República de Panamá Universidad Tecnológica de Panamá Facultad de Ingeniería Eléctrica Transferencia de Calor Grupo 1IE142 Subgrupo B Laboratorio 2 “Conducción axial a través de una barra metálica compuesta de diferentes materiales y determinación de la conductividad térmica “k” de un tipo de acero”
Estudiantes: Fernando González 2-729-209 Ana Cristina López López 6-715-892 Joaquín Tejada 9-733-1805 Manuel De Oliveira Oliveira 4-754-1739 Profesor: Arturo Arosemena
Fecha de entrega: Viernes, 25 de abril de 2014
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Abstracto En el siguiente informe analizaremos de forma práctica y analítica la conducción de calor calor la cual es producida producida por una diferencia de temperatura entres entres dos materiales los cuales se encuentran encuentran en contacto. Y con este lograr comprobar que la razón de transferencia transferencia entre estos dos materiales e constante en un medio estacionario. Pero si la diferencia de temperaturas entre los materiales en contacto es pequeña, el flujo de calor paralelo a las capas dominará sobre cualquier otro flujo normal a éstas, por lo que el problema se puede tratar como unidireccional unidireccional sin pérdida importante de exactitud. Por lo l o tanto podemos apreciar de forma más clara y entendible el comportamiento que tiene el gradiente de temperatura cuando variamos la resistencia térmica cuando ocurre la conducción de calor.
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Marco Teórico En la ingeniería el diseño diseño térmico es de gran importancia, importancia, a lo largo de los años se a intentado controlar los procesos de transferencia transferencia de calor, modificar las temperaturas temperaturas y aumentar o disminuir la velocidad del flujo de calor. Para ello es necesario estudiar los distintos tipos de materiales y su conductividad térmica (k) ,En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de calor, bien utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con un elevado área de contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se desea minimizar el efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales de baja conductividad térmica, vacíos intermedios, y se disponen en configuraciones con poca área de contacto.
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Y la razón de transferencia de calor estacionaria estacionaria quedaría como
hay que tener en cuenta que para una determinada diferencia de temperaturas temperaturas a través del bloque, cada capa del conjunto se puede analizar por separado, separado, teniendo presentes las condiciones impuestas impuestas para el flujo unidimensional a través de cada una de las dos secciones. Si la diferencia de temperaturas entre los materiales en contacto es pequeña, el flujo de calor paralelo a las l as capas dominará sobre cualquier otro flujo normal a éstas, por lo que el problema se puede tratar como unidireccional unidireccional sin pérdida importante de exactitud.
Sin embargo el cálculo utilizando resistencia térmica se ve limitado a los sistemas de transferencia de calor constante. Para nuestro estudio más preciso utilizaremos la ley de Fourier
Siendo esta ecuación más flexible para nuestro análisis de dos o mas materiales en contacto
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Procedimiento del laboratorio: Se inicia con el enlace del módulo TXC-TL, el cual se conecta a la computadora para hacer el muestreo de los sensores con ayuda de un software y un sistema SCADA para la adquisición de datos. El siguiente paso es comprobar que las resistencias y otros sensores estén funcionando, verificar que el cilindro central este alineado con los otros. Se enciende la interface. in terface. Abrir el grifo y mediante la válvula se regula de manera que se permitiera un flujo de 2L/min. Fijar la potencia de la resistencia deseada. Esperar que el sistema se estabilice y alcance condiciones estacionarias estacionarias para realizar r ealizar las mediciones m ediciones de temperatura. Aproximadamente Aproximadamente 3 horas. Realizar el mismo procedimiento para los otros valores de potencia.
