Lab Transferencia

“ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO”

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA

ENERGIA Y MECANICA

LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

TEMA: TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN EN BARRAS.

ING. ANGELO VILLAVICIENCIO.

INTEGRANTES:

Edgar Castillo

Álvaro Oñate.

Alfonso Vidal

Luis Román

HORARIO: Jueves 14:00-15:00

FECHA ENTREGA: 17 de Mayo de 2012

FECHA ENTREGA: 24 de Mayo de 2012

1. TEMA

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN EN BARRAS.

2. OBJETIVO GENERAL

Determinar la transferencia de Calor por Conducción y Convección en las barras de Acero, Aluminio y Bronce para la Transferencia de Calor por Conducción y con el depósito de almacenamiento del agua y las barras la transferencia de Calor por Convección en estado estacionario y no estacionario.

2.1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Determinar la Conductividad Térmica en los materiales de Acero, Aluminio y Bronce tanto experimentalmente con la ayuda de la ley de Fourier como teóricamente con la ayuda de las tablas y las temperaturas para comparar los resultados y determinar un error porcentual.

Determinar en la parte Inferior con el área más pequeña de la barra y el depósito de almacenamiento del agua el coeficiente de convección de La Transferencia De Calor por Convección.

Realizar la Distribución de Temperaturas para cada material analizando la longitud de la barra para identificar el caso de pérdidas de calor para aletas de sección transversal Uniforme.

3. MARCO TEÓRICO

Sustancia hacia las menos energéticas, como resultado de interacciones entre ella y se expresa por la ley de Fourier de la conducción del calor como:

(Q_cond=-KA dT/dx) ̇

Donde k es la conductividad térmica del material, A es el área perpendicular a la dirección de la transferencia de calor y dT/dx es el gradiente de temperatura. La magnitud de la velocidad de conducción del calor a través de una capa plana de espesor L se expresa por

(Q_cond=KA ∆T/L) ̇

Donde ∆T es la diferencia de temperatura de uno a otro lado de la capa.

Transferencia de calor estable en compraracion con la transferencia transitoria.

Los problemas de transferencia de calor a menudo de clasifican como estable o transitorios. El término estable implica que no hay cambio con el tiempo en cualquier punto dentro del medio, en tanto que transitorio implica variación con el tiempo o dependencia con respecto al tiempo. Por lo tanto, la temperatura o el flujo de calor permanencen inalterados con el transcurso del tiempo durante la transferencia de calor estable a través de un medio. Como se muestra en la figura .

Figura: Conducción del Calor estable y transitoria en una pared.

Donde la velocidad de la transferencia de calor por conducción, (Q_(cond pared) ) ̇ y el área A de la pared será constante. Por lo tanto, se tiene dT/dx= constante, lo cual significa que la temperatura a través de la pared varia linealmente con x. Es decir, la distribución de temperatura en la pared, en condiciones estables, es una línea recta (figura 2-3). Al separar la variable en la ecuación anterior e integrar desde x=0, donde T(0)=T1, hasta x =L, donde T(L)= T2, se obtiene

∫_(x=0)^L▒〖Q ̇_(cond,pared) dx=-∫_(T-T1)^T2▒KAdT〗

Al realizar las integraciones y reacomodar da

Q ̇_(cond,pared)=kA (T1-T2)/L (W)

Una vez más, la velocidad de la conducción de calor a través de una pared plana es proporcional a la conductividad térmica.

EN DONDE REEMPLAZAMOS EN AREA E INTEGRAMOS Y OBTENEMOS LA TRASNFERENCIA DE CALOR POR CONVECCION:

q=-K*A*dT/dr

q*dr=-K*π*r^2*dT

∫_r1^r▒〖(q/(π*r^2 ))*dr=〗 ∫_T0^T▒〖-K*dT〗

q/π (1/r1-1/r)=-k*(T-To)

k=-q/((T-To)*π)*(1/r1-1/r)

La primera condición, caso A, considera la transferencia de calor por convección desde el extremo de la aleta. Al aplicar un balance de energía a una superficie de control alrededor de este extremo, obtenemos

hA_c [T(L)-T_∞ ]=-KA_c dT/dx,x=L

O

hθ(L)=-K dθ/dx,x=L

Es decir, la rapidez a la que la energía se transfiere hacia al fluido por convección desde el extremo debe ser igual al rapidez a la que la energía alcanza el extremo por conducción a través de la aleta.

Y

h(C_1 e^mL+〖C_2 e〗^(-mL) )+km(C_2 e^(-mL)+〖C_1 e〗^mL )

Al resolver para C_1 y C_2, es posible demostrar, después de algunas manipulaciones, que

θ/θ_b = ( cosh⁡m(L-x)+(h/mk) senh⁡m(L-x))/(cosh⁡m(L)+(h/mk) senh⁡m(L-x) )

OBTENIENDO DE AQUÍ LA DISTRIBUCION DE TEMPERATURAS

θ/θ_b = ( cosh⁡m(L-x)+(h/mk) senh⁡m(L-x))/(cosh⁡m(L)+(h/mk) senh⁡m(L-x) )

θ= T-T∞=T-T_Agua

θ_b= Tb-T∞= T_6-T_Agua

(T-T_Agua)/(T_6-T_Agua )= ( cosh⁡m(L-x)+(h/mk) senh⁡m(L-x))/(cosh⁡m(L)+(h/mk) senh⁡m(L-x) )

