PRACTICA DE LABORATORIO 1

U.P.T.C. Formacin bsica profesional. rea complementaria tcnica Facultad Seccional Duitama Trmicas II Escuela de Ingeniera Electromecnica 54020909-06

PRACTICA DE LABORATORIO 6CONDUCCIONINTRODUCCION

El proceso de transferencia de calor por conduccin es complejo, en este se pone en trnsito el calor a travs de un objeto slido. El anlisis de la conduccin de calor por conduccin se puede hacer dependiendo el mecanismo de propagacin del calor, ya que puede asimilarse que el calor fluye en una, dos o tres dimensiones. En esta prctica se estudiar la conduccin de calor unidimensional en estado estacionario para slidos metlicos.1. OBJETIVOS

Determinar el gradiente de temperaturas entre los diferentes metales y sus respectivas uniones.

Determinar el calor total suministrado por la unidad generadora de calor y calor suministrado a cada unidad. Determinar la conductividad trmica para cada uno de los metales utilizados en la prctica. Determinar la resistencia trmica de los diferentes metales y las resistencias trmicas de contacto. Determinar la resistencia trmica de cada unidad.

Determinar las prdidas de calor en cada unidad a travs del aislamiento.2. GENERALIDADES

2.1 CONDUCCIN DE CALORLa conduccin es un fenmeno mediante el cual fluye calor desde una regin de temperatura alta a una regin de temperatura baja dentro de un medio slido o entre medios diferentes en contacto fsico directo. La energa que se transfiere por conduccin es debida a la comunicacin molecular directa sin desplazamiento apreciable de las molculas. En un cuerpo dado mientras ms rpidamente se muevan las molculas, mayor ser su temperatura y energa interna; es as que cuando las molculas de una regin adquieren una energa cintica mayor que las molculas de una regin adyacente lo manifiestan por una diferencia temperatura, las molculas que poseen mayor energa trasmiten parte de su energa a las molculas de la regin que se encuentra a ms baja temperatura.

El efecto observado en la conduccin de calor es un equilibrio temperaturas, pero si se mantienen las diferencias de temperatura por adicin o remocin de calor en diferentes puntos, se establece un flujo continuo de calor desde la regin ms caliente a la regin ms fra. La conduccin es el nico mecanismo por el cual puede fluir el calor en slidos opacos, tambin es importante en fluidos pero en los medios no slidos generalmente se presenta una combinacin con la conveccin y en algunos otros casos con la radiacin.La conduccin de calor se puede presentar tanto en estado estable como en estado transitorio. Una vez se establecen las condiciones iniciales de conduccin de calor, debe transcurrir un tiempo para que se alcancen las condiciones estables, tiempo en el cual se presentan condiciones transitorias. El periodo de transicin en la conduccin de calor es importante en la igualacin de temperaturas, para evitar esfuerzos trmicos excesivos en mquinas trmicas. La relacin bsica para transferencia de calor establecida por Fourier sugiere que la rapidez de flujo de calor por conduccin () en un material, depende de tres variables, las cuales son: La conductividad trmica el material, k. El rea de la seccin travs de la cual fluye el calor por conduccin, A (est debe ser medida perpendicularmente a la direccin del flujo de calor).

El gradiente de temperatura de la seccin ; es decir, la rapidez con la que vara la temperatura con respecto a la distancia en la direccin del flujo de calor.

La relacin matemtica que resume la conduccin de calor, queda expresada por:

(Ec. 1)Donde el signo menos (-) se adopta para especificar la direccin en que fluye el calor, de acuerdo con la segunda ley de la termodinmica.La conductividad trmica k es una propiedad de cada material e indica la cantidad de calor que fluir a travs de un rea unitaria si el gradiente de temperatura es la unidad. Los materiales que poseen alta conductividad trmica se llaman conductores, mientras que los materiales de baja conductividad se conocen como aisladores.Nota: En el laboratorio de transferencia de calor ubicado en la Universidad Nacional de Colombia, se encuentran dos tipos de maquinas de conduccin(, en las fotografas de las figuras 1 y 2, se ilustran dichas mquinas, con el objeto de diferenciarlas.

Figura 1. Maquina de conduccin N 1.

Localizacin: Laboratorio de Transferencia de calor Universidad Nacional de Colombia, sede Bogot.

Figura 2. Maquina de conduccin N 2.

Localizacin: Laboratorio de Transferencia de calor Universidad Nacional de Colombia, sede Bogot.

