Informe-laboratorio1- Transferencia de Calor
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚUNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
DEPARTAMENTO ACADEMICO DE INGENIERIA
Cátedra : TRANSFERENCIA DE CALOR
Docente : Ing. WILDER EUFRACIO ARIAS
Alumnos : BALDEÓN ORTIZ, Henry
CAMARENA CAMARENA, Ruth
ROJAS ROJAS, Janeth
Ciclo : VI
Turno : Tarde
Huancayo - 2009
UN INGENIERO QUÍMICOUNA EMPRESA
I. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL.
Comprobar en forma experimental, el fenómeno del mecanismo de
transferencia de calor por conducción en un régimen estacionario,
mediante el flujo de calor a través de la pared de un cilindro hueco.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Calcular la potencia eléctrica disipada por la resistencia, suministrada al
sistema.
Determinar la conductividad térmica del material que constituye el
aislamiento de la conducción.
Determinar y comparar la conductividad térmica del materia aislante.
II. RESUMEN
El siguiente trabajo tiene como finalidad comprobar, experimentalmente, el fenómeno
del mecanismo de transferencia de calor por conducción en un régimen estacionario,
así también determinar el coeficiente térmico de transmisión de calor del material
aislante (lana de vidrio) mediante el flujo de calor que fue generado por una
resistencia de Nichron bobinada sobre un refractario la misma que se encuentra en el
interior del tubo pírex.
Para cumplir dichos objetivos se tomaron lectura de las temperaturas de la superficie
del tubo y de la superficie del material aislante con intervalos de tiempo de un
minuto, los que nos sirvieron para hallar el coeficiente térmico del material aislante
teniendo como resultado K=0 ,0935
wm . ºc el cual difiere del valor teórico de la lana de
vidrio.
.
III. MARCO TEÓRICO
3.1.- TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta
un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se
transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad
el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se
debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando
existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos
conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822,
el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy
se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor.
Ecuación de la velocidad de transferencia de calor por conducción:
LEY DE FOURIER.
Debido a que la transmisión de calor por conducción está asociada a un intercambio
de energía cinética a escala molecular, su estudio analítico es muy complicado, razón
por la cual las leyes que la rigen se deducen a partir de hechos experimentales. Este
es el caso de la Ley de Fourier. Consideremos un cuerpo homogéneo e isótropo tal
como una pared de superficies isotérmicas. Supongamos que existe una fuente de
calor a uno de sus lados y un recibidor del otro. Fourier obtuvo experimentalmente que
el calor transmitido es directamente proporcional al salto de temperatura a través de la
pared, al tiempo durante el cual se efectúa la transmisión, y al área de la pared, e
inversamente proporcional al espesor de la misma.
Llamando Q al calor transmitido a través de la superficie F durante el tiempo τ; Δx al
espesor de la pared y Δt a la diferencia de temperaturas entre ambas caras de la
misma, el efecto colectivo puede escribirse como:
Donde el signo negativo se introduce para que el término derecho de la ecuación
quede positivo ya que siempre Δt <0. Si cambiamos ahora de material, digamos, en
lugar de una pared de ladrillo común, realizamos la experiencia analizando el calor
transmitido a través de una pared de hormigón, comprobaremos que la
proporcionalidad (2) continúa siendo válida. Sin embargo, encontraremos que para los
mismos valores de F, Δx, τ, y Δt, el valor de Q es mayor en este último caso, lo que
sugiere que la proporcionalidad puede ser convertida a una igualdad introduciendo un
coeficiente que sea una medida del comportamiento del material. De esta forma
podemos escribir:
Donde λ se conoce como conductibilidad térmica del material (W/m K) y es una
importante propiedad termodinámica que depende esencialmente de la temperatura
del mismo.
Evaluando esta expresión en el límite cuando Δx→ 0, F→dF y τ→dτ obtenemos la
ecuación de Fourier para el calor transmitido en la dirección de la normal a la
superficie isotérmica:
ó como una ecuación de velocidad de transferencia de calor en la forma:
o bien expresando la densidad del flujo de calor en la dirección n, como:
El flujo de calor q′′ se puede expresar en forma general como sigue:
Donde:
3.2.- AISLANTE TÉRMICO
Los aislantes térmicos son materiales específicamente diseñados para reducir el flujo
de calor limitando la conducción, convección o ambos. Los buenos aislantes no son
necesariamente buenas barreras de radiación, y viceversa. Los metales, por ejemplo,
son excelentes reflectores pero muy malos aislantes.
La efectividad de un aislante está indicada por su resistencia (R). La resistencia de un
material es el inverso del coeficiente de conducción (k) multiplicado por el grosor (d)
del aislante. Las unidades para la resistencia son en el Sistema Internacional:
(W /K•m²).
La fibra de vidrio rígida, un material aislante usado comúnmente, tiene un valor R de 4
por pulgada, mientras que el cemento, un mal conductor, tiene un valor de 0.08 por
pulgada.