RESULTADOS Q(W) 10 20 30
ST1 48.464 70.701 80.682
ST2 48.831 69.399 79.446
ST3 46.905 67.602 76.927
ST4 48.367 68.512 78.368
ST5 41.308 56.305 63.362
ST6 39.154 50.780 57.186
ST7 34.573 43.497 47.852
ST8 30.413 33.890 36.577
ST9 28.218 31.006 32.432
1. En el laboratorio se obtuvieron los siguientes datos: 2. Para una razón de generación de calor de 10 W grafique “T (°C) vs x
ST10 28.695 30.707 32.374
S 2 2 2
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x (m) 0 0.01 0.02 0.03 T (°C) 48.464 48.831 46.905 48.367
x (m) 0 0.01 0.02 T (°C) 41.3080164 39.1540328 34.5727869
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T (°C) 30.4126557 28.2184918 28.6951311 27.2449836
Potencia de Q igual a 20 W
x (m)
0
0.01
0.02
0.03
T (°C)
70.7012951
69.3990984
67.6019344
68.5119672
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x (m)
0
0.01
0.02
0.03
T (°C)
33.8895574
31.0057049
30.7065246
28.8856721
Potencia de Q igual a 30 W
x (m)
0
0.01
0.02
0.03
T (°C)
80.6815082
79.446459
76.9266885
78.3680492
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T (°C)
63.3621803
57.1859672
47.8518033
x (m)
0
0.01
0.02
0.03
T (°C)
36.5769672
32.4323279
32.3737541
29.8298361
3. A partir de la pendiente obtenida por regresión lineal en el paso anterior para la sección A y la sección C, calcule la razón de transferencia de calor empleando la conductividad térmica encontrada en la experiencia experiencia anterior y compare estos valores con la razón de generación de calor. La k de la experiencia experiencia anterior fue 245.74
Para 10 W
Sección A
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Sección C
̇ = −
= −245.74 ° ∙ ( ∙ 0.01 0.0125 25 ) ∙ (−153.11) −153.11) ° ⁄ = 18.469
Para 30 W
Sección A
̇ = −
= −245.74 ° ∙ ( ∙ 0.01 0.0125 25 ) ∙ (−94.601) −94.601) ° ⁄ = 11.411
Sección C
̇ = −
= −245.74 ° ∙ ( ∙ 0.01 0.0125 25 ) ∙ (−203) −203) ° ⁄ = 24.487
4. Calcule la media aritmética de la razón de transferencia transferencia de calor para la sección A y la sección C.
Para 10 W
2.67 2.67 + 10 10.8 .883 83 ̇ = = 6.77 2
Para 20 W
̇
10.09 10.09 + 18 18.4 .469 69
14.2795
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Para 10 W
Para 20 W
̇ . = = = . . ⁄ ° ( ∙ . )(.°⁄)
=
̇ . = = . .⁄ ° ( ∙ . )(.°⁄)
Para 30 W
=
̇ . . = = . . ⁄ ° ( ∙ . )(.°⁄)
6. Obtenga la media aritmética de la conductividad térmica del acero a partir de los resultados obtenidos. obtenidos.
=
40.9 40.955 + 45.4 45.425 25 + 47.1 47.149 4955 = 44.5 44.509 0977 ⁄ ° 3
Según la tabla se asemeja más al acero de cromo
7. A partir de la conductividad térmica promedio obtenida para la aleación de cobre (durante la primera experiencia) experiencia) y para el acero,
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=
0.06 = = 0.4974 ° (245.74 )(0.0125) °
Conductividad térmica del acero:
=
0.067 = = 3.36 ° (40.66 ° )(0.0125 )
=
0.03 = = 1.50 1.50 ° ⁄ ) (40.66 ) ( 0 . 0 1 2 5 °
=
0.06 = = 3.01 ° (40.66 ° )(0.0125 )
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Conclusiones
Se pudo observar como diferentes tipos de materiales afectan la transferencia de calor en un cuerpo, y que al haber un cambio en el sistema se modifican todos los valores de la variación de temperatura en el sistema a lo l o largo del eje donde se s e da la transferencia de calor. Al igual que el laborator l aboratorio io anterior podemos concluir que la conductividad térmica de un material depende tanto del área, la diferencia de temperatura y más importante la conductividad térmica del material y que el régimen de conducción estacionario aunque se haya cambiado parte del material en el cuerpo, toma tiempo alcanzarlo.
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Bibliografía
Cengel Y., Ghajar, Afshin., 2011, Transferencia de calor y masa: m asa: Fundamentos y Aplicaciones, Cuarta edición, McGraw-Hill. McGraw-Hill.