2.2 ECUACIONES NECESARIAS PARA LA REALIZACIN DE LOS CLCULOS, MAQUINA DE CONDUCCION N12.2.1 Balance trmico. El balance trmico se realiza para las unidades I y II:

(Ec. 2)

(Ec. 3)

Donde:

Flujo total de calor total generado por el equipo (W)

Flujo de calor transferido a la unidad I (W)

Flujo de calor transferido a la unidad II (W)

Tiempo de prendido (s)

Tiempo de apagado (s)Para cada unidad y en la seccin de acero inoxidable, se tiene:

(Ec. 4)

(Ec. 5)

Al reemplazar las ecuaciones 4 y 5 en la ecuacin 2, y despejar la conductividad trmica se obtiene:

(Ec. 6)

Una vez obtenido el se calculan los calores y .2.2.2 Conductividades trmicas. Una vez conocidos los calores y se calculan las conductividades trmicas empleando la ecuacin:

(Ec. 7)El resultado de los clculos anteriores se compara con los valores dados en la literatura.

2.2.3 Resistencia trmica. Para calcular la resistencia trmica de los metales y la resistencia trmica de contacto se emplean las siguientes relaciones:

(Ec. 8)

(Ec. 9)

Donde: es la resistencia trmica.

(Ec. 10)

La resistencia trmica de cada unidad se calcula mediante la relacin:

(Ec. 11)

2.2.4 Prdidas en el material. Las prdidas en cada material se determinan calculando la cantidad de calor transferida a cada unidad, as:

(Ec. 12)Donde:

Flujo de masa de agua utilizado para disipar el calor al final de la unidad

Calor especfico del agua a presin constante

Diferencia de temperaturas entre la entrada de la salida del agua. Termopares 11 y 12 o la diferencia medida con los termmetros (K)Este calor se relaciona con el calculado en el balance trmico y se determinan las prdidas.

2.3 ECUACIONES NECESARIAS PARA LA REALIZACIN DE LOS CLCULOS, MAQUINA DE CONDUCCION N 22.3.1 Flujo de calor extrado por el agua.

(Ec. 13)

Donde:

Flujo de masa de agua utilizado para disipar el calor al final de la unidad

Calor especfico del agua a presin constante

Temperatura del termopar 8, salida del agua (K)

Temperatura del termopar 9, entrada del agua (K)2.3.2 Calor introducido a la probeta.

(Ec. 14)Donde:

Potencia elctrica suministrada, siendo , aqu, V es el voltaje sobre la resistencia calefactora e I la corriente a travs de ella.

Perdidas de calor por radiacin y conveccin en la unidad calefactora.2.3.3 Flujo de calor perdido.

(Ec. 15)2.3.4 Perdidas por conveccin. Se calculan inicialmente para la carcasa de la unidad calefactora.

(Ec.16)Donde:

(Ec.17)

(Ec.18)

(Ec.19)

Para

(Ec.20)

Coeficiente de conveccin libre

rea de transferencia ()

Dimetro exterior del tubo (m)

Longitud de proteccin de la carcasa (m)

Temperatura de la superficie exterior de la carcasa (K)

Temperatura del ambiente (K)

Conductividad trmica del aire

2.3.5 Perdidas por radiacin. Al igual que las perdidas por conveccin estas se deben calcular primero para la carcasa de la unidad calefactora.

(Ec.21)De donde tenemos que:

Emisividad de la superficie exterior de la proteccin, como se utiliza un recubrimiento de pintura, se considera igual a 0.92.

El rea y las temperaturas son las mismas que para el clculo de las perdidas por conveccin.

2.3.6 Calor que sale de la probeta.

(Ec. 22)Donde corresponde a las prdidas de calor por conveccin y 5radiacin en la unidad portaprobetas. Se calculan de la misma forma que para la unidad de calentamiento, teniendo en cuenta que la longitud de sta es de 0.0819 m.

2.3.7 Clculo del flujo de calor promedio. Una vez calculados los flujos de calor a la entrada y a la salida, es posible calcular el calor promedio.

(Ec. 23)

(Ec. 24)Donde:

rea transversal de la probeta (m)

Gradiente de temperatura de la probeta

El gradiente de temperatura se calcula graficando temperatura vs. distancia () y luego hallando la pendiente de la recta encontrada la unir los puntos. Es necesario tener en cuenta que la distancia entre termopar y termopar es de dos centmetros. Si los puntos hallados no estn alineados de forma que no pasan sobre la misma recta, se debe hacer un ajuste por mnimos cuadrados.

