Transferencia de Calor PRACTICA N° 1 CARRERA: INGENIERIA MECANICA CURSO: Transferencia de Calor DOCENTE: ING. NELSON JARA ALUMNOS: o Buenaño Merino Carlos o Benavides Paredes Luis o Herrera Ordoñez Andrés o Plaza Tepan Juan o Solórzano García Joseph o Torres Díaz Cristian o Reinoso Daniel I. TEMA: CONDUCCION EN PAREDES COMPUE STAS EN ESTA DO ESTABLE – ECUACION DE FOURIER 1. OBJETIVOS. 2. Medi r el flujo de calo r para el cas o de conduc ción est abl e de calor a trav és de una pared plana compuesta. 3. Calc ular el valo r del co efici ente d e conducti vidad t érmic a del ma teri al yel valor del coeficiente global de transferenc ia de calor. 4. MARCO TEORICO Conducción en paredes planas compuestas Sea una pared plana compuesta por tres materiales A, B, y C, a través de la cual se produce una transmisión de calo r por condu cción en e stado es tacio nario: [2]
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Particularizada la anterior ecuación al caso de una placa plana en que sus
superficies tengan una diferencia de temperaturas ΔT, tenemos: [4]
(8)
Donde se define la resistencia térmica por conducción de una placa plana como:
(9)
c) Resistencias térmicas conductivas en caso de capa cilíndrica
Particularizada la anterior ecuación al caso de una capa cilíndrica en que sus superficies
tengan una diferencia de temperaturas ΔT, tenemos: [4]
(10)
Donde se define la resistencia térmica por conducción de una capa cilíndrica como: [4]
(11)
d) Resistencias térmicas conductivas en caso de capa esférica
Particularizada la anterior ecuación al caso de una capa esférica en que sus superficies
tengan una diferencia de temperaturas ΔT, tenemos: [4]
(12)
Se define la resistencia térmica por conducción de una capa esférica como: [4]
(13)
4.5 Coeficiente Global de transferencia de Calor (U)
En cada una de las configuraciones analizadas se puede resumir la contribución de las
diferentes capas de material y la existencia de convección y radiación en una resistenciatérmica global del sistema, y con su inversa definir el coeficiente global de transferencia
Como primer paso se debe colocar la pasta térmica en las superficies de contacto de las
secciones del dispositivo HT11 (sección de calentamiento, enfriamiento y el espécimen a
prueba), y asegurarlas de forma correcta con las agarraderas.
Conectar los termopares en la unidad de servicio HT10XC procurando conectar cada
termopar en su zócalo, razón por la cual cada punto de conexión y cada terminal están
numerados del 1 al 8 más para este ejercicio no se conectan las termocuplas T4 y T5. Inspeccionar que la conexión a la fuente de agua fría este acoplada con el regulador
de presión y no posea fugas.
Actividades del alumno.
7.1 Realizar un gráfico temperatura vs posición de las termocuplas donde se puedan observar
las líneas a través de los puntos medidos para la sección de calentamiento y de enfriamiento.
1. ¿Cómo afectan las diferentes variables presentes en la ecuación de Fourier en los valores
obtenidos?
Siempre que existe un gradiente de temperaturas en un medio sólido, el calor fluirá desde
la región con mayor temperatura a la región con menor temperatura. La Ley de Fourier indica que potencia calorífica que se transfiere por conducción qk es proporcional al
gradiente de temperatura y a área a través de la cual se transfiere el calor1 :
1 ¿Cómo varia el diferencial de temperatura respecto al aumento de voltaje?
Dado que la corriente I es igual V/R, a medida que sube el voltaje la corriente aumenta. Y
como la potencia es P=V*I, la potencia (y por tanto el brillo y el calor también aumentan).
El comportamiento de la resistencia con la temperatura depende del material del que esté
hecha la resistencia, en el caso de un bombillo normal de tungsteno, la resistencia
aumenta con la temperatura.
