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UNIVERSIDAD MAYORFacultad de Ingeniería

Procesos de transferencia

Laboratorio N°2

Transferencia de calor por convección

Patricio Ingeniería Industrial

Profesor:

Tabla de Contenidos

ContenidoTabla de Contenidos..............................................................................................................1

Introducción..........................................................................................................................2

Resumen............................................................................................................................... 3

Objetivos............................................................................................................................... 3

Fundamento teórico..............................................................................................................4

La energía térmica.................................................................................................................4

La conducción de calor o transmisión de calor por conducción............................................4

Conductividad térmica..........................................................................................................4

El coeficiente de conductividad térmica (λ)..........................................................................4

Resistencia térmica...............................................................................................................6

Ley de Fourier (Régimen estacionario y medios homogéneos).............................................6

Método experimental...........................................................................................................7

Resultados.............................................................................................................................8

Cálculo de transferencia de calor en cilindro.................................................................8

Cálculo de transferencia de calor en pared plana..........................................................9

Conclusión...........................................................................................................................10

Bibliografía..........................................................................................................................11

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Introducción

El ser humano a través de la historia ha utilizado quizás sin saber que significan, los distintos métodos de transmisión de calor que una fuente de energía nos permite aprovechar, ya sea la conducción, convección o radiación, todos ellos han permitido el desarrollo del ser humano en cada una de las distintas eras tecnológicas que han ocurrido.

En el presente laboratorio el tema a tratar será la convección, la cual se tratará de explicar al obtener el coeficiente de transferencia de calor por convección en un sistema dado.

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Resumen

El presente laboratorio se desarrolla a partir de un sistema conformado por una caja metálica semi-cerrada en la cual se dejan al interior 5 velas, estas se encargan de aportar su energía calórica al sistema, permitiendo que ante el cambio en la densidad este fluya a través de un tubo de salida de aire, con esto se logra asemejar a un sistema de convección

Objetivos

Calcular el coeficiente de transferencia de calor por convección de un recipiente metálico, al elevar la temperatura de un volumen de aire contenido y que entra en contacto con el medio ambiente

Calcular el coeficiente de transferencia de calor por convección para determinar en qué tipo de convección se incorpora el sistema generado.

QK (ParedPlana)=T i−T eLK⋅A

QK (Cilíndro )=T i−T e

Ln( reri )2⋅π⋅K⋅L

Determinar que material sería según su coeficiente.

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Fundamento teórico

La energía térmicaEs la energía que posee un sistema termodinámico a causa de la energía molecular o atómica interna que posee, como sabemos la energía va de un potencial mayor a uno menor, en este caso la energía térmica se transferirá de un cuerpo a otro siempre y cuando exista diferencia de temperatura.

La convección de calor o transmisión de calor por convección.Se denomina convección a una de las 3 formas de transmisión de calor y se caracteriza ya que se produce a través de un fluido(liquido o gas) que puede transportar calor entre zonas con distintas temperaturas, su funcionamiento se puede explicar con el ejemplo de una cacerola en la que se calienta agua, esta al estar en contacto con la pared que recibe la llama, absorberá su calor y tendera a subir, mientras que el agua de la superficie baja tomando el lugar de la que subió y así el sistema va ganando cada vez mas temperatura hasta llegar a un equilibrio.

El coeficiente de transferencia de calor por convección.Normalmente este coeficiente se representa por la letra (h) y permite cuantificar la influencia de las propiedades del fluido de superficie y el flujo cuando se genera transferencia de calor por convección

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Resistencia térmica

La resistencia térmica (equivalente a la resistencia en electricidad) indica la dificultad que presenta un trozo de material de un espesor determinado, al paso del calor.