(T-T_Agua)/(T_6-T_Agua )= ((cosh⁡m(L-x)+(h/mk) senh⁡m(L-x))/(cosh⁡m(L)+(h/mk) senh⁡m(L-x) ))

T(X)= ((cosh⁡m(L-x)+(h/mk) senh⁡m(L-x))/(cosh⁡m(L)+(h/mk) senh⁡m(L-x) ))*〖(T〗_6-T_Agua)+T_Agua

La convección es el modo de transferencia de calor entre una superficie sólida y el líquido o gas adyacentes que se encuentran en movimiento y comprende los efectos combinados de la conducción y del fluido en movimiento. La velocidad de la transferencia de calor por convección se expresa por la ley de Newton del enfriamiento como

(Q_(conve=hA_s (T_s-T_∞)) ) ̇

Donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección, en w/(m^2ºC) o Btu/(h〖ft〗^2 ),ºF,A_s es el área superficial a través de la cual tiene lugar esa transferencia, T_s es la temperatura de la superficie y T_∞ es la temperatura del fluido suficientemente lejos de dicha superficie.

PARA ANALIZAR LAS PROPIEDADES TERMOFÍSICAS DE LOS MATERIALES SE NECESITA LAS TABLAS A1.

TABLA A1: Propiedades termofísicas de solidos metálicos seleccionados

TABLA A1: Propiedades termofísicas de solidos metálicos seleccionados

TABLA A1: Propiedades termofísicas de solidos metálicos seleccionados

4. EQUIPO UTILIZADO:

Procedimiento

Ubicar la resistencia en la parte superior de la barra para aumentar la temperatura para la conducción en la barra.

Roscar la parte inferior de la barra en el soporte del equipo para producir una transferencia de calor con el agua de la base y la resistencia de la parte superior.

Hacer las conexiones del Depósito de suministro y el Depósito de refrigeración con las barras.

Abrir las válvulas de Ingreso de fluido

Hacer la conexión del sensor de Termocuplas tipo J para tomar los datos de cada barra por cada minuto para registrar la temperatura de las 6 Termocuplas.

Tomar las medidas de las barras el espacio que hay entre las Termocuplas

Medir las distancias de cada Termocupla, tomando la punta de la barrar calentada como referencia.

Repetir el mismo procedimiento para la barra de aluminio y la barra de bronce.

MATERIALES Y EQUIPO.

Banco de prueba para determinar la conducción.

Barra de bronce, aluminio y acero

Termómetro digital.

Pie de rey

Cronómetro

TABLA DE DATOS

ACERO D=0,019 [m]

Tiempo min T_Ambiente T_Agua T1 T2 T3 T4 T5 T6

0 22 20,3 17,3 17 16,8 16,8 16,8 16,8

1 22 20,3 57,1 59,7 58,3 53,4 43,5 37,5

2 22 20,3 163,1 87,7 58,8 53,3 46,1 38,1

3 22 20,3 316,3 146,3 66 52,3 45,7 38,3

4 22 20,3 361,1 211,5 84,7 55,6 39,1 38,3

5 22 20,3 510,1 255 103,3 61,1 46,4 38,4

6 22 20,5 570 292,8 122,8 66,9 48 38,9

7 22 20,6 608 323,6 139,7 75,3 50,7 39,4

8 22 20,6 637,5 346,1 156,5 82,6 53,3 40,2

9 22 20,7 655,9 364,2 170,6 90,8 56,8 41,4

10 22 20,7 666,6 379,4 183,8 97,4 60,5 43,1

11 22 20,7 681,1 391,6 195 105,1 64,2 44,4

12 22 20,7 687,8 401,7 203,9 110,4 66,9 46

13 22 20,8 689,9 405,1 211,2 116,6 71,8 47,8

14 22 20,8 691,3 414 219,2 123,3 75,2 49,4

15 22 20,8 697,6 421,1 228,5 129,8 80 52,1

DISTANCIA ENTRE TERMOCUPLAS

Tiempo min Distancia m

T1 0,0554

T2 0,0505

T3 0,0663

T4 0,0564

T5 0,05345

T6 0,0559

Tagua 0,0496

Longitud Total L (m) 0,38755

ALUMINIO D=0,019 [m]

Tiempo min T_Ambiente T_Agua T1 T2 T3 T4 T5 T6

0 22 21,2 38,5 34,1 32,3 30,8 27,8 26,5

1 22 21,2 121,8 87,6 53,6 43,4 37,3 36,2

2 22 21,2 253,3 170 94,1 63,5 49 45

3 22 21,2 345 243,1 141 92,5 66,5 58,5

4 22 21,2 419,8 308,1 194,3 126,8 88,2 73,4

5 22 21,3 471,1 358,6 241 160,7 113,4 91

6 22 21,6 497 394 270,1 182,7 129,8 101,3

7 22 22 546 429,3 303 210,6 152 115

8 22 22,4 568,6 448 318,3 225 163,2 122,3

9 22 23,3 588,2 466,1 331,7 238,1 174,7 131,1

10 22 23,9 604 485,1 350,6 254,7 188 141,5

11 22 25,3 621,1 498,6 362,3 263,9 196 147

12 22 26 622,5 509,6 372,8 273 203,2 152,6

13 22 26,5 641,3 518,8 379,7 239,5 209,5 158,4

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