3.2.1.- Lana de vidrio
Fibra de vidrio: Un buen aislante térmico obtenido tras hacer pasar vidrio fundido a
través de una fina rejilla hasta formar fibras. Su uso es variado tanto para
construcciones domésticas como para uso industrial. Una de las características que
presenta es el aislamiento térmico. La calidez que brinda en invierno se debe a que
mantiene el calor interior evitando que se pierda. Mientras que en verano, la frescura
al impedir la entre del calor proveniente del exterior y de la radiación solar
La Lana de vidrio sirve tanto para aislamiento térmica, como aislamiento acústico.
IV. PARTE EXPERIMENTAL
4.1 EQUIPOS E INSTRUMENTOS
Un equipo de transformador reductor de corriente alterna.
Un reóstato.
Un multitester digital para medir voltajes y amperajes de corriente alterna.
Dos termopares.
4.2 MATERIALES
Un tubo de Pirex
Cuerpo aislante(lana de vidrio)
Resistencia de nichron
Refractario
Regla
4.3 PROCEDIMIENTO
Completo ya el equipo (en la parte interna del tubo de vidrio se incorpora un
material refractario recubierto con alambre de nicrom, cerrando los extremos
del tubo)
El tubo de vidrio se recubre con material aislante (lana de vidrio)
Para obtener las medidas de las temperaturas, una de las puntas del termopar
se insertan junto a la superficie del tubo y otra punta sobre la superficie del
material aislante.
Se conecta el calentador a una fuente de corriente alterna, dejando que esta
alcance los régimen de estado estacionario.
Tomar las temperaturas internas y externas cada 2 minutos.
Por último se realiza las mediciones de amperaje, voltaje, resistencia.
V. RESULTADOS Y CÁLCULOS
Tiempo (seg) T 1(°C ) T 2(° C ) ΔT (° C ) Voltaje (V)
0 190 55 135 61
3 192 57 135 61
6 194 57 137 61
9 195 57 138 61
12 197 58 139 61
Para las temperaturas 190 y 192 °C
q=VIq=63 . 716W
K=(q2×π×LLV×(T1−T 2 ) ) lnr2
r1
K=0.0948wm .ºc
Para la temperatura 194 °C
q=VIq=63 . 716W
K=(q2×π×LLV×(T1−T 2 ) ) lnr2
r1
K=0.0934wm . ºc
Para la temperatura 195 °C
r2 0,0525 m
r1 0,0325 m
e 2 cm
LLV 0,38 m
V 61 V
R 58,4 ohm
I 1.0445 A
Para la temperatura 197°C
q=VIq=63 . 716W
K=(q2×π×LLV×(T1−T 2) ) lnr2
r1
K=0 ,092wm .ºc
Hallando el K promedio.
K=0 ,0935wm . ºc
VI. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Una mal calibración de los instrumentos utilizados, como el voltímetro pudo
ocasionar una mala toma del voltaje afectando el valor de la potencia,
produciéndose así un margen de error.
q=VIq=63 . 716W
K=(q2×π×LLV×(T1−T 2 ) ) lnr2
r1
K=0.0948wm .ºc
Los valores del coeficiente de conductividad hallados experimentalmente del
térmico del material aislante se tiene como resultado K=0 ,0935
wm . ºc el cual
difiere del valor teórico de la lana de vidrio que es 0,032 hasta 0,035 W/m. ºc,
esto se debe a que el material aislante no es simétrico a lo largo del tubo de
pírex.
VII. CONCLUSIONES
Se calcularon los datos para obtener la potencia , obteniendo como
resultado 61.w
Se realizaron las medidas para el cálculo del coeficiente térmico y se
obtuvo como resultado K=0 ,0935
wm . ºc
Comparando el coeficiente de tablas se obtiene 0,032 hasta
0,035.w/mºc se obtiene un margen de error.
VIII. CUESTIONARIO
1. Diferenciar termodinámica de transferencia de calor.
La termodinámica se interesa en la cantidad de transferencia de calor conforme un
sistema pasa por un proceso, de un estado de equilibrio a otro. La ciencia que trata de
la determinación de las velocidades de esas transferencias de energía es la
transferencia de calor.
2. Mencione los mecanismos de transferencia de calor y de dos ejemplos de
cada uno de ellos.
Conducción: La conducción es el mecanismo de transferencia de calor debido a la
interacción entre partículas adyacentes del medio .
Ejemplo:
Calentar agua en una cocina en este caso el material que esta expuesto
directamente al fuego calentara el agua del fondo.
Las llamas (o una plancha eléctrica) calientan el metal porque los gases de
combustión están en contacto con el fondo y le transmiten el calor por
conducción.
Convección: La convección es el modo en que se transfiere la energía entre una
superficie sólida y el fluido adyacente (líquido o gas).
- Convección Forzada: el fluido es forzado a fluir sobre la superficie mediante
medios artificiales (ventiladores, bombas, etc.)