Por eso, en el caso del bombillo normal y de una instalación normal, en la que el voltaje es
constante e igual a 220 ó 125 volts, al calentarse el bombillo, el valor de la resistencia sube
ligeramente, lo que provoca una disminución de la intensidad y de la potencia, hasta quese estabiliza la temperatura. Si no fuera así, la temperatura aumentaría sin control hasta
que se rompería el filamento
2 ¿Cómo afecta la pasta térmica colocada en las superficies de contacto en el proceso de
transferencia de calor?
La pasta térmica, también llamada grasa siliconada, silicona térmica, masilla térmica (o
también "Pasta, silicona, masilla o grasa para semiconductores"), es una sustancia que
incrementa la conducción de calor entre las superficies de dos o más objetos que pueden
ser irregulares y no hacen contacto directo. En electrónica e informática, es frecuentemente
usada para ayudar a la disipación del calor de componentes mediante un disipador.
o Clase F: temperatura máxima 155ºC; amianto, mica, fibra de vidrio con los aglomerantes adecuados
para soportar dicha temperatura.
o Clase H: temperatura máxima 180ºC; elastómeros de siliconas, amianto, mica, fibra de vidrio, con
resinas de siliconas como aglomerante.
o Clase C: temperatura de funcionamiento superior a 180ºC; mica, materiales cerámicos, vidrio, cuarzo
con aglomerantes inorgánicos o sin ellos.
COEFICIENTE DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA (K)
Es el coeficiente que expresa la magnitud o flujo de calor que pasa a través de la unidad de superficie de
una muestra de material, de extensión infinita, caras plano - paralelas y espesor la unidad, cuando entre
sus caras se establece una diferencia de temperaturas igual a la unidad, en condiciones estacionarias. El
coeficiente de conductividad térmica varía según las condiciones del material (humedad que contiene,
temperatura a la que se hace la medición), por lo que se fijan condiciones para hacerlo, generalmente
para material seco y 15°C y en otras ocasiones, 300 K (26,84 °C).
AISLANTES MÁS EMPLEADOS, CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES.
Aislamiento resistivo
En general, además del vacío, los peores conductores de calor son los gases (como el aire). Debido a ellolos materiales constructivos considerados como aislantes son precisamente aquellos que deben su
ligereza a la gran cantidad de aire encapsulado en su interior, como las colchonetas hechas a base de
fibras. Mientras más pequeños y numerosos sean los compartimientos de aire mayor será la capacidad de
aislamiento. Tal es el caso de materiales como el poliuretano y el poliestireno.
Productos aislantes resistivos
Los productos aislantes resistivos se suelen encontrar en cuatro formas distintas: placas, fieltros, rociados
(espreados), y rellenos:
Placas
Las placas rígidas generalmente se hacen con espumas sintéticas como el poliestireno expandido (EPS) o
extrudido (XPS), el poliuretano expandido y el poliisocianurato. En ocasiones también se producenmediante materiales fibrosos prensados.
Estos productos ofrecen un excelente aislamiento térmico (un elevado valor R) y acústico, además de que
son relativamente resistentes a pesar de su ligereza. Por otro lado suelen brindar una buena cobertura
superficial, reduciendo las pérdidas y ganancias de calor a través de fisuras. Las placas aislantes
generalmente se aplican en la parte externa de los cerramientos exteriores (muros y cubiertas) o en
cámaras de aire. También es común su uso en cimentaciones, suelos y cielorrasos.
Fieltros
Los fieltros (o colchonetas) se fabrican con distintos tipos de fibras que pueden ser sintéticas, de vidrio,
minerales o naturales. La fibra de vidrio se produce con arena y vidrio reciclado, mientras que la fibra
mineral se hace con una mezcla de roca basáltica y residuos metálicos triturados. Una ventaja importante
de los fieltros es su flexibilidad, ya que son muy fáciles de cortar y adaptar a distintas situaciones de obra.
Aislantes rociados
Los aislantes rociados se componen de fibras sueltas o pequeños agregados, generalmente adicionados
con adhesivos para hacerlos más resistentes. Generalmente se producen con fibras de vidrio, minerales o
de celulosa. En el caso de las fibras de celulosa, casi siempre se producen a partir de papel reciclado y se
tratan con químicos que retardan el fuego.