2.4 PRECAUCIONES

Utilice ropas adecuadas para el laboratorio. Identifique el equipo, las partes sobre las cuales se van a realizar las mediciones, al igual que las superficies que puedan calentarse. Evite tocar las superficies calientes. Cualquier irregularidad comunquela al profesor encargado de la asignatura o al dependiente del laboratorio.2.4 AUTOEXAMENa. Si se clasifica la conduccin de calor de acuerdo a la direccin del flujo de calor, cuntos tipos de conduccin existen?b. Describa la forma en que opera la mquina de conduccin.

c. Que implica la conduccin en estado estable?

d. La conductividad trmica se ve afectada por la temperatura?, justifique su respuesta.

3. MATERIALES Y EQUIPOS

Para realizar la prctica correspondiente a este tema se utiliza un equipo conocido como Equipo de conduccin.3.1 MAQUINA DE CONDUCCION N 1

Esta mquina se present en la fotografa de la figura 1, el equipo consta de las siguientes partes:

1. Unidad generadora de calor. Constituida por una resistencia elctrica que debe ser conectada una red de 110 voltios, sin sobrepasar el lmite de temperatura indicado por el equipo en el controlador. Esta unidad viene equipada con un voltmetro y un ampermetro.2. Unidad de prueba N 1. Constituida por tres barras de dos pulgadas de dimetro de los siguientes materiales: acero inoxidable, cobre y SAE 1020. Al final de la unidad existe un dispositivo de intercambio trmico que utiliza agua como medio de enfriamiento.3. Unidad de prueba N 2. Su construccin es idntica a la unidad anterior pero los materiales son acero inoxidable, aluminio y latn 60-40.4. Termopares. Son del tipo hierro-constantn y estn colocados sobre cada unidad con una separacin de dos pulgadas.

3.1 MAQUINA DE CONDUCCION N 2

Esta mquina se present en la fotografa de la figura 2, el equipo consta de las siguientes partes:

1. Subconjunto calentador. El sistema posee una barra de cobre, que es calentada por medio de una resistencia blindada la cual est enrollada alrededor de la barra haciendo contacto con ella, asegurando que la transferencia de calor se realice por conduccin. El sistema est asilado por medio de una capa de lana cermica.

2. Subconjunto enfriador. Formado por una barra de 1 de pulgada de dimetro, la cual est ranurada y posee unas aletas incrustadas, las cuales se cubren con un tubo de un dimetro de 2 .

3. Subconjunto de prueba. En este se coloca la probeta a ensayar. Los materiales aislantes de esta seccin de la unidad son un refractario en la parte interior y lana cermica entre ste y el cilindro exterior de proteccin. Todos los componentes que poseen igual rea de conduccin, van recubiertos con un material aislante trmico y van protegidos por un cilindro metlico llamado cilindro de proteccin.4. Sensores de temperatura. La unidad posee dos sensores en la barra de calentamiento y dos en la seccin de enfriamiento, tres sobre la probeta, uno para obtener la temperatura de entrada del agua, uno para obtener la temperatura de salida del agua y uno libre para tomar las temperaturas superficiales y la del ambiente.La mquina posee adems un sistema de control de potencia y un selector de termopares, al cual van conectados los termopares de la unidad y su salida va conectada al dispositivo electrnico de lectura. La unidad de calentamiento se alimenta con una tensin de 110 V A.C. el circuito est formado por un interruptor, un fusible de 15 A y un montaje regulador de potencia (dimer), para la resistencia del calentador.Los sensores de la mquina son del tipo K.Tabla 1. Equipos.CantidadElemento

1Equipo de conduccin

1Termmetro digital

-Termmetros

1Cronmetro

Tabla 2. Materiales.CantidadElemento

1Probeta de

4. PROCEDIMIENTO

4.1 MAQUINA DE CONDUCCION N 1

1) Identifique la mquina de conduccin N 1, las partes sobre las que se van a realizar las mediciones, los aparatos de medida y los termopares. La figura 2 ilustra la distribucin de los termopares.

2) Seleccione la temperatura a la cual debe trabajar el sistema generador de calor.3) Suministre agua a cada una de las unidades. El flujo debe ser pequeo para permitir un gradiente apreciable de temperatura para el agua.

4) Conecte el sistema y djelo por un perodo no inferior a cinco horas, al final de las cuales la estabilizacin del sistema se verifica mediante los tiempos de prendido y apagado en la unidad generadora. Cada tiempo que dura prendido el equipo debe ser igual al del siguiente periodo.

5) Cuando el equipo se estabilice, conecte un termmetro digital a ste, seleccione la unidad sobre la cual se han de tomar las mediciones y mediante el selector de termopares (1 a 12) consigne cada una de las temperaturas, y los dems datos medidos, en la tabla 3.6) Cuando finalice la prctica, suspenda la alimentacin de energa y aumente el flujo de agua de enfriamiento, dejndolo por un tiempo prudente para permitir un enfriamiento gradual del equipo.

