LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
ESCUELA POLITCNICA NACIONALFACULTAD DE INGENIERA
MECNICALABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR II
PRCTICA N 1TTULO: Transferencia de Calor en superficies
extendidas en estado estableGRUPO N: 7INTEGRANTES: NOTA: Aluisa
Gmez Ricardo David Chiguano Niquinga Alex Omar Chusin Cayo Mario
Fabin Pozo Peaherrera Willer Wladimir Romero Fuentes Eduardo Felipe
FECHA DE REALIZACIN: 23/04/2015FECHA DE ENTREGA: 30/04/2015
I. TEMA: Transferencia de Calor en superficies extendidas en
estado estableII. OBJETIVOS: Evaluar las caractersticas termo
fsicas de diferentes superficies extendidas. Obtener las curvas de
distribucin de temperatura experimentales para diferentes tipos de
aletas. Evaluar los datos experimentales con los datos obtenidos
por el mtodo de elementos finitos y los datos tericos. Determinar
el coeficiente de conveccin global para el equipo. Determinar la
eficiencia de cada una de las superficies extendidas.
III. MARCO TERICO:Transferencia de Calor
La transferencia de calor es el cruce de energa desde un cuerpo
de mayor temperatura a otro que tenga menor temperatura, esto es
resultado del segundo principio de la termodinmica. La
transferencia de calor conlleva tres modos para su realizacin:
conduccin, conveccin y radiacin.
Fig. 1. Esquema de los mecanismos de transferencia de calor
CONDUCCINUno de los mecanismos de transferencia de calor es la
conduccin, la cual es en escala atmica ya que se produce un choque
de unas molculas con otras, donde las partculas ms energticas le
entregan energa a las menos energticas, es as como se produce un
flujo de calor desde la temperatura ms alta a la ms baja. En este
mecanismo de transferencia de calor se usa la denominada ley de
Fourier:
k: Conductividad trmica del material.A: rea perpendicular a la
direccin de flujo de calor Gradiente de temperatura.
CONVECCINEste mecanismo de transferencia de calor se da por el
movimiento de masa o por la circulacin dentro de la sustancia. La
conveccin se puede realizar de dos maneras, natural se da solo por
la diferencia de densidades de la materia y la forzada cuando la
materia es obligada a moverse.La conveccin est dada por la ley de
enfriamiento de Newton:
h: Coeficiente de transferencia de calor por conveccin.A: rea
perpendicular a la direccin de flujo de calor. Son las temperaturas
que actan en la conveccin.
RADIACINEs la energa expulsada por la materia que se encuentra a
una temperatura dada, este mecanismo de transferencia de calor se
produce directamente desde la fuente hacia su exterior en todas las
direcciones. Esta energa se da por los cambios en las
configuraciones electrnicas de los tomos y son transportadas por
ondas electromagnticas.
Emisividad del Material. Constante de Stefan-Boltzman.
SUPERFICIES EXTENDIDASCuando se habla de una superficie
extendida tambin llamada aleta, se hace referencia a un slido que
combina la transferencia de energa por conduccin, conveccin y
radiacin entre sus lmites y los alrededores. Estas superficies
extendidas ayudan a incrementar el calor.Existen diferentes tipos
de aletas: Longitudinales. Radiales. Espinas.
Fig. 2. Tipos de aletas
A continuacin se presenta la ecuacin general que rige el clculo
en superficies extendidas.
Fig. 3. Esquema de la ecuacin general de superficies
extendidas.
IV. PREGUNTAS:Si el equipo del laboratorio se traslada a otro
ambiente, funciona?
El equipo del laboratorio est diseado con un factor de seguridad
de potencia de 20% a una temperatura ambiente de 20C, por lo que el
cambio de ambiente no le afectara significativamente, ya que la
variacin de la temperatura de medio es en un valor no muy alto.
Qu pasara si la aleta de este equipo fuera de otro material?