Estos aislantes suelen aplicarse sobre los cielorrasos o como relleno de cavidades en el interior de algunos
cerramientos. Pueden proporcionar una buena resistencia a la infiltración si son lo suficientemente
1. ¿Cómo es afectada la transferencia del calor cuando se emplean aislantes?
La transferencia de calor disminuye ya que los aislantes tienen un coeficiente de conducción
bastante bajo por lo que no conducen calor.2. El papel se emplea como aislante para experimentos de laboratorio. ¿Es este material mejor
aislante que el corcho? ¿Por qué?
No, porque uno es mejor conductor de calor que el otro, en este caso el papel se quema antes que el
corcho.
3. ¿Por qué la gradiente de temperatura en los gráficos que se obtienen al emplear aislantes
térmicos tiende a ser pequeña?
Porque la conductividad baja de los materiales aislantes tienen este comportamiento ya que
todo el material aislante conserva la misma temperatura.
4. ¿Cuáles deben ser los parámetros para poder seleccionar un aislante adecuado?Si se tiene el coeficiente de conductividad térmica, ese sería el principal, después se tiene
parámetros como espesores, formas geométricas, impacto ambiental, etc.
Fig. 4.1 Conducción de Calor Transitoria en una Pared Plana.
PARED PLANA
Considere un elemento delgado de espesor en una pared plana grande, Suponga que
la densidad de la pared es r, el calor específico es C y el área de la pared perpendicular a
la dirección de transferencia de calor es A. Un balance de energía sobre este elementodelgado, durante un pequeño intervalo de tiempo , se puede expresar como:
Pero el cambio en el contenido de energía interna del elemento y la velocidad de
generación de calor dentro del elemento se pueden expresar como:
Como se puede apreciar tanto en la figura 6.1 y 6.2, el elemento comienza a calentarse
con el transcurso del tiempo hasta que alcanza la línea de la gradiente de estado
estable.
Cuando el voltaje de entrada es reducido el flujo de calor no puede mantener la
temperatura original y por lo tanto la gradiente y las temperaturas a lo largo de la barra
deben reducirse hasta alcanzar la gradiente de temperatura adecuada.
Una vez transcurridos los primeros 5 minutos se redujo el voltaje de entrada, la
temperatura siguió aumentando durante un corto tiempo, posteriormente esta
comenzó a disminuir hasta alcanzar otra gradiente de temperatura.
El incremento en la termocupla T4 ocurre ligeramente después del incremento en T1debido a la gradiente de temperatura por la conducción a lo largo de la barra.
Esto se puede observar en la tabla 6.1, luego de transcurrir un pequeño tiempo que la
termocupla 1 ha incrementado su temperatura se produce el incremento en la
termocupla 4.
8. CONCLUSIONES:
Como se ha podido observar en el gráfico 6.1 y 6.3, la temperatura de las termocuplasaumentan hasta alcanzar la gradiente de temperatura de estado estable, si el voltaje de
alimentación es disminuido, evidentemente la temperatura disminuirá al no poder
mantener la temperatura original disminuyendo así la gradiente de temperatura hasta
alcanzar una que sea adecuada.
Se ha podido ver como la temperatura cambia con respecto al tiempo en una barra hasta
alcanzar la gradiente de temperatura estable.
Se ha podido comprobar que al pasar un determinado tiempo la gradiente de temperatura
tiende a ser casi la misma, esto se puede observar en la gráfica 6.3, donde en los minutos
cinco, siete minutos y medio, y diez la gradiente de temperatura tiene unas pequeñas
variaciones.
9. CUESTIONARIO
1. ¿Cómo es afectada la gradiente de temperatura en la conducción no estable?
Conforme pase el tiempo la gradiente de temperatura se hace cada vez más aplanado
como resultado de la transferencia de calor, hasta que en un determinado momento se
vuelve uniforme, es decir que ha alcanzado el equilibrio térmico.
