Universidad de Amrica Transferencia de Calor I Profesor Orlando Castiblanco

PRCTICA CONDUCCIN RADIAL EN ESTADO ESTACIONARIO

1. Objetivos

1.1 Objetivo General

Analizar el fenmeno de la transferencia de calor por conduccin radial para un sistema en estado estacionario unidimensional.

1.2 Objetivos Especficos

- Medir la distribucin de temperatura a travs de la pared de un cilindro (flujo de

energa radial) y demostrar el efecto de un cambio en el flujo de calor. - Comprender el uso de la ecuacin de Fourier en la determinacin de un flujo

constante de calor a travs de la pared de un cilindro y usar la ecuacin para determinar la conductividad trmica del material del disco.

- Observar la conduccin del calor en estado transitorio (cualitativamente).

2. Marco Terico De acuerdo a la ley de Fourier de la conduccin de calor, cuando las superficies interior y exterior de un cilindro de paredes gruesas se encuentran a una temperatura uniforme diferente, el calor fluye radialmente a travs de la pared del cilindro. As, el calor transferido por conduccin a travs del disco, por unidad de longitud, en la direccin radial, puede hallarse de la siguiente manera (ver descripcin del equipo):

( )16612

/rrLn TTkq =

Donde r1 es el radio interior con temperatura T1 correspondiente y r6 es el radio exterior con temperatura T6 correspondiente, k es la conductividad trmica del material del disco y q la potencia suministrada al calentador, que se obtiene simplemente a partir del producto de la tensin y corriente:

De esta manera, el rea de flujo de calor es 2r para una unidad de longitud del cilindro, pero puesto que el rea de las capas sucesivas aumenta con el radio, el gradiente de temperatura debe disminuir con el radio.

3. Equipos, Materiales y Reactivos El HT12 es un equipo diseado para el aprendizaje en el laboratorio de transferencia de calor, donde se demuestra uno de los modos bsicos de la transmisin del calor: la conduccin radial. Este equipo se conecta a una unidad de servicio comn (HT10X/HT10XC) que proporciona los suministros elctricos necesarios y las

IVq =

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instalaciones de medicin para la investigacin y comparacin de las diferentes caractersticas de la transferencia de calor. El equipo comprende un disco slido que se calienta en el centro y se enfra en la periferia, dando lugar a una diferencia de temperaturas en la direccin radial con su correspondiente flujo de calor por conduccin. El disco est fabricado a partir de una seccin cilndrica de latn de 3,2 mm de espesor y 110 mm de dimetro con un ncleo central de cobre de 14 mm de dimetro. El ncleo central es calentado por una resistencia elctrica, mientras que la periferia del disco es enfriada por el agua fra que fluye a travs de un tubo de cobre que est unido a la circunferencia del disco. Finalmente, el equipo cuenta con una vlvula de control manual que permite variar el flujo de agua de refrigeracin, si es necesario, en el rango operativo de 0 1,5 litros / min. Un regulador de presin con filtro integrado est incorporado para reducir al mnimo el efecto de las fluctuaciones en la presin de suministro.

- La distancia entre la termocupla T1 y el centro es 7 mm. - La distancia entre la termocupla T2 y el centro es 10 mm. - La distancia entre cada una de las dems termocuplas es 10 mm. - Conductividad trmica del disco:

Latn: k 125 W/mC 4. Procedimiento Experimental

Procedimiento general - Enciende el equipo operando desde un PC e inicia el software correspondiente. - Enciende y ajusta la vlvula de control de flujo del agua de enfriamiento para tener

aproximadamente 1,5 l/min. - Ajusta la tensin de calefaccin a un voltaje determinado (ajustando el porcentaje

de la escala en modo remoto). - Cuando las temperaturas sean estables, registra T1, T2, T3, T4, T5, T6, V, I & Fw.

Aislante

Filtro

Termocuplas

Calentamiento

Enfriamiento

Vlvula

Regulador

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- Ahora ajusta la tensin del calentador a otro voltaje y registra los datos de la misma manera.

- Calcula el flujo de calor q y grafica la variacin de la temperatura con el radio. - Realiza los clculos y actividades pertinentes de acuerdo al experimento que

quiera realizarse. a. Conduccin de calor en estado estacionario

- Tensin de calefaccin: 12, 17, 21 y 24 V - Calcular: T0 (r0 = 55 mm)

b. Cambio en la ecuacin de Fourier

- Tensin de calefaccin: 12, 17, 21 y 24 V - Calcular: k1 - 6, k1 - 2 y k5 6 - Graficar: T vs Ln (r)

Conduccin de calor en estado transitorio

- Enciende el equipo operando desde un PC e inicia el software correspondiente. - Enciende y ajusta la vlvula de control de flujo del agua de enfriamiento para tener

aproximadamente 1,5 l/min. - Configura el muestreo automtico con un intervalo de muestras de 10 segundos y

una duracin fija de 5000 segundos e inicia el muestreo. - Ajusta la tensin de calefaccin a 21 V (ajustando el porcentaje de la escala en

modo remoto) y espera que el equipo se estabilice. 5. Formulacin de Preguntas y/o Actividades

- Confirma que cada perfil de temperatura es una curva y que el gradiente en cualquier punto de la curva disminuye al aumentar el radio desde el centro caliente.

- Confirma que el gradiente de temperatura en cualquier radio aumenta con el incremento del flujo de calor.

- Comenta los cambios observados en T1 cuando se cambia el flujo de calor a travs del disco.

- Compara los valores obtenidos para k a las diferentes configuraciones de flujo de calor a travs del disco.

6. Cuidados y Normas de Seguridad

Revisa las normas de seguridad que deben tenerse en cuenta en el laboratorio.

7. Disposicin de Residuos No aplica.