentos y el deterioro y pérdida de calidad y de
nutrientes que los acompañan.
4.2 Temperaturas de refrigeración y de congelación recomendadas para la mayor parte de los alimentos
perecederos.
5. CÁLCULOS Y RESULTADOS:
Al ser un ejercicio cualitativo, es necesario que el estudiante preste atención a las
gráficas obtenidas durante la práctica.
En la tabla 6.1 se muestra una parte de los resultados obtenidos durante la práctica.
7/26/2019 Practicas Transferencia
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Tabla 6.1 Resultados.
Obtener los gráficos de temperatura vs tiempo y temperatura vs posición de las termo-cuplas.
En la figura 6.1 se tiene la gráfica de temperatura vs tiempo que proporciona el
software.
Figura 6.1 Temperatura vs Tiempo (software).
En la figura 6.2 se presenta la gráfica temperatura vs tiempo obtenido a partir de los
resultados conseguidos durante diez minutos.
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Figura 6.2 Gráfica Temperatura vs Tiempo.
En la figura 6.3 se presenta la gráfica temperatura vs posición de las termocuplas, en
diferentes tiempos.
Figura 6.3 Gráfica Temperatura vs Tiempo.
7. ACTIVIDADES
7.1 El estudiante debe observar y verificar las siguientes características de las gráficas
obtenidas:
Cuando el elemento empieza a calentarse, gradualmente las temperaturas se elevanhasta que la línea de la gradiente de estado estable es alcanzada.
,0 00,50,10
15 0,,020
25 0,0,30
,03540,0
,45 0,50 0,55 00,60
65 0,70,0
00:00 02:53 05:46 08:38 11:31
Tiempo [min]
Temperatura vs Tiempo
Temperatura 1
Temperatura 2
Temperatura 3
Temperatura 4
Temperatura 5
Temperatura 6
Temperatura 7
Temperatura 8
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Como se puede apreciar tanto en la figura 6.1 y 6.2, el elemento comienza a calentarse
con el transcurso del tiempo hasta que alcanza la línea de la gradiente de estado
estable.
Cuando el voltaje de entrada es reducido el flujo de calor no puede mantener la
temperatura original y por lo tanto la gradiente y las temperaturas a lo largo de la barra
deben reducirse hasta alcanzar la gradiente de temperatura adecuada.
Una vez transcurridos los primeros 5 minutos se redujo el voltaje de entrada, la
temperatura siguió aumentando durante un corto tiempo, posteriormente esta
comenzó a disminuir hasta alcanzar otra gradiente de temperatura.
El incremento en la termocupla T4 ocurre ligeramente después del incremento en T1debido a la gradiente de temperatura por la conducción a lo largo de la barra.
Esto se puede observar en la tabla 6.1, luego de transcurrir un pequeño tiempo que la
termocupla 1 ha incrementado su temperatura se produce el incremento en la
termocupla 4.
8. CONCLUSIONES:
Como se ha podido observar en el gráfico 6.1 y 6.3, la temperatura de las termocuplasaumentan hasta alcanzar la gradiente de temperatura de estado estable, si el voltaje de
alimentación es disminuido, evidentemente la temperatura disminuirá al no poder
mantener la temperatura original disminuyendo así la gradiente de temperatura hasta
alcanzar una que sea adecuada.
Se ha podido ver como la temperatura cambia con respecto al tiempo en una barra hasta
alcanzar la gradiente de temperatura estable.
Se ha podido comprobar que al pasar un determinado tiempo la gradiente de temperatura
tiende a ser casi la misma, esto se puede observar en la gráfica 6.3, donde en los minutos
cinco, siete minutos y medio, y diez la gradiente de temperatura tiene unas pequeñas
variaciones.
9. CUESTIONARIO
1. ¿Cómo es afectada la gradiente de temperatura en la conducción no estable?
Conforme pase el tiempo la gradiente de temperatura se hace cada vez más aplanado
como resultado de la transferencia de calor, hasta que en un determinado momento se
vuelve uniforme, es decir que ha alcanzado el equilibrio térmico.
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2. La conducción en estado no estacionario es analizada solo de manera cualitativa. ¿Porqué?
