FENOMENOS DE TRANSPORTE

UNIVERSIDADA NACIONAL DE SAN AGUSTIN

ESCULA PROFECIONAL DE ING. METALURGICA

FENOMENOS DE TRANSPORTE 2

LABORATORIO N°3

DTERMINACION DE CONDUCTIVIDAD TERMICA DE MATERIALES AISLANTES

OBJETIVO

Medir correctamente la temperatura de material aislante térmica

Usar la ecuación de Fourier para determinar la conductividad térmica.

CONSIDERACIONES TEORICAS

Muchas instalaciones industriales pierden calor medio al medio ambiente por mecanismos de conducción, convección radiación. Por ejemplo las tuberías que transportan vapor, reactores, termo-tanques, etc.

A temperaturas bajas la pérdida de calor por radiación es baja, así mismo el aire es un mal conductor del calor, entonces las pérdidas por conducción serán mínimas. Sin embargo las corrientes convectivas se origina con bastante facilidad, la perdida de calor total desde la superficie no aislada es considerable, por lo tanto debe aplicarse alguna forma de aislamiento.

Un material aislante debe tener dos cualidades:

Baja conductividad térmica

Impedir la formación de corrientes de convección

Los materiales que generalmente se usan son corcho, espumas poliuretano, poliestireno, diatomeas, asbesto, lana de vidrio, lana cerámica.

El flujo de calor a través de una superficie de radio r viene dado por:

Q=(2πLK(t_1-t_2))/(ln r_2/r_1 ) (1,1)

K=Q/(2πL(t_(1-) t_2)) ln r_2/r_1 (1,2)

PARTE EXPERIMENTAL

EQUIPO

Tubo de 2,5 cm de diámetro y 90cm de largo

Pirex que recubre una longuitud de 30cm

Termocupalas

Multímetro

Esquema del equipo

PROCEDIMIENTO

Prepara el material a ensayar de 30 cm de longuitud

Tomar las medidas geométricas del material de ensayo

Pesar la muestra de ensayo

Colocar la muestra de ensayo sobre la pared exterior del tubo de tal forma que quede situado sobre el elemento de calefacción

Insertar los sensores de temperatura en las posiciones indicadas en la figura en la figura

Medir los radios r_(1,) r_2,r_3

Conectar los terminales del tubo a una corriente continua de 12v y ….A

Tomar lecturas cada vez que ocurra cambio y anotar el tiempo

Se deberá tomar lecturas hasta condiciones estacionarias

Repetir el expeimento con otro material

CALCULOS

Para dterminar el flujo de calor que actua sobre el aislante usar la siguiente expresión P=I×V

Donde :

I=intensidad de corriente am

V=voltaje continuo,voltio

P=potencia en watts

Las temperaturas T1 y T2 seran las de los extremos (cerca al tubo y mas lejos al mismo )

Los radios serán las distancias donde están ubicados los dos sensores anteriores.

Usar la ecuación 2,1

Para calcular la densidad ‘’bulk’’ del material ensayado usar la siguiente expresión ρ=m/V el volumen será del material ensayado

RESULTADO

Material ensayado: poliuretano (espuma)

t(min) T1 T2

0 22.1 23.4

2 23.9 24.2

4 25.1 24.5

6 26.3 24.6

8 27.6 24.8

10 28.4 24.8

12 29.7 24.9

14 32.1 25.2

16 33.4 25.2

18 34.7 25.4

Datos para condición estacionaria:

T1 = 34.7 ºC AMPERAJE = 7ª L = 48-18 = 30cm

T2 = 25.4 ºC R1 = 1.7 cm Densidad Bulk = 70 kg/m3

VOLTAJE = 12V R2 = 3.4 cm Conductividad Térmica = 3.3 W/m-ºC

P=I×V=7A X 12V=84W

k=Q/(2πL(T_(1-) T_2)) ln r_2/r_1 =84W/(2π(0.30m)(34.7-25.4)ºC) ln 3.4/1.7=3.3W/m-ºC

ANALISIS, DISCUSION Y COMENTARIOS

¿Por qué el material aislante usado en la experimentación presenta baja conductividad térmica?

