ÍNDICE

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1. Objetivos 2

2. Descripción del equipo y de los instrumentos 2

3. Esquema 3

4. Fórmulas a emplear 4

5. Hoja de datos 6

6. Ejemplos de cálculo 7

7. Hoja de resultados 9

8. Observaciones 9

9. Conclusiones 10

10. Bibliografía 11

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1. OBJETIVOS

Determinar experimentalmente el comportamiento de materiales empleados como aislamiento térmico.

Evaluar la conductividad térmica de los aislantes.

Evaluar la importancia relativa del efecto de radiación térmica sobre la pérdida calor.

Determinar experimentalmente los coeficientes combinados de convección y radiación hacia el ambiente, de varios tipos de superficie.

2. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Y DE LOS INSTRUMENTOS

Caldera Acuotubular Marca Bryan CLM-150 para la producción de vapor de agua.

Distribuidor de flujo de vapor, consta de cuatro tubos de acero montados verticalmente

en paralelo respecto a la línea principal, con las siguientes características:

Diámetro interior : 63 mm

Diámetro exterior : 76 mm

Longitud de prueba : 940 mm

Conductividad térmica: 50 W/m°C

Tubo A: Forrado con aislamiento preformado media caña seccionado de alta densidad,

compuesto de lana de roca marca LAPINUS, y recubierto de foil de aluminio, con un

espesor total de 38.1 mm y una longitud efectiva de aislamiento de 900 mm.

Tubo B: Forrado con silicato de calcio en presentación media caña marca

KOSTEC, cubierto con cinta de aluminio marca TASMAN, con un espesor de

total de 38.1mm y longitud efectiva de aislamiento de 900 mm.

Tubo C: Sin recubrimiento ni aislante.

Tubo D: Recubierto con cromo pulido, de espesor despreciable.

Termocuplas de superficie (6), instaladas sobre la superficie de los tubos y sobre el

exterior de los aislamientos, conectados a equipos visualizadores de temperatura.

Termocuplas de inmersión (2), para medir las temperaturas del ambiente y del vapor.

Medidores volumétricos (4), instalados en cada tubo, para medir el condensado

formado, con un rango de 0 a 840 cm3.

Manómetro de Bourdon, para medir la presión de vapor.

Termómetro de bulbo, para medir la temperatura del vapor de agua.

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3. ESQUEMA

Se trabajó en un distribuidor de Vapor en 4 tubos con diferentes aislantes de una planta térmica (Ver Esquema)

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4. FORMULAS A EMPLEAR

1. Flujo másico de vapor de agua

mv=ρ×V ×10−6

t

Donde: ρ=Densidaddel agua (kg /m3)˙V=Volimen del condensadomedido (cm¿¿3¿)¿¿

t=tiempomedido(s)

2. Coeficiente Global Interior

K l=mv x∆h

2πLr1×(T vapor−T aire)

Donde: mv=Flujomasicode vapor condensado (kg /s)

∆ h=Cambio deentalpia especifica devapor que condensa (kJ /kg )

∆ h=0.9h fg

h fg=Entalpia devaporizacion (kJ /kg )

3. Coeficiente Combinado de Convección y Radiación (αRC)

αRC=mv x 0.9hfg

2πLr3×(T¿ externa−T aire)

Donde: L=Longitud efectivade ensayo(m)

r3=Radio exterior deaislamiento (m )

T=Temperaturas(°C)

4. Coeficiente de Radiación (αR)

Tubo Emisividad (ε)A 0.30B 0.05C 0.96D 0.08

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αR=ε ×σ ×(T 1

4−T 24)

(T 1−T 2)

Donde: ε=Emisividadde lasuperficie (kg /m3)

σ=Constante Steven−Bolzman(5.6697×10−6 kW /m2K 4)

T=Temperaturas(°C)

5. Coeficiente de convección experimental (αC)

αCexperimental=αRC−αR

Donde: αRC = Coeficiente Combinado de Convección y Radiación (kW /m2° C)

αR = Coeficiente de Radiación (kW /m2°C)

6. Conductividad térmica de los Aislantes (tubos A y B)

lnr 3r 2 AISLAMIENTO

k AISLAMIENTO=2πL¿¿¿

Donde: r3=Radio exterior deaislamiento (m )

r2=Radio exterior de latuberia deacero (m )

k=Conductividad termica(kW /m2° C)

L=Longitud efectivade ensayo(m)

T=Temperaturas(°C)

mv=Flujomasicode vapor condensado (kg /s)

h fg=Entalpiadevaporizacion (kJ /kg )

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5. HOJA DE DATOS:

PARÁMETRO SÍMBOLO UNIDAD 1 2 3 PROM.VAPOR DE AGUA  Presión de vapor Pv kgf/cm^2 10 10 10 10.00Temperatura de vapor Tv °C 190 190 190 190.00Densidad de condensado ρ kg/m^3 888.03 888.03 888.03 888.03Calor latente hfg KJ/kg 2017.42 2017.42 2017.42 2017.42AMBIENTE  Temperatura Ambiente Ta °C 27 27 27 27.00Presión barométrica Pb mbar 1013.25 1013.25 1013.25 1013.25TUBO A  Temperatura del tubo T2 °C 141.4 141 141 141.13Temperatura del aislante Taisl °C 32.6 37.9 37.9 36.13Volumen de condensado V cm^3 140 140 140 140.00Tiempo de condensación t s 1562 1554 1554 1556.67TUBO B  Temperatura del tubo T2 °C 168.6 169.8 169.8 169.40Temperatura del aislante Taisl °C 30.9 35.7 35.7 34.10Volumen de condensado V cm^3 140 140 140 140.00Tiempo de condensación t s 976 1059 1157 1064.00TUBO C  Temperatura del tubo T2 °C 168.2 168.2 173.6 170.00Volumen de condensado V cm^3 140 140 140 140.00Tiempo de condensación t s 400 446 438 428.00TUBO D  Temperatura del tubo T2 °C 167.8 166 167.1 166.97Volumen de condensado V