Esto se da debido a que la conducción es estado estacionario se puede analizar bajo
condiciones que se suponen estacionarias, ya que estos son mucho más fáciles de
analizar y proporcionan respuestas a nuestras preguntas.
3. ¿De qué manera influye el agua de enfriamiento en la gráfica de la gradiente al disminuirel voltaje de entrada?
El agua de enfriamiento hace que la gráfica de gradiente vaya disminuyendo, haciéndose
cada vez más plana esto se puede ver de una forma más evidente en las temperaturas
T6, T7 y T8 de la figura 6.2.
10. BIBLIOGRAFÍA:
Yunus A. Cengel, Transferencia de Calor y Masa, 3ra Edición, 2007.
http://materias.fi.uba.ar/6731/TRANSITO.pdf
http://ing.unne.edu.ar/pub/fisica2/2013/20130610/T05A.pdf
3.
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Transferencia de Calor
PRACTICA N° 4
CARRERA: INGENIERIA MECANICA
CURSO: Transferencia de Calor
DOCENTE: ING. NELSON JARA
ALUMNOS:
o Buenaño Merino Carlos
o Benavides Paredes Luis
o Herrera Ordoñez Andrés
o Plaza Tepan Juan
o Solórzano García Josepho Torres Díaz Cristian
o Reinoso Daniel
1. TEMA: Conducción Radial en Estado Estable
2. OBJETIVOS:
Medir el flujo de calor para el caso de conducción radial en estado estable.
Calcular el valor del coeficiente de conductividad térmica del material y el valor del coeficiente globalde transferencia de calor.
3. METODOS:
Control del cambio de temperatura con la distancia entre la radio interior (caliente) y el radio exterior
(enfriado) del disco a diferentes flujos de calor a través de la pieza
Determinación de la conducción en paredes compuestas en estado estable mediante el uso de la
ecuación de Fourier.
4. EQUIPOS Y MATERIALES
Unidad de servicio de transferencia de calor HT10CX.
Equipo de transferencia de calor de conducción radial HT12.
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5. MARCO TEORICO
5.1 Conducción en sistemas radiales.
Pared cilíndrica: Cilindros Considérese un cilindro largo de radio interior ri’, radio exterior re y longitud
L.Este cilindro se somete a una diferencia de temperaturas Ti Te y se plantea la pregunta de cuál será el
flujo de calor. En un cilindro cuya longitud sea muy grande comparada con su diámetro, se puede suponerque el calor fluye sólo en dirección radial, con lo que la única coordenada espacial necesaria para definir
el sistema es r. De nuevo, se utiliza la ley de Fourier empleando la relación apropiada para el área. El área
para el flujo de calor en un sistema cilíndrico es:
2
: 2 1 2 ∗ln / 2
ln 1/ 2
: 1 2 T1 T2ln 1/ 2
∗ 2
:ln 1/ 2
2πLk
Pared Esférica: La ecuación de la energía para conducción unidimensional en estado estacionario para
una pared esférica puede ser escrita como:
7/26/2019 Practicas Transferencia
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: 1 1 2 ∗1 1/
1 1/ 2
:1 2 1 1/
1 1/ 2 ∗ 4
:
1r1
1/r2
4πk
5.2 Coeficiente de conductividad térmica.
Es una propiedad de los materiales que, excepto en el caso de los gases a bajas temperaturas, no es posible
predecir analíticamente. La información disponible está basada en medidas experimentales. En general,
la conductividad térmica de un material varía con la temperatura, pero en muchas situaciones prácticas,
si el sistema tiene una temperatura media, se puede considerar con un valor medio constante, lo que
proporciona resultados bastante satisfactorios. Hay valores típicos de la conductividad térmica de algunos
metales, sólidos no metálicos, líquidos y gases, que nos dan una idea del orden de magnitud con que se
presenta en la práctica.
Las unidades de conductividad térmica en el Sistema Internacional son W/(m·K), aunque también se
expresa como kcal/(h·m·°C), siendo la equivalencia: 1 W/(m·K) = 0,86 kcal/(h·m·°C).
El coeficiente de conductividad térmica (k) caracteriza la cantidad de calor necesario por m2, para que
atravesando durante la unidad de tiempo, 1 mt de material homogéneo obtenga una diferencia de 1 °C
de temperatura entre las dos caras.