Pared cilíndrica: Cilindros Considérese un cilindro largo de radio interior ri’, radio exterior re y longitud
L.Este cilindro se somete a una diferencia de temperaturas Ti Te y se plantea la pregunta de cuál será el
flujo de calor. En un cilindro cuya longitud sea muy grande comparada con su diámetro, se puede suponerque el calor fluye sólo en dirección radial, con lo que la única coordenada espacial necesaria para definir
el sistema es r. De nuevo, se utiliza la ley de Fourier empleando la relación apropiada para el área. El área
para el flujo de calor en un sistema cilíndrico es:
2
: 2 1 2 ∗ln / 2
ln 1/ 2
: 1 2 T1 T2ln 1/ 2
∗ 2
:ln 1/ 2
2πLk
Pared Esférica: La ecuación de la energía para conducción unidimensional en estado estacionario para
Aislamiento térmico es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor por conducción.
La medida de la resistencia térmica o, lo que es lo mismo, de la capacidad de aislar térmicamente, se
expresa, en el Sistema Internacional de Unidades (SI) en W/m²·K (metro cuadrado y kelvin por vatio).
Se considera material aislante térmico cuando su coeficiente de conductividad térmica: λ es inferior a
λ<0.10 W/m²·K medido a 23°C.
Todos los materiales oponen resistencia, en mayor o menor medida, al paso del calor a través de ellos.Algunos, muy escasa, como los metales, por lo que se dice de ellos que son buenos conductores; los
materiales de construcción (yesos, ladrillos, morteros) tienen una resistencia media. Aquellos materiales
que ofrecen una resistencia alta, se llaman aislantes térmicos específicos o, más sencillamente, aislantes
1. ¿Cómo afectan las diferentes variables presentes en la ecuación de Fourier en los valores obtenidos?
Las variables presentes van a afectar en los resultados de la siguiente manera, como por ejemplo el área elresultado afectara dependiendo de la forma del dispositivo de conducción y de su sección, el coeficiente de
conductividad dependerá del material que se esté empleando son dos de las variables presentes en la ecuación
de Fourier que causan un efecto en los resultados o valores obtenidos.
2. Explique cómo se genera la distribución de temperatura en sistemas de conducción radial.
Existen varias cantidades, pero entre ellas hay dos que son de mucha importancia de interés practico en el
estudio de problemas de conducción de calor. Dichas cantidades son la razón de flujo de calor y la distribución
de la temperatura. Las razones de flujo de calor tratan de la demanda de energía en un sistema dado, cuando
se requiere una distribución de temperaturas conveniente para diseñar de manera adecuada el sistema, desde
el punto de vista de los materiales. En un suceso cualquiera, una vez que es conocida la distribución de latemperatura es posible determinar las razones de flujo de calor con ayuda de la denominada Ley de Fourier.
La distribución de la temperatura es lineal, y el flujo de calor es constante de un extremo a otro de una placa,
para el caso de la ecuación radial produce.
Y por lo tanto la distribución de la temperatura esta en forma logarítmica.
T = M ln r + N
3. ¿Por qué es importante calcular el logaritmo natural de la distancia radial?
Este cálculo es importante debido a que aquí es donde se pueden observar las líneas a través de los puntos
medidos para la sección de calentamiento y de enfriamiento. El eje logarítmico contiene los valores del radio
o la posición de las termocuplas y el eje lineal contiene los valores de temperatura.
Medir el flujo de calor para el caso de la convección forzada en estado estable por
medio de flujo interno.
2. MARCO TEORICOConvección Forzada.
La convección se clasifica en natural y forzada. En la convección forzada se obliga al
fluido a fluir mediante medios externos, como un ventilador o una bomba. En la
convección natural el movimiento del fluido es debido a causas naturales, como el
efecto de flotación, el cual se manifiesta con la subida del fluido caliente y el
descenso del fluido frio.
La convección forzada se clasifica a su vez en externa e interna dependiendo de si
el flujo de luido es interno o externo. El flujo de un fluido se clasifica como interno oexterno dependiendo de si se fuerza al fluido a fluir por un canal confinado
(superficie interior) o por una superficie abierta. El flujo de un fluido no limita por
una superficie (placa, alambre, exterior de un tubo) es flujo externo. El flujo por un
tubo o ducto es flujo interno si ese fluido está limitado por completo por superficies
sólidas. El flujo de líquidos en un tubo se conoce como flujo en canal abierto si ese
tubo está parcialmente lleno con el líquido y si se tiene una superficie libre.