Porque su objetivo es aislar el calor que se transmite al exterior, tratando de recuperar la mayor cantidad y de expulsar solo una ínfima parte; en otras palabras no transmitir demasiadas cantidades de calor por convección hacia el exterior, asegurando una recuperación y conservación calorífica para dentro del tubo aislado.

¿Qué influencia tienen la porosidad del material en la conductividad?

La conductividad térmica de un material poroso, pulverulento o granular, no está determinada, de ahí que se utilice el término conductividad térmica aparente o equivalente, ya que la ley de Fourier se estableció para un sólido homogéneo e isótropo. En nuestro caso, su influencia radica en que al haber espacios intersticiales disponibles es más difícil que se transmita el calor de un lugar a otro pues a este le cuesta pasar de un átomo a otro.

¿Cuál será el comportamiento de la conductividad respecto a la temperatura del material ensayado?

Varía desde un estado basal (temperatura ambiente) hasta alcanzar una temperatura máxima, donde dicha temperatura (del exterior) se hace constante, mientras que la del interior puede variar. Es aquí cuando entramo en un estado estacionario, y k se hace constante.

¿Para qué tipo de instalaciones recomendaría usted para este material?

La espuma de poliuretano es conocida por ser un material aislante de muy buen rendimiento. Tiene múltiples aplicaciones como aislante térmico tanto en construcción como en sectores industriales. Destaca en toda la cadena del frío por su alta eficiencia energética.

Efectuar un comentario de la conductividad experimental y la conductividad de tablas

Al parecer nuestros cálculos rebasan por una considerable cantidad a la conductividad teórica, por lo que concluyo que manipulamos mal los sensores de temperatura, además de tener algún error en la calibración del multímetro usado para medir el voltaje y el amperaje.

CUESTIONARIO

Efectuar un listado de conductividades de materiales orgánicos, maderas, polímeros

Calcular el espesor económico de aislante considerando que se está transportando vapor a 200°c por una tubería de 2” de diámetro interno.

Tsi = 200ºC

Tso = 145ºC

r2 = rc = r0

"T∞=20ºC"

Propiedades del poliuretano:

A 300ºK; k=0.026 W/m-ºC , ρ=70kg/m3

q=(2πLK(T_1-T_2))/(((ln r_2/r_1 ))/k+1/(r_(e.).h))

r_2=k/h (espesor crítico del aislamiento)

(Ts,1-Ts,o)/(ln⁡〖(r_2/r_1)〗/2πLk)=(Ts,o-T∞)/(1/(2πr_2 Lh))

(Ts,1-Ts,o)/(ln⁡〖(r_2/r_1)〗/2πLk)=(Ts,o-T∞)/(1/2πLk)

Ts,1-Ts,o=(Ts,o-T∞)×ln(r_2/r_1)

200-145=(145-20)×ln(r_2/r_1)

ln r_2/r_1 =55/125=0.44

r_2/r_1 =1.5526

r_2=1.5526×1''

r_2=〖1.5526〗^''……..(a)

Dc=3.105''

q/L=(2π(200-20))/(((ln 3.105/2))/0.15+1/0.1)

q/L=117.8 W/m…………(b)

ESCUELA PROFECIONAL DE INGINIERIA METALURGICA

FENOMENOS DE TRANSPORTE 2

LABORATORIO N°4-5

DETERMINACIÓN DE PERDIDAS DE CALOR EN UN SISTEMA TÉRMICO EN FORMA UNIDIMENSIONAL Y BID1MENSIONAL

PARTE ANALITICA

FORMA UNIDIMENSIONAL:

MODELO DE CÁLCULO: Se modela un horno casero que resulte en forma de caja rectangular con dimensiones interiores de 46cm x 76 cm y exteriores de 51 cm x 66 cm x 81cm. Si se ignoran las pérdidas de calor a través de las esquinas y las aristas, la temperatura de la parte interior es de 204 °C, la temperatura de la pared exterior es de 38 °C, y el material de la pared es ladrillo cocido. Estime la potencia en Watts necesaria que se debe suministrar para mantener esta condición de estado estacionario.

Solución:

Datos: hay tres parejas de paredes en un horno casero a través de las cuales puede ocurrir transferencia de calor por conducción

2 paredes con dimensiones: 46 cm x 61 cm x 2.5 cm cada una

2 paredes con dimensiones: 61 cm x 76 cm x 2.5 cm cada una

2

...