Con materiales que tengan valores de conductividad trmica mayor
que la del acero y menor que la del aluminio, el equipo funciona
normal. Con los materiales con conductividades trmicas que no se
encuentren dentro del rango, antes mencionado, los valores de los
resultados seran muy diferentes, por lo que sera necesario calcular
la potencia requerida para alcanzar un estado estable en un tiempo
corto.
Por qu es necesario lubricar la placa de la aleta y la fuente de
calor?, influye la viscosidad del aceite?
Es importante lubricar la placa de la aleta y la fuente de calor
debido a que de esta forma se reduce la resistencia de contacto,
generado por ciertas condiciones del material como la rugosidad, la
temperatura en la superficie de contacto, los fluidos que estn
atrapados en la interfaz, entre otras. Al poner una pelcula de
aceite en la interfaz, aumenta la transferencia de calor en este
medio, ya que el aceite tiende a llenar los vacos que se encuentran
en la interfaz, como producto de las rugosidades del material.
Adems el aceite tiene una conductividad trmica mayor que la del
aire, lo cual permite disminuir la resistencia de contacto. La
seleccin del aceite a utilizar en el equipo es muy importante,
debido a que si sta tiene una densidad baja, fluye muy rpido y la
superficie queda sin la pelcula de aceite requerida. Por otro lado,
si el aceite es demasiado viscoso, no alcanza a llenar los
intersticios de la superficie de contacto, con los cual no est
cumpliendo su funcin que es reducir la resistencia de contacto.
V. ELABORACIN DEL CUADRO DE DATOS:Superficie extendida de seccin
circular de Acero
Temperatura [C]Distancia [mm]
1000
56100
34200
23300
Superficie extendida de seccin circular de Aluminio
Temperatura [C]Distancia [mm]
1000
94100
84200
75300
VI. CLCULOS:
a. Coeficiente global de conveccin
Para calcular el coeficiente global de conveccin se tiene en
cuenta las siguientes consideraciones: La temperatura base de la
aleta que es de 100C, esta temperatura es igual en toda la
superficie de las aletas. El valor de las propiedades del aire se
hacen a temperatura promedio que resulta de hacer un promedio de la
temperatura bases con la temperatura . El coeficiente de conveccin
resultante de la aleta de seccin circular constante de aluminio ser
igual para todas las aletas. La Lc es igual al D de la aleta de
seccin circular constante.
Coeficiente de conveccin global de la aleta de
Aluminio.Datos:
Propiedades del aire 1 atm; Tprom=333 KExtrado del libro de
Incropera y Dewitt, 1999, pg. 839
Clculo:
b. Distribucin de temperatura
Superficie extendida de seccin circular de acero
Condicin adiabtica:
Para
Para
Para
Para
Superficie extendida de seccin circular de aluminio
Condicin adiabtica:
Para
Para
Para
Para
c. Transferencia de calor
Superficie extendida de seccin circular de acero
Transferencia de calor del rea libre
Transferencia de calor total
Superficie extendida de seccin circular de aluminio
Transferencia de calor del rea libre
Transferencia de calor total
d. Eficiencia de las aletas
Superficie extendida de seccin circular de acero
Superficie extendida de seccin circular de aluminio
VII. TRABAJOS:a. En un software basado en elementos finitos
obtener las curvas de distribucin de temperatura para las
diferentes aletas.
Captura [1]: Curvas de estabilizacion del Acero.
Captura [2]: Curvas de distribucion del Acero.
Captura [3]: Curvas de estabilizacion del Aluminio.
Captura [4]: Curvas de distribucion del Aluminio.
b. Comparar los datos simulados y tericos con los datos
experimentales.
Captura [5]: Curvas de distribucion del Acero, datos simulados
vs experiementales.
Captura [6]: Curvas de distribucion del Aluminio, datos
simulados vs experiementales.VIII. ELABORACIN DE GRFICOSa. Elaborar
las curvas de distribucin de temperaturas simulada, terica y
experimental para cada aleta.