Para que exista conducción térmica hace falta una sustancia, de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy
baja en ambientes donde se ha practicado un vacío elevado.
La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para
oponerse al paso del calor.
Existe una ley general que relaciona bajas conductividades para bajas densidades, porque la ligereza del
material suele estar producida por huecos en su interior ocupados por aire, que es mucho más aislante
que el material compacto.
5.3 Resistencia térmica.
La resistencia térmica es la capacidad de un material de oponerse al flujo del calor. En el caso de
materiales homogéneos es la razón entre el grosor del material y la conductividad térmica del mismo; en
materiales no homogéneos la resistencia es el inverso de la conductancia térmica. La resistencia
térmica es la inversa a la conductividad térmica.
5.4 Espesor crítico de Aislamiento
7/26/2019 Practicas Transferencia
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Aislamiento térmico es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor por conducción.
La medida de la resistencia térmica o, lo que es lo mismo, de la capacidad de aislar térmicamente, se
expresa, en el Sistema Internacional de Unidades (SI) en W/m²·K (metro cuadrado y kelvin por vatio).
Se considera material aislante térmico cuando su coeficiente de conductividad térmica: λ es inferior a
λ<0.10 W/m²·K medido a 23°C.
Todos los materiales oponen resistencia, en mayor o menor medida, al paso del calor a través de ellos.Algunos, muy escasa, como los metales, por lo que se dice de ellos que son buenos conductores; los
materiales de construcción (yesos, ladrillos, morteros) tienen una resistencia media. Aquellos materiales
que ofrecen una resistencia alta, se llaman aislantes térmicos específicos o, más sencillamente, aislantes
térmicos.
6. CALCULOS Y RESULTADOS
CONSTANTE MEDIDA UNIDAD
Distancia radial hasta la temocupla 1 R1= 0.007 M
Distancia radial hasta la termocupla 6 R6=0.005 M
Espesor del disco X=0.0032 M
Conductividad del Bronce 121 W/mºC
ermocouple
scription
RadialPosition
r
[mm]
TempReadings
[°C]
t1 t2 t3 t4 t5 t6
HeaterVoltage
V
[V]
HeaterCurrent
I
[A]
HeaterPower
Q
[W]
Ln |r|
ermocouple7,0 20,4 20,4 20,1 18,9 18,5 18,5 18,2 9,1 1,35
12,4 1,9459
ermocouple10,0 20,1 20,8 20,4 19,0 18,6 18,5 18,2 9,2 1,35 2,3026
ermocouple20,0 18,9 21,3 20,7 19,2 18,6 18,5 18,2 9,2 1,35 2,9957
ermocouple30,0 18,5 21,8 21,1 19,4 18,8 18,6 18,2 9,1 1,35 3,4012
ermocouple40,0 18,5 22,2 21,5 19,6 18,9 18,7 18,2 9,1 1,35 3,6889
ermocouple50,0 18,2 22,7 21,9 19,8 19,0 18,7 18,2 9,2 1,35 3,9120
23,1 22,2 20,1 19,2 18,8 18,2 9,2 1,35
27,3 25,7 22,1 20,4 19,6 18,5 12,2 1,79
27,8 26,1 22,3 20,6 19,6 18,5 12,2 1,79
28,4 26,6 22,6 20,7 19,7 18,6 12,2 1,79
7/26/2019 Practicas Transferencia
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CALCULOS DE Q
∗
.
.
.
CALCULOS CONDUCTIVIDAD TERMICA DE MATERIAL DEL DISCO
/
∗
.∗°
.∗°
.∗°
CALCULO RESISTENCIA AL FLUJO DE CALOR
/
∗ ∗
.°
.°
.°
COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR
.∗°
.∗°
29,0 27,0 22,9 20,8 19,8 18,6 12,2 1,79
29,5 27,5 23,1 21,0 19,9 18,6 12,2 1,79
30,1 27,9 23,4 21,2 20,0 18,7 12,2 1,79
36,4 33,0 26,2 22,8 20,9 19,0 23,9 3,48
38,8 34,7 26,9 23,2 21,1 19,1 24,0 3,50
41,6 37,0 27,9 23,7 21,3 19,1 24,0 3,49
44,7 39,4 29,2 24,4 21,7 19,3 24,0 3,49
47,8 42,0 30,6 25,1 22,1 19,4 24,0 3,49
50,8 44,4 32,0 26,0 22,6 19,5 24,0 3,49
53,7 46,9 33,4 26,9 23,1 19,7 24,0 3,49
7/26/2019 Practicas Transferencia
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.∗°
Grafica Voltajes-Temperaturas.