Figura 2. Distribucin de los termopares de la mquina N 1.

4.1 MAQUINA DE CONDUCCION N 2

1) Identifique la mquina de conduccin N 2, las partes sobre las que se van a realizar las mediciones, los aparatos de medida y los termopares. La figura 3 ilustra la distribucin de los termopares.

2) Seleccione la temperatura a la cual debe trabajar el sistema generador de calor.

3) Suministre agua a la unidad para garantizar el estado de conduccin estable.

4) Conecte el sistema y djelo por un perodo aproximado de 120 minutos, tiempo en el cual se logra la estabilizacin del sistema.5) Cuando se logra la estabilizacin del equipo se toman las lecturas de los termopares de la probeta, los de entrada y salida del agua, con la termocupla libre se toman las lecturas de temperatura ambiente y de la superficie de la carcasa tanto de calentamiento como del portaprobetas (en varios puntos del equipo). Consigne los valores medidos en la tabla 4.6) Cuando finalice la prctica, suspenda la alimentacin de energa y aumente el flujo de agua de enfriamiento, dejndolo por un tiempo prudente para permitir un enfriamiento gradual del equipo.

Figura 3. Distribucin de los termopares de la mquina N 2.

5. TOMA DE DATOSTabla 3. Mquina de conduccin N 1.Variables a medirUnidad 1Unidad 2

Temperatura de la unidad generadora ()

Voltios

Amperios

Tiempo de prendido (segundos)

Tiempo de apagado (segundos)

Flujo de agua ()

Temperatura de entrada del agua ()

Temperatura de salida del agua ()

Lectura de los Termopares

()1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Tabla 3. Mquina de conduccin N 2.DescripcinValor

Voltaje (V)

Amperaje (A)

Flujo de agua ()

Temperatura de la barra de calentamiento (K)

Temperatura de la barra de calentamiento (K)

Temperatura de la probeta (K)

DescripcinValor

Temperatura de la probeta (K)

Temperatura de la probeta (K)

Temperatura de la barra de enfriamiento (K)

Temperatura de la barra de enfriamiento (K)

Temperatura de salida del agua (K)

Temperatura de entrada del agua (K)

Temperatura de la superficie de calentamiento T (K)

Temperatura de la unidad de probetas T (K)

Temperatura ambiente T (K)

6. CARACTERISTICAS A OBTENER

6.1 MAQUINA DE CONDUCCION N 1

1) Haga una grfica de la temperatura de los termopares contra la posicin de los mismos en cada unidad para los materiales que las constituyen.2) Para cada temperatura de control considerada realice el balance trmico en las unidades uno y dos.

3) Halle el valor aproximado de las resistencias trmicas de contacto.

4) Determine el calor transferido por cada una de las unidades.

5) Halle las prdidas de calor en cada unidad a travs del aislamiento.

6.2 MAQUINA DE CONDUCCION N 2

1) Haga una grfica de la temperatura de los termopares contra la posicin de los mismos en cada unidad para los materiales que las constituyen.

2) Realice el balance trmico.

3) Halle el valor aproximado de las resistencias trmicas de contacto.

4) Determine el calor transferido por cada una de las unidades.

5) Halle las prdidas de calor a travs del aislamiento.

7. CUESTIONARIO1. Para el ensayo sobre cada mquina, Cul es la relacin matemtica que describe el comportamiento de la conductividad en funcin de la temperatura, hallada a partir de la curva caracterstica?

2. Si se tuviesen placas planas, paredes compuestas, cilindros huecos, cada una de ellas del mismo material; en cul de ellas existe mayor conduccin de calor?, justifique su respuesta.

3. En las mquinas de conduccin ensayadas, cmo se evitan las prdidas de calor en sentido radial?

4. Qu condiciones se deben tener encuentra para reducir las prdidas de calor en una tubera?BIBLIOGRAFIACHAPMAN, Alanj. Transmisin del calor. 3 ed. Madrid : Librera Editorial Bellisco. 1990.

GOODING, Nestor. Manual de prcticas operaciones unitarias II. 1 ed. Universidad Nacional de Colombia. 1998. 138p.KERN, Donald. Procesos de transferencia de calor. 14 ed. Editorial continental. 1980.KREITH, Franck. Principios de transferencia de calor. 1 ed. Mexico . Herrera hermanos, sucesores S.A, 1970.MILLS, Anthony F. Transferencia de calor. Mexico : McGraw-Hill/Irwin, 1999. 932p.

( La prctica se plantea para que se realice con cualquiera de las dos mquinas de conduccin, sin embargo, de ser posible se puede realizar con las dos mquinas.

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