Simulacin [1]: ACERO
Simulacin [2]: ALUMINIOb. Elaborar las curvas de distribucin de
temperatura experimental de las dos aletas.
Simulacin [3]: Curva de distribucin del ACERO
Simulacin [4]: Curva de distribucin del Aluminio
IX. ANLISIS DE RESULTADOS:En las curvas de estabilizacin se
puede apreciar que la temperatura incrementa de manera rpida hasta
alcanzar un punto de estabilizacin despus de un periodo de tiempo.
Adems, la temperatura vara de acuerdo a la distancia desde la base
de la aleta debido al enfriamiento por la transferencia por
conveccin, es decir, la temperatura en la base es mayor a la
temperatura en el extremo de la aleta.Se puede apreciar al momento
en que el acero alcanza los 100 C en su base su extremo posee una
temperatura de 23C mientras que el Aluminio al alcanzar 100C en su
base, su extremo posee una temperatura de 75C lo que sugiere que el
acero es mejor material para casos de enfriamiento adems de tener
un coeficiente de conveccin ms elevado que el del aluminio.Dentro
de la curva de distribucion del Acero comparando datos simulados vs
experiementales podemos observar que en los datos experimentales
existe un enfriamiento mas severo que los datos simulados esto
puede ocurrir debido al medio ambiente experimental puede existir
un movimiento del fluido externo en este caso el aire lo que
aumenta el porcentaje de transferencia de calor por conveccion.A
diferencia del acero, en el aluminio los datos simulados vs
experimentales no existe una diferencia de temperatura en el
extremo de la aleta mayor a 5C esto es debido al coeficiente de
conveccion que presenta al aluminio.Existi cierta discrepancia en
los sensores de temperatura ya que el sensor del extremo marcaba
mayor temperatura que el sensor anterior a ese. Despus de volver a
reiniciar el equipo este error se corrigi y se pudo obtener datos
ms coherentes en la temperatura de estabilizacin.
X. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Mario Chusin En el diseo de
cualquier equipo de transferencia de calor es muy importante
considerar un factor de seguridad en el diseo, en este caso se
considera la potencia mxima que se requiere para obtener una
temperatura deseada, ya que de esta forma se puede acoplar a las
diferentes condiciones sin la necesidad de un rediseo completo de
dicho equipo.
En la construccin de un equipo como la que se est usando para el
anlisis de trasferencia de calor por las aletas, es de suma
importancia tomar en cuenta las propiedades fundamentales del
material que mayormente afecta a los resultados, como en este caso
es la conductividad trmica de los materiales. Adems se debe
considerar la mayor cantidad de datos posibles que puede afectar al
problema para que los resultados sean lo ms cercano a la
realidad.
El aceite SAE-50 utilizado en este equipo tiene la propiedad
requerida para soportar temperaturas altas en el contacto, as como
la viscosidad adecuada para ocupar los intersticios en el interfaz
y permitir una mejor transferencia de calor por dicho
medio.Wladimir PozoConclusiones: Se concluye que la transferencia
de calor dentro de una superficie extendida es una forma eficiente
para enfriar equipos de forma natural utilizando el concepto de
conveccin natural y asi abaratar costos de fabricacin y
refrigeracin. De acuerdo a la naturaleza del material cada uno
presenta un distinto coeficiente de conveccin por que el trabajo
como ingenieros es disear el equipo con el mejor material y
geometra para que la eficiencia del equipo aumente y si es su caso
que se requiera refrigeracin optar por la alternativa de aletas que
trabajen bajo el concepto de conveccin natural. La forma de la
aleta determina en gran porcentaje la transferencia de calor a
obtener adems que esta debe justificar su uso con un clculo de
efectividad sobre la mismas. Por lo tanto, el campo de uso en tema
de aletas es bastante amplio y las aplicaciones dentro de la
industria son siempre con el fin de abaratar costos y mejorar
eficiencias.