Grafica Posicion Termocuplas-Temperatura.
7. CONCLUSIONES
En el desarrollo de la práctica pudimos como varia la temperatura al alejarnos del centro, también pudimos
comprobar de manera gráfica que estas se relacionan mediante las formulas vistas en clase. De modo que si
se presentan variaciones en los puntos calculados y los reales se deben a cuestiones ajenas a las formulas, tales
como: temperatura del ambiente, calidad de los materiales, etc.
7/26/2019 Practicas Transferencia
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8. BIBLIOGRAFIA
Cengel, Y., 2007.Transferencia de calor y masa.México DF: McGraw-Hill.EDIBON, 2013.TXC/CR manual
de prácticas.s.l.:s.n
http://www.monografias.com/trabajos106/transferencia-calor-conduccion-estacionaria-
unidimensional/transferencia-calor-conduccion-estacionaria-unidimensional2.shtml
1. ¿Cómo afectan las diferentes variables presentes en la ecuación de Fourier en los valores obtenidos?
Las variables presentes van a afectar en los resultados de la siguiente manera, como por ejemplo el área elresultado afectara dependiendo de la forma del dispositivo de conducción y de su sección, el coeficiente de
conductividad dependerá del material que se esté empleando son dos de las variables presentes en la ecuación
de Fourier que causan un efecto en los resultados o valores obtenidos.
2. Explique cómo se genera la distribución de temperatura en sistemas de conducción radial.
Existen varias cantidades, pero entre ellas hay dos que son de mucha importancia de interés practico en el
estudio de problemas de conducción de calor. Dichas cantidades son la razón de flujo de calor y la distribución
de la temperatura. Las razones de flujo de calor tratan de la demanda de energía en un sistema dado, cuando
se requiere una distribución de temperaturas conveniente para diseñar de manera adecuada el sistema, desde
el punto de vista de los materiales. En un suceso cualquiera, una vez que es conocida la distribución de latemperatura es posible determinar las razones de flujo de calor con ayuda de la denominada Ley de Fourier.
La distribución de la temperatura es lineal, y el flujo de calor es constante de un extremo a otro de una placa,
para el caso de la ecuación radial produce.
Y por lo tanto la distribución de la temperatura esta en forma logarítmica.
T = M ln r + N
3. ¿Por qué es importante calcular el logaritmo natural de la distancia radial?
Este cálculo es importante debido a que aquí es donde se pueden observar las líneas a través de los puntos
medidos para la sección de calentamiento y de enfriamiento. El eje logarítmico contiene los valores del radio
o la posición de las termocuplas y el eje lineal contiene los valores de temperatura.
7/26/2019 Practicas Transferencia
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Transferencia de Calor
PRACTICA N° 5
CARRERA: INGENIERIA MECANICA
CURSO: Transferencia de Calor
DOCENTE: ING. NELSON JARA
ALUMNOS:
o Buenaño Merino Carlos
o Benavides Paredes Luis
o Herrera Ordoñez Andrés
o Plaza Tepan Juan
o Solórzano García Joseph
o Torres Díaz Cristian
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I. TEMA: CONVECCION FORZADA POR FLUJO INTERNO
1. OBJETIVOS.
Medir el flujo de calor para el caso de la convección forzada en estado estable por
medio de flujo interno.
2. MARCO TEORICOConvección Forzada.
La convección se clasifica en natural y forzada. En la convección forzada se obliga al
fluido a fluir mediante medios externos, como un ventilador o una bomba. En la
convección natural el movimiento del fluido es debido a causas naturales, como el
efecto de flotación, el cual se manifiesta con la subida del fluido caliente y el
descenso del fluido frio.
