Laboratorio de mquinas trmicas

Objetivo.Investigar y comparar las prdidas de energa entre un tubo aislado y no aislado, determinar experimentalmente la conductividad trmica K del aislante y del material de los tubos y adems el coeficiente de transferencia de calor. I. Introduccin.Existen tres formas de transferencia de energa en forma de calor, estas son: Conduccin, Radiacin, y Conveccin.a) Conduccin.- Este tipo de transferencia de calor se debe bsicamente al desplazamiento libre de electrones y a la vibracin cristalina.b) Radiacin.- Es el flujo de energa en forma de ondas electromagnticas, entre dos cuerpos situados a una distancia determinada.c) Conveccin.- Es la transferencia de energa entre slidos y fluidos en movimiento, aunque propiamente este mecanismo no transfiere calor, si no energa interna. Leyes de la Transferencia de Calor.i) Conduccin.- La ley que gobierna la transferencia de energa en forma de calor por conduccin, recibe el nombre de ley de Fourier, en honor al cientfico que la formulo en 1882. En ella se establece que el flujo de calor (Q) es directamente proporcional a el rea (A) normal al flujo de calor, y al gradiente de temperatura dT/dx, a travs del rea.

La conductividad trmica K convierte la proporcin en ecuacin, la conductividad trmica es una propiedad del material, constituye una medida de la eficacia con la que se puede conducir energa trmica.

El signo negativo de la ecuacin indica que un gradiente negativo de temperatura produce transferencia de calor en la direccin positiva x.

ii) Radiacin.- La ley que corresponde a la transferencia de calor por radiacin fue descubierta por J Stefan, quien la determino en forma experimental y L. Boltzmann quien la dedujo tericamente, esta es: Constante de Stefan-Boltzmann reaT Temperatura Absoluta.

iii) Conveccin.- Cuando un fluido pasa sobre una superficie solida caliente, se transfiere energa de la pared al fluido por conduccin. Posteriormente esta energa la acarrea corriente abajo el fluido por conveccin. El trmino Conveccin forzada se utiliza cuando el movimiento del fluido es debido a una bomba o ventilador. Si el flujo del fluido se origina debido a una fuerza ascensional derivada del calentamiento el proceso se denomina conveccin libre o natural.El flujo convectivo est dado por

- Coeficiente de conveccin trmica rea Diferencia de temperaturas.

Para realizar clculos sencillos de ingeniera que implican conveccin, del trmino que puede ser ms difcil de determinar es h, ya que dicha cantidad relaciona las propiedades fsicas del fluido y la velocidad del mismo sobre la superficie del slido.

III. Material y Equipo.El equipo consta de dos recipientes de acero dulce, un aislado con fibra de vidrio y el otro sin aislamiento.Est equipado con termmetros y manmetros para medir la presin y la temperatura del vapor, las temperaturas de la pared de los dos recipientes, medidores de condensados en ambos recipientes. La presin mxima de trabajo es de 7 Bar. Los recipientes tienen las siguientes dimensiones fsicas.

IV. Dibujo de la instalacin.

V. Formulas Transferencia de Calor en Tubo sin aislamiento:

Transferencia de Calor para el Tubo Aislado:

Calculo de prdidas de Calor:

Dnde:m masa del condensado en kg/sx calidad del vapor entalpia de evaporacin kj/kg volumen de condensados m3 volumen especifico del agua a presin del vapor de agua en m3/kg tiempos

VI. Tabla de Datos.TiempoVaporTemperatura en los TubosCVolumen de Condensados cm3

minPresin Man.Temp. CTubo 1 AisladoTubo 2No AisladoTubo 1Tubo 2

Bar.T1T2T3T1T2AisladoNo Aislado

0122.406.20792.92.82.82.72.72.72.65126140140140138138138100112113114113113113272928.530.531.031.53212614014014013813813810011211311411311311300000000070140240280350

Promedio2.75137.14127.2829.92137.14127.280154.28

VII. Clculos.Tubo no AisladoCalculo de prdidas de Calor:

Calculando m:

Calculando X:

Calculamos la perdida de calor

Calculamos K1:

Calculamos :

Tubo Aislado:Ya que el volumen de condensados es 0, la masa de condensados es 0 y la perdida de calor es 0. Entonces:

Calculamos :

Podemos percatarnos que si , esto quiere decir que el aislamiento es lo suficientemente extenso para evitar la transferencia de calor. El coeficiente de conveccin trmica ser

VIII. Tabla de ResultadosCalidad del Vapor XCalor DisipadoQmkg/shKj/m2 skKKj/msK

Sistema Aislado0.779000

Sistema No Aislado0.7790.56360.04968

IX. Cuestionario. 1. Cules son los mecanismos de Transferencia de Calor?La conduccin, la conveccin y la radiacin. 2. Cules son las ecuaciones fundamentales de la conduccin, conveccin, y radiacin?Para la conduccin:

Para la conveccin:

Para la radiacin:

3. Cmo describira un circuito trmico a un Ing. Electricista?Haciendo una analoga entre un circuito elctrico y un circuito trmico, los cuales funcionan con mecanismos muy similares.4. Qu es el coeficiente de conductividad trmica K y que unidades tiene?El coeficiente de conductividad trmica es un parmetro con el cual se mide la capacidad de material para transferir/conducir calor.5. K es constante o varia con la temperatura y la presin?Es una constante, y existe una para cada material empleado.6. Qu es h y de que factores depende su valor?Es el coeficiente caracterstico de la conveccin, y depende de la longitud caracterstica de la geometra del material as como de la temperatura ambiental. 7. Qu se entiende por cuerpo negro?Es un cuerpo ideal que absorbe toda la energa que le es irradiada, en el caso de la transferencia de calor sera un cuerpo que absorbera todo el calor que le es transferido.

X. Conclusiones.En esta prctica conocimos los mecanismos de transferencia de calor, as como la funcin del aislante en una tubera que transporta vapor.Fue muy ilustrativo que utilizar los conceptos tericos de transferencia de calor, llevarlos a la prctica sirvi para darse cuenta de la utilidad de esta rama de la ciencia para diversos procesos. El nico inconveniente fue que en el volumen del condensado del sistema aislado marcaba 0, eso dificulto los clculos para este sistema.