El Laboratorio de Transferencia de Calor

Universidad Nacional Experimental Del Táchira

Departamento  de Ingeniería Mecánica

Laboratorio de Transferencia de Calor

CONDUCCIÓN DE CALOR RADIAL Y LINEAL

                                                             Integrantes:

                                                             García D. José A.              V-20408023

           Moncada C. Odexer I.       V-19975905

  Ramírez R.   Franklyn A.  V-18879229

              Salah O. Haisam                    V-19951397

Sección: 12       Prof. Hender Escalante

San Cristóbal, Noviembre del 2014

OBJETIVOS

• Representar gráficamente el perfil de temperatura de cada probeta cuando existe conducción de calor axial y radial.
• Determinar la conductividad térmica en diversas probetas cilíndricas cuando hay conducción de calor axial y radial en estado estable.
• Seleccionar el modelo matemático más adecuado para la gráfica de conducción de calor radial.
• Determinar la resistencia térmica de contacto del corcho.

RESUMEN

Las experiencias de conducción de calor axial y radial, se toman los valores de temperaturas en el equipo de medición cada cinco minutos hasta verificar que la temperatura no cambie con respecto al tiempo (Estado Estable).

Para las lecturas de las temperaturas se hacen por medio de termopares conectados desde el material hasta el equipo de medición. En el experimento de la conducción axial (TH11) se toma temperaturas para los materiales (Aluminio, Acero inoxidable, Latón, y la resistencia térmica de contacto de corcho), En el experimento de la conducción radial (TH12) solo se toman temperaturas para el Latón.

Mediante las temperaturas obtenidas en el estado estable, se realizan graficas de temperaturas, en función de la distancia que existe entre cada termopar, para obtener el perfil de temperatura real y el valor de la conductividad térmica de cada material.

MARCO TEORICO

FLUJO DE CALOR EN DIRECCIÓN AXIAL

Si por una probeta metálica cilíndrica se hace pasar un flujo de calor en la dirección x, desde una fuente de calor a alta temperatura hasta un depósito térmico a baja temperatura, tal y como se ilustra en la figura, el calor que fluye se puede evaluar mediante la ecuación de Fourier,  [pic 1][pic 2]

Figura 1.descripcion de la conducción de calor axial.

Al separar las variables, se tiene: [pic 3]

Si se supone que se trabaja en régimen permanente (flujo de calor estable en el tiempo) y tanto la conductividad térmica como el área de transferencia de calor son constantes, esta última ecuación se puede integrar entre dos puntos conocidos, como por ejemplo desde una temperatura TH y una temperatura TL tal y como se ilustra en la figura anterior:

[pic 4]

[pic 5]

De acuerdo a lo anterior, para obtener la conductividad térmica se requiere conocer el flujo de calor ([pic 6]) el área perpendicular al flujo de calor (A), las temperaturas TH y TL, y la distancia entre los dos puntos en los cuales se mide la temperatura.

FLUJO DE CALOR EN DIRECCIÓN RADIAL

        Si por una probeta metálica (en forma de disco), se hace pasar un flujo de calor en la dirección, r, desde una fuente de calor a alta temperatura hasta un depósito térmico a baja temperatura, como se ilustra en la figura, el calor se puede evaluar mediante la ecuación de Fourier,  

.[pic 7]

Figura 2.descripcion de la conducción de calor radial.

[pic 8]

Al separar las variables, se tiene

[pic 9]

Al igual que el caso anterior, esta ecuación se analizará  en régimen permanente y la conductividad térmica se asumirá constante. Obsérvese como el área de transferencia de calor aumenta en la dirección del flujo de calor, es por ello que la ecuación se puede escribir como:

[pic 10]

Si se integra entre dos puntos conocidos, como por ejemplo desde una temperatura TH y una temperatura TL, tal y como se describe en la figura anterior, se tiene:

[pic 11]

                                                        [pic 12]                                                       

De acuerdo a lo anterior, para obtener la conductividad térmica se requiere conocer el flujo de calor ([pic 13]), el espesor del disco (e), las temperaturas TH y TL, y los radios para cada temperatura.

POTENCIA DISIPADA POR UNA RESISTENCIA ELÉCTRICA

Para un elemento resistivo, la potencia eléctrica que éste genera viene dado por:

                                                             [pic 14]                                                        Dónde:

• P, es la potencia en W
• V, voltaje aplicado en voltios
• I, corriente requerida en amperios
• cosφ, factor de potencia con un valor unitario

CAUDAL

Para la física la palabra caudal (Q) significa la cantidad de líquido que pasa en un cierto tiempo. Concretamente, el caudal sería el volumen de líquido que circula dividido el tiempo.

Q = V/t [L/min]

TEMPERATURA

Se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico. Que refleja la cantidad de calor, ya sea de un cuerpo, de un objeto o del ambiente. Dicha magnitud está vinculada a la noción del frio (menor temperatura) y caliente (mayor temperatura).  

CALOR

El calor, es la energía que se transfiere de una región a otra en un cuerpo, (o entre diferentes cuerpos), en virtud de que existe una diferencia de temperatura entre éstas. Entre 1840 y 1849, el físico británico James Prescott Joule, demostró que el calor es energía en tránsito y siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura.

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN

Transferencia de calor es el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El mecanismo de transferencia de calor por conducción, puede ocurrir en sólidos, líquidos y gases.

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

Es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. Esta propiedad depende de una gran cantidad de factores, fundamentalmente de la temperatura.

En la siguiente tabla, se muestran algunas características de las probetas que se pueden utilizar en la unidad HT11. las secciones de calentamiento, intermedia y enfriamiento están instrumentadas, y vienen instaladas en la unidad principal, mientras que las probetas de acero inoxidable, aluminio y latón son accesorios que se pueden utilizar instalándolos entre las secciones de calentamiento y enfriamiento. De igual manera se puede hacer con el material aislante.

Tabla N 1. Descripción de las probetas.

DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS

 FLUJO DE CALOR AXIAL (TH11X)[pic 15]

Figura 3. Equipo TH11X.

        Llamada también HT11X, ésta permite realizar varias pruebas con diferentes materiales cilíndricos, la cual se puede cambiar en la sección intermedia. El calor fluye de la sección de calentamiento, pasando por la sección intermedia, hasta llegar a la sección de enfriamiento, esto sucede debido al aislante que recubre toda la zona, permitiendo así q el calor fluya solo en el sentido mencionado anteriormente. Ubicando termopares a ciertas distancias para reflejar como la temperatura cambia en distintas zonas. Consta de las siguientes partes:

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