La convección forzada se clasifica a su vez en externa e interna dependiendo de si
el flujo de luido es interno o externo. El flujo de un fluido se clasifica como interno oexterno dependiendo de si se fuerza al fluido a fluir por un canal confinado
(superficie interior) o por una superficie abierta. El flujo de un fluido no limita por
una superficie (placa, alambre, exterior de un tubo) es flujo externo. El flujo por un
tubo o ducto es flujo interno si ese fluido está limitado por completo por superficies
sólidas. El flujo de líquidos en un tubo se conoce como flujo en canal abierto si ese
tubo está parcialmente lleno con el líquido y si se tiene una superficie libre.
7/26/2019 Practicas Transferencia
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Números adimensionales: Nusselt, Reynolds y Prandtl.
Numero de Nusselt
El número de Nusselt representa el mejoramiento de la transferencia de calor a travésde una capa de fluido como resultado de la convección en relación con la conduccióna través de la misma capa. Entre mayor sea el número de Nusselt, más eficaz es laconvección. Un número de Nusselt de Nu =1 para una capa de fluido representatransferencia de calor a través de ésta por conducción pura.Con el fin de reducir el número de variables totales, también es práctica común quitarlas dimensiones del coeficiente de transferencia de calor h con el número de Nusselt,que se define como:
Donde k es la conductividad térmica del fluido y Lc es la longitud característica.Para comprender el significado físico del número de Nusselt, considere una capa defluido de espesor L y diferencia de temperatura∆T = T2 − T1, como se muestra en lafigura. La transferencia de calor a través de la capa de fluido será por conveccióncuando esta última tenga algún movimiento y por conducción cuando esté inmóvil.
Se recurre a la convección forzada siempre que se quiera incrementar la velocidadde la transferencia de calor desde un objeto caliente. Por ejemplo, se enciende elventilador en los días cálidos de verano para ayudar a que nuestro cuerpo se enfríede manera más eficaz. Entre mayor sea la velocidad del ventilador, mejor se siente.
Numero de Prandtl
Es un número adimensional proporcional al cociente entre la difusividad de momento
(viscosidad) y la difusividad térmica.
La mejor manera de describir el espesor relativo de las capas límite de velocidad ytérmica es por medio del parámetro número de Prandtl adimensional, definido
como:
Los números de Prandtl de los fluidos van desde menos de 0.01 para los metaleslíquidos, hasta más de 100 000 para los aceites pesados.
El calor se difunde con mucha rapidez en los metales líquidos (Pr ≪ 1) y con muchalentitud en los aceites (Pr ≫1) en relación con la cantidad de movimiento. Comoconsecuencia, la capa límite térmica es mucho más gruesa para los metales líquidosy mucho más delgada para los aceites, en relación con la capa límite de la velocidad.
7/26/2019 Practicas Transferencia
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El número de Prandtl tan bajo se debe a la alta conductividad térmica de estos fluidos,dado que el calor específico y la viscosidad de los metales líquidos son muycomparables a otros fluidos comunes. Se han estudiado con considerable interés losmetales líquidos como refrigerantes en aplicaciones donde grandes cantidades decalor deben eliminarse de un espacio relativamente pequeño, como en un reactornuclear, por ejemplo. Los metales líquidos, además de tener altos valores de
conductividad térmica, tienen una alta capacidad térmica, una baja presión de vapory un punto de fusión bajo.
Numero de Reynolds
Coeficiente que relaciona la velocidad de un fluido (v), el diámetro de la tubería (D)por la que pasa el fluido y su densidad y viscosidad (V ), con el fin de determinar siel flujo respectivo es laminar o turbulento.
El Número de Reynolds representa la relación de la fuerza de inercia de un elementode fluido respecto a la fuerza viscosa.
Los flujos tienen Re grandes debido a una velocidad elevada y/o una viscosidad baja.En este caso, el flujo tenderá a ser turbulento. En el caso en que los fluidos tenganviscosidad alta y/o que se muevan a una velocidad baja, tendrán Re bajos y tenderána comportarse como flujo laminar.
Aplicaciones de la convección.