Números adimensionales: Nusselt, Reynolds y Prandtl.
Numero de Nusselt
El número de Nusselt representa el mejoramiento de la transferencia de calor a travésde una capa de fluido como resultado de la convección en relación con la conduccióna través de la misma capa. Entre mayor sea el número de Nusselt, más eficaz es laconvección. Un número de Nusselt de Nu =1 para una capa de fluido representatransferencia de calor a través de ésta por conducción pura.Con el fin de reducir el número de variables totales, también es práctica común quitarlas dimensiones del coeficiente de transferencia de calor h con el número de Nusselt,que se define como:
Donde k es la conductividad térmica del fluido y Lc es la longitud característica.Para comprender el significado físico del número de Nusselt, considere una capa defluido de espesor L y diferencia de temperatura∆T = T2 − T1, como se muestra en lafigura. La transferencia de calor a través de la capa de fluido será por conveccióncuando esta última tenga algún movimiento y por conducción cuando esté inmóvil.
Se recurre a la convección forzada siempre que se quiera incrementar la velocidadde la transferencia de calor desde un objeto caliente. Por ejemplo, se enciende elventilador en los días cálidos de verano para ayudar a que nuestro cuerpo se enfríede manera más eficaz. Entre mayor sea la velocidad del ventilador, mejor se siente.
Numero de Prandtl
Es un número adimensional proporcional al cociente entre la difusividad de momento
(viscosidad) y la difusividad térmica.
La mejor manera de describir el espesor relativo de las capas límite de velocidad ytérmica es por medio del parámetro número de Prandtl adimensional, definido
como:
Los números de Prandtl de los fluidos van desde menos de 0.01 para los metaleslíquidos, hasta más de 100 000 para los aceites pesados.
El calor se difunde con mucha rapidez en los metales líquidos (Pr ≪ 1) y con muchalentitud en los aceites (Pr ≫1) en relación con la cantidad de movimiento. Comoconsecuencia, la capa límite térmica es mucho más gruesa para los metales líquidosy mucho más delgada para los aceites, en relación con la capa límite de la velocidad.
El número de Prandtl tan bajo se debe a la alta conductividad térmica de estos fluidos,dado que el calor específico y la viscosidad de los metales líquidos son muycomparables a otros fluidos comunes. Se han estudiado con considerable interés losmetales líquidos como refrigerantes en aplicaciones donde grandes cantidades decalor deben eliminarse de un espacio relativamente pequeño, como en un reactornuclear, por ejemplo. Los metales líquidos, además de tener altos valores de
conductividad térmica, tienen una alta capacidad térmica, una baja presión de vapory un punto de fusión bajo.
Numero de Reynolds
Coeficiente que relaciona la velocidad de un fluido (v), el diámetro de la tubería (D)por la que pasa el fluido y su densidad y viscosidad (V ), con el fin de determinar siel flujo respectivo es laminar o turbulento.
El Número de Reynolds representa la relación de la fuerza de inercia de un elementode fluido respecto a la fuerza viscosa.
Los flujos tienen Re grandes debido a una velocidad elevada y/o una viscosidad baja.En este caso, el flujo tenderá a ser turbulento. En el caso en que los fluidos tenganviscosidad alta y/o que se muevan a una velocidad baja, tendrán Re bajos y tenderána comportarse como flujo laminar.
Aplicaciones de la convección.
En los tipos comunes, tales como intercambiadores de coraza y tubos y los
radiadores de automóvil, la transferencia de calor se realiza fundamentalmente por
conducción y convección desde un fluido caliente a otro frio que está separado por
una pared metálica.
Calderas.
Condensadores.
Intercambiadores de calor de coraza y tubo.
Torres de enfriamiento
Regeneradores.
3. ACTIVIDADES DEL ALUMNO.
3.1 Realizar el cálculo de cada uno de los números adimensionales de cada tubo conformante