Recomendaciones: Se recomienda colocar una capa adecuada de
aceite en la base de la aleta con el fin de reducir la resistencia
por contacto en la transferencia de calor. Calibrar los sensores de
temperatura y colocarlos en el orden correcto con el fin de que el
programa de simulacin muestre datos mas aproximados a los datos
tericos.
Eduardo RomeroConclusiones: La transferencia de calor a los
largo de las aletas es eficiente cuando la efectividad es mayor a
un valor de 2 por lo que debe justificar su diseo en cuanto a
costos en su produccin. La temperatura de las aletas en el extremo
difieren bastante con respecto a los clculos obtenidos tericamente
y puede ocurrir debido a errores en el equipo. El coeficiente de
conveccin del acero es mucho mayor que el aluminio lo que facilitar
la transferencia de calor por conveccin y asi enfria la aleta de
manera mucho mas efectiva.Alex ChiguanoConclusiones: La superficie
extendida de aluminio disipa el calor de mejor manera que la de
acero, esto se puede concluir ya que esta aleta alcanz la
temperatura de 100C en un menor tiempo, esto es debido a que la
conductividad trmica del aluminio es mucho mayor a la de acero. La
aleta de aluminio tiene una efectividad del 82.15%, esto se debe a
su conductividad; es decir la aleta de este material se puede usar
para un diseo adecuado. Se debe tomar en cuenta la geometra de la
aleta es decir su rea, esta es un factor muy importante para el
diseo y elaboracin de la misma, puesto que a mayor rea mayor es el
calor disipado.
Recomendaciones: Se debe tomar en cuenta la enumeracin de las
termocuplas ya que si no se las colocan en orden se puede producir
errores al momento de tomar los datos de temperatura. Reprogramar
correctamente el software utilizado debido a que este posee errores
de programacin.
Ricardo Aluisa:Conclusiones: Para una correcta simulacin se debe
tomar en cuenta los valores ms cercanos a los de la realidad para
los materiales de cada una de las aletas. Para esta simulacin los
valores ms importantes son: conductividad trmica, temperatura base,
coeficiente de conveccin. Las simulaciones obtenidas en la prctica
(experimentales) difieren en cierto grado de las tericas o de las
simulaciones realizadas con programas de utilizados en elementos
finitos, debido a que los factores externos varan dependiendo a la
temperatura ambiente que se tenga en el momento de realizar las
mediciones, esto se debe a que el coeficiente de conveccin es
calculado de acuerdo a estos valores. En el laboratorio se observa
con detalle el fenmeno que se obtiene en una superficie extendida
visualizando como ocurre el proceso desde que inicia la
transferencia de calor hasta que llega a un estado estable, esto se
compara con los valores reales y en el mismo laboratorio se puede
llegar a deducir los fenmenos que se realizan en el proceso.
Recomendaciones: Rectificar el problema que existe en la
programacin del sistema utilizado en el laboratorio para que no
existan confusiones, y se obtengan las grficas correctas en cada
uno de los elementos de estudio. Revisar el estado de las
termocuplas puesto a que el desgaste que se produce por el calor en
estas produce que su precisin vare con el tiempo.
XI. BIBLIOGRAFAInzunza, J. (sf.). Transferencia de Calor.
Recuperado el 28 de Abril de 2015, de Mecanismos de Transferencia
de Calor:
http://old.dgeo.udec.cl/~juaninzunza/docencia/fisica/cap14.pdfJ.M.
Corbern, R. R. (2001). UPV. Recuperado el 28 de Abril de 2015, de
Superficies Extendidas: http://www.upv.es/upl/U0296617.pdfNetto, R.
(s.f.). Fisicanet. Recuperado el 28 de Abril de 2015, de
Transferencia de Calor:
http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap08_transferencia_de_calor.php
XII. ANEXOS (Hoja de datos escaneada, , etc)21