R=e /(k∗A)

La conductancia térmica será la inversa de la resistencia: 1/R, y se medirá en W/( m2*K)

Ley de Fourier (Régimen estacionario y medios homogéneos). El flujo de calor por conducción es proporcional al área de la superficie de contacto entre los sistemas y al gradiente de temperaturas, es decir, a la variación de temperatura por unidad de longitud:

ΔT = (T1 – T2)

A = Área de la superficie.

d = distancia recorrida por el flujo de calor.

k = conductividad térmica

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Método experimental

Para la realización del siguiente laboratorio se efectuara la siguiente experiencia, con los datos que se obtengan, se procederá a realizar el cálculo simulando transferencia de calor en pared plana y en cilindro.

Se mide una cantidad de agua en matraz 600 c.c. Se fijan las termocuplas en las paredes interior y exterior del recipiente metalico

respectivamente. Se vierte el agua dentro del recipiente metálico y se comienza a calentar el cual se

tapa para evitar perdida de calor y solo se deja un escape para el vapor a través de una manguera.

Se espera el equilibrio térmico.

Materiales usados

1 calentador eléctrico de 500 W Matraz para medir el agua Manguera (para escape de vapor) 2 termocuplas

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Resultados.

Datos conocidos

Potencia del calentador eléctrico: Q = 500 W

Dimensiones del recipiente metálico: diámetro interior: 0.1422 m diámetro exterior: 0.1442 m, espesor 0,02m

Para la altura del matraz se considerará solo la altura que alcanzo el agua en su interior, dado que este valor no fue medido se supondrá que fue igual a 0.06 m (6 cm).

Datos obtenidos:

Temperatura interior: 99,1 ºC ≈ 372,25 ºK

Temperatura exterior: 82,8 ºC ≈ 355,95 ºK

Cálculo de transferencia de calor en cilindroPara obtener el coeficiente de conductividad térmica en el recipiente metálico primero se despejará K en la formula, de la siguiente manera:

QK (Cilíndro )=T i−T e

Ln( reri )2⋅π⋅K⋅L

↔K=

Q⋅Ln( reri )2⋅π⋅L⋅(T i−T e )

Luego se reemplazaran los datos por los obtenidos en la experiencia:

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K=500 [W ]⋅Ln( 0 .14420 .1422 )2⋅π⋅0.0378 [m ]⋅(372 ,25−355 ,95 ) [K ]

=1 .80377[WmK ]Cálculo de transferencia de calor en pared plana

Para este caso también se procede a despejar el coeficiente de conductividad térmica de la expresión, quedando de la siguiente forma

QK (ParedPlana)=T i−T eLK⋅A

↔K= Q⋅LA (T i−Te )

En este caso el área de pared corresponderá al perímetro del recipiente metálico

A=2⋅π⋅r⋅h↔ A=2⋅π⋅0 .1442 [m ]⋅0 .0378 [m ]=0 .0342 [m2]Remplazando:

K=500 [W ]⋅0.002 [m ]0 .0342 [m2 ]⋅(372 ,25−355 ,95 ) [K ]

=1 .7938[WmK ]K (P . Plana)=1 .8037[W mK ]≈K (Cilindro )=1.7938[W mK ]≈K (Hierro)=1 .7[W mK ]

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Conclusión

De los resultados obtenidos en la experiencia, hemos podido comprobar cómo fluye la temperatura de un cuerpo o fluido, de mayor temperatura a uno de menor temperatura que están en contacto directo, además y como el objetivo del experimento lo indicaba, hemos podido obtener mediante los cálculos correspondientes el coeficiente de conductividad térmica del recipiente metálico, que para este caso dio un aproximado de 1,8037 en cilindro y 1,7938 en pared plana, lo que es aproximado a su vez al coeficiente de conductividad térmica del hierro, pero al no ser exacto podría tratarse de una aleación de este metal, lo que solo podríamos comprobar a través de un análisis de la composición química de este.

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Bibliografía

- Archivo de estudio en clases profesor Eugenio Vargas, Universidad Mayor

- Conductividad térmica<http://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_t%C3%A9rmica>

- Coeficiente de conductividad térmica<http://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_t%C3%A9rmica>

- Libro de física Transferencia de Calor y Masa - YunusCengel - Tercera Edición

- [Tabla coeficiente de conductividad térmica]<www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/tb03_conductividad.php>(septiembre,27,2014)

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