cm^3140 140 140 140.00

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Tiempo de condensación t

s606 656 661 641.00

Tabla de Datos

- TUBO A TUBO B TUBO C TUBO Ddi 0.063 0.063 0.063 0.063de 0.076 0.076 0.076 0.076e 0.0381 0.0381 - -ds 0.1522 0.1522 0.076 0.076L 0.90 0.90 0.94 0.94

emisividad 0.3 0.3 0.96 0.08σ 5.6697E-11 5.6697E-11 5.6697E-11 5.6697E-11

Datos de entrada

6. EJEMPLO DE CÁLCULO Para este caso se mostrará un ejemplo de cálculo para el tubo B.

1. Flujo másico de vapor de agua

mv=ρ×V ×10−6

t=888,03×140×10

−6

1064=0,0001168kg /s

Donde: ρ=Densidaddel agua (kg/m3 )˙V=Volimen del condensadomedido (cm¿¿3¿)¿¿

t=tiempomedido (s )

2. Calor transferido

Q=mv∗0.9hfg=0,0001168∗0.9∗2017.42=0.21215 kW

Donde: mv=Flujomasicode vapor condensado ( kg/s )

h fg=Entalpia devaporizacion (kJ /kg )

3. Coeficiente Global Interior

K l=˙mv×∆h

2πLr1×(T vapor−T aire)=

˙0,0001168×0.9x 2017.42π ×0,9×0.063×(190−27)

=0.007 kW /m2° C

Donde: mv=Flujomasicode vapor condensado ( kg/s )

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∆ h=Cambio deentalpia especifica devapor que condensa (kJ /kg )

h fg=Entalpiadevaporizacion (kJ /kg )

4. Coeficiente Combinado de Convección y Radiación (αRC)

αRC=˙mv×0.9hfg

2πL r3×(T¿ externa−T aire)=

˙0,0001168×0.9 (2017.42 )π ×0,9×0.1522×(34.1−27)

=0,069 kW /m2°C

Donde: L=Longitud efectivade ensayo (m )=0.9m

d3=Diametro exterior de aislamiento (m)=0,1522m

T=Temperaturas(°C)

5. Coeficiente de Radiación (αR)

αR=ε ×σ ×(T 1

4−T 24)

(T 1−T 2)=0,3×5,66×10−11×((273+34.1)4−(273+27)4)

(34.1−27)=0,0019 kW /m2 °C

Donde: ε=Emisividad de lasuperficie

σ=Constante Stefan−Boltzman (5.6697×10−11kW /m2K 4)

T=Temperaturas(°C)

6. Coeficiente de convección experimental (αC)

αC experimental=αRC−αR=0,069−0,0019=0,067 kW /m2°C

Donde: αRC = Coeficiente Combinado de Convección y Radiación (kW /m2° C)

αR = Coeficiente de Radiación (kW /m2°C)

7. Conductividad térmica de los Aislantes (tubos A y B)

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lnr 3r 2 AISLAMIENTO

k AISLAMIENTO=2πL ¿¿¿

k AISLAMIENTO=0,000192767 kW /m2° C

Parámetro SÍMBOLO UNIDAD TUBO A TUBO B TUBO C TUBO DFlujo másico mv kg/s 7.987E-05 1.168E-04 2.905E-04 1.940E-04Calor transferido Q KW 0.14501 0.21215 0.52741 0.35216Coeficiente global interior K1 KW/m^2°C 0.00499 0.00731 0.01739 0.01161Coeficiente convección - radiación αcr KW/m^2°C 0.03689 0.06944 0.01643 0.01121Coeficiente de radiación αr KW/m^2°C 0.00192 0.00190 0.01158 0.00095Coeficiente de convección αc KW/m^2°C 0.03497 0.06753 0.00486 0.01026% transmisión por radiación   % 5.21103 2.74097 70.44347 8.48991Conductividad térmica del aislante k KW/m°C 0.000169759 0.000192767    

7. HOJA DE RESULTADOS:

Resultados

8. OBSERVACIONES

Se pudo observar, que de los cuatro tubos, el tubo sin aislamiento fue el que obtuvo mayor transferencia de calor.

A partir de los datos obtenidos mediante mediciones se pudo notar que en el caso del líquido saturado, obtenido por la condensación del vapor a través de los tubos, no se cumplía las condiciones de saturación a la temperatura y presión medidas es decir, considerando lo medido, debería estar en estado sobrecalentado, sin embargo se sabe que eso no es posible, porque es un líquido saturado, lo que pudo haber pasado es que haya habido un error en las mediciones.

Respecto a los datos obtenidos se puede apreciar que en general fueron tomados con no mucha rigurosidad, debido que tiene fin didáctico y no necesariamente de investigación. Lo que ocasionó algunos contratiempos a la hora de los cálculos, como por ejemplo el condensado y el tiempo que se tomó.

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