- Convección Natural: El movimiento del fluido es debido a causas naturales. Las
fuerzas de empuje son inducidas son inducidas por la diferencia de densidad
debida a la variación de temperatura en ese fluido.
Ejemplo:
Calentar una varilla de fierro.
Cuando al calentar agua, este haciende el calor del fondo calentando el agua
superior.
Radiación: La radiación es la energía emitida por la materia en forma de ondas
electromagnéticas (o fotones.
Ejemplo:
Horno microondas
Usando llega el calor del sol a una placa metálica.
3. Explique el término “transferencia de calor por conducción en estado
estacionario y unidimensional”
La transferencia de calor tiene varias cualidades, 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 la temperatura es
posible determinar las razones de flujo de calor con ayuda de la denominada Ley de
Fourier
4. Realizar un grafico de temperatura Vs tiempo.
134.5 135 135.5 136 136.5 137 137.5 138 138.5 139 139.50
2
4
6
8
10
12
14
0
3
6
9
12
Series2
TEMPERATURA °C
TIEM
PO(s
eg)
5. Explique la diferencia entre corriente alterna y corriente continua.
Se denomina corriente alterna a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección
varían cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente
utilizada es la de una onda senoidal, puesto que se consigue una transmisión más
eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas
de onda periódicas, tales como la triangular o la cuadrada.
La corriente continua es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre
dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la corriente alterna, en la corriente
continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección (es decir, los
terminales de mayor y de menor potencial son siempre los mismos). Aunque
comúnmente se identifica la corriente continua con la corriente constante (por ejemplo
la suministrada por una batería), es continua toda corriente que mantenga siempre la
misma polaridad.
6. Defina lo que es un transformador y sus aplicaciones en la industria
Aparato eléctrico para convertir la corriente alterna de alta tensión y débil
intensidad en otra de baja tensión y gran intensidad, o viceversa.
7. Defina lo que es un reóstato y sus aplicaciones.
Al conectar una batería a un material conductor, una determinada cantidad de
corriente fluirá a través de dicho material. Esta corriente depende de la tensión de la
batería, de las dimensiones de la muestra y de la conductividad del propio material.
Los reóstatos de resistencia conocida se emplean para controlar la corriente en los
circuitos electrónicos. Se elaboran con mezclas de carbono, láminas metálicas o hilo
de resistencia, y disponen de dos cables de conexión. Los reóstatos variables, con un
brazo de contacto deslizante y ajustable.
8.- Defina lo que es un multitester y sus aplicaciones.
El Multitester es un conjunto de accesorios que se comportan como instrumentos de
múltiples propósitos. Así como los más comunes, que tienen la propiedad de medir
intensidad de corriente, tensión, en señal continua o alterna, y además medir
resistencia eléctrica.
Poseen diferentes escalas, que suelen distraer la medición, provocando los típicos
“Errores de Lectura” que en ocasiones traen como consecuencia la perdida parcial o
total del instrumento, ya sea por sobrecarga o error de conexión al circuito
10. Realizar un balance de energía al módulo.
Asumiendo un flujo de calor en estado estacionario y unidimensional:
q1= q2 + qh4 = qh2 + qR = qh4 + qh3
Hallando los flujos de calor por convección:
Por la ley de Newton:
qh = h A (Tw− T∞)
qh2 = h1 (2πr2 L3 )(T∞1− T 2)qh2 = 2πr 2 L3h1(T∞1− T 2)
qh3 = h2 (2πr 4L2 )(T 4−T∞2 )qh3 = 2 πr4 L2 h2(T 4−T∞2 )
qh 4 = h2 (2πr3 (L3−L2 ))(T 3−T∞2 )qh 4 = 2πr3 h2(L3−L2 )(T3−T∞2 )
Hallando las transferencias de calor por conducción
Por la ley de Fourier:
q =−kA dTdx
Para una pared cilíndrica
q =−k 2π rLdTdr
q =2π kL(T 1− T 2)
Ln (r2 /r 1)Para el caso especifico
T1
q2
qh3
T 4
h2 ; T∞ 2
T 3
qh 4
T 2h1 ; T∞1
q1 qh2qRr2
r 4
r3
L1
L3
L2
q1 =−k 2 π rLdTdr
q1 =2 πk1L3(T 2− T3 )
Ln (r 3/r2 )
q2 =−k2 π rLdTdr
q2 =2 πk2 L2(T 3− T 4 )
Ln (r 4 /r3)
Hallando la transferencia de calor por radiación
Por la ley de Boltzman:
Para el caso especifico
qR =σ (2πr1 L1 )φ(T 14− T 2
4 )
q =σε A (T 14− T 2
4 )
IX. BIBLIOGRAFÍA
Incropera F. Fundamentos de Transferencia de Calor. Editorial Prentice Hall
1999.
http://www.google.com.pe/search?q=Coeficiente+convectivo+vidrio