En los tipos comunes, tales como intercambiadores de coraza y tubos y los
radiadores de automóvil, la transferencia de calor se realiza fundamentalmente por
conducción y convección desde un fluido caliente a otro frio que está separado por
una pared metálica.
Calderas.
Condensadores.
Intercambiadores de calor de coraza y tubo.
Torres de enfriamiento
Regeneradores.
3. ACTIVIDADES DEL ALUMNO.
3.1 Realizar el cálculo de cada uno de los números adimensionales de cada tubo conformante
del dispositivo.
=4
=4
(0.0083 ) = 0.0000541
= ∗ → = =0.000055
0.0000541 = 1.0166
7/26/2019 Practicas Transferencia
http://slidepdf.com/reader/full/practicas-transferencia 38/42
= ∗ → = =0.0000955
0.0000541 = 1.7652
Tubo T Entrada °C Densidad[kg/m3]
µ [kg/m*s]
Pr
1 37.1 993.202 0.0006919 4.616
2 35 994 0.00072 4.83
3 33 994.8 0.0007512 5.066
4 30.9 995.64 0.000784 5.314
Tubo T Salida °C Densidad[kg/m3]
µ [kg/m*s]
Pr
1 26.3 996.74 0.0008668 5.953
2 24.8 997.04 0.0008954 6.175
3 23.6 997.28 0.0009221 6.384
4 22.5 997.5 0.0009465 6.575
=∗ ∗
Tubo # Re entrada # Re salida
1 12105.04 16847.48
2 11641.95 16314.26
3 11167.4 15845.69
4 10709.23 15440.6
Nu = 0.023 ∗ Re ∗ 0.8 ∗ Pr ∗ b
Tubo # Nu calentamiento # Nu enfriamiento
1 411.25 553.62
2 413.85 556.08
3 416.38 558.39
4 418.84 560.40
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3.2 Realizar el cálculo del flujo de calor mediante las dos fórmulas establecidas en la tabla
anterior y explicar la razón de la diferencia de las respuestas, en caso de haberlas.
= 55 ∗ 10
= 4.178
Tubería 1
= 31.7℃
= 26.3℃
= 55 ∗ 10 ∗ 4.178 ∗ 37.1 − 26.3 ℃ = 2.481
Tubería 2
= 35℃
= 24.8℃
= 55 ∗ 10 ∗ 4.178 ∗ 35 − 24.8 ℃ = 2.343
Tubería 3
= 33℃
= 23.6℃
= 55 ∗ 10 ∗ 4.178 ∗ 33 − 23.6 ℃ = 2.16
Tubería 4
= 30.9℃
= 22.5℃
= 55 ∗ 10 ∗ 4.178 ∗ 30.9 − 22.5 ℃ = 2.16
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3.3 Realizar un gráfico temperatura de agua fría y caliente vs distancia de la entrada de agua
caliente donde se puedan observar las líneas a través de los puntos.
NOTA: El material del tubo interno es acero inoxidable mientras que la superficie externa
es acrílico transparente.
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4. CONCLUSIONES.
Al momento de la obtención de la gráfica podemos notar el incremento de la
temperatura del agua fría y el descenso de la caliente, esto de acuerdo a las leyes de la
termodinámica donde el calor va desde el cuerpo más caliento hacia el frio.
5. CUESTIONARIO.
Realizar un cuadro comparativo de la convección forzada vs la convección natural.
¿Cuál sería el efecto de aumentar el caudal de agua fría en el sistema?
Al aumentar el caudal de agua fria en el sistema, la transferncia de calor o enfriamiento
dentro del sistema, aumentaria en su tiempo de operacion, de esta manera el
enfriamiento seria mayor, pero la exactitud en la toma de medidas, no seria lo mas
exacta posible
6. REFERENCIAS.
[1] Materiales aislantes [en línea]. [Consultado 30 mayo 2016]. Disponible en:
http://www.sol-arq.com/index.php/caracteristicas-materiales/materiales-aislantes
[2] Normas de ensayo exigibles a los materiales usados como aislantes térmicos [en
línea]. [Consultado 30 mayo 2016]. Disponible en:
http://www.miliarium.com/Prontuario/ArquitecturaSostenible/AhorroEnergiaConstruc
cion/Normas_Ensayo.asp