Práctica de laboratorio: Coeficientes globales de transferencia de calor

Práctica de Laboratorio: Coeficientes globales de transferencia de calor

Introducción

En los sistemas térmicos donde intervienen múltiples medios (como un sólido, un fluido caliente y un fluido frío), la transferencia de calor no ocurre a través de un solo mecanismo, sino como resultado combinado de conducción, convección y, en algunos casos, radiación. Para analizar y cuantificar de forma práctica este proceso complejo, se utiliza el coeficiente global de transferencia de calor (usualmente denotado como U).

Este coeficiente representa la capacidad total de un sistema para transferir calor a través de una superficie, teniendo en cuenta todas las resistencias térmicas involucradas en serie, como:

• La convección del fluido caliente hacia la superficie.
• La conducción a través del material intermedio (por ejemplo, una pared o tubo).
• La convección del fluido frío alejándose de la superficie.

El coeficiente global de transferencia de calor se expresa en unidades de W/(m2⋅K) y se calcula mediante la relación:

[pic 1]

Donde:

• h1 y h2: coeficientes de convección del lado caliente y frío.
• L: espesor del material.
• k: conductividad térmica del material.

Este concepto es esencial en el diseño y análisis de equipos como intercambiadores de calor, calderas, condensadores, y cualquier sistema donde haya intercambio de energía térmica entre fluidos separados por superficies sólidas.

Objetivo general:

Determinar experimentalmente el coeficiente global de transferencia de calor en un sistema térmico, mediante la medición de variables como temperaturas, caudales y propiedades físicas de los materiales, con el fin de analizar el comportamiento del intercambio de calor entre dos fluidos separados por una superficie sólida y comparar los resultados obtenidos con los valores teóricos.

Objetivos específicos:

• Identificar los mecanismos de transferencia de calor involucrados en un sistema físico compuesto.
• Determinar experimentalmente el coeficiente global de transferencia de calor (U).
• Calcular el flujo de calor a través de una superficie con condiciones conocidas de temperatura y área.
• Analizar la influencia de las propiedades térmicas de los materiales (como la conductividad térmica) en la magnitud del coeficiente global.

Marco teórico

La transferencia de calor es un proceso físico mediante el cual la energía térmica se mueve de una región de mayor temperatura a una de menor temperatura. Este fenómeno puede darse por conducción, convección y radiación. Para evaluar la eficiencia térmica de un sistema donde intervienen varios materiales y mecanismos, se introduce el concepto de coeficiente global de transferencia de calor (U).

El calor transferido a través de una superficie puede expresarse como:

Q=U⋅A⋅ΔTlm

Donde:

• Q: flujo de calor (W)
• U: coeficiente global de transferencia de calor (W/m²·K)
• A: área de transferencia (m²)
• ΔTlm : diferencia de temperatura logarítmica media (K o °C) El valor de ΔTlm se calcula con:

[pic 2]

donde ΔT1 y ΔT2 son las diferencias de temperatura en los extremos del sistema.

En la presente práctica, se utiliza una vela como fuente de calor para calentar un extremo de una placa metálica (por ejemplo, de aluminio). A lo largo de esta placa se colocan trozos de mantequilla equidistantes, que comienzan a derretirse gradualmente a medida que el calor se propaga por conducción desde el extremo caliente hacia el frío.

La mantequilla, con un punto de fusión relativamente bajo (aproximadamente 30–35 °C), actúa como un indicador visual del avance del frente térmico. A través de esta observación, se puede comprender cómo la conducción del calor a través del metal se ve influida por:

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