LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA ASIGNATURA: TRANSFERENCIA DE CALOR TEMA: BARRA DE SECCION CONICA
OBJETIVO: Graficar el perfil de temperatura en función de la distancia para cada uno de los casos lado aislado y lado no aislado. ai slado. Determinar el valor experimental de conducción térmica (K)para el bronce amarillo y compararlo con el valor teórico.
TEORIA: La conducción de calor es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos en contacto por medio de ondas. La conducción del calor es muy reducida en el espacio vacío y es nula en el espacio vacío ideal, espacio sin energía. El principal parámetro dependiente del material que regula la conducción de calor en los materiales es la conductividad térmica, una propiedad física que mide la capacidad de conducción de calor o capacidad de una substancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto. La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor. La transferencia de energía térmica o calor entre dos cuerpos diferentes por conducción o convección requiere el contacto directo de las moléculas de diferentes cuerpos, y se diferencian en que en la primera no hay movimiento macroscópico de materia mientras que en la segunda sí lo hay. Para la materia ordinaria la conducción y la convección son los mecanismos principales en la "materia fría", ya que la transferencia de energía térmica por radiación sólo
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representa una parte minúscula de la energía transferida. La transferencia de energía por radiación aumenta con la cuarta potencia de la temperatura ( T 4), siendo sólo una parte importante a partir de temperaturas superiores a varios miles de kelvin.
Ley de Fourier. Es la forma de transmitir el calor en cuerpos sólidos; se calienta un cuerpo, las moléculas que reciben directamente el calor aumentan su vibración y chocan con las que las rodean; estas a su vez hacen lo mismo con sus vecinas hasta que todas las moléculas del cuerpo se agitan, por esta razón, si el extremo de una varilla metálica se calienta con una flama, transcurre cierto tiempo hasta que el calor llega al otro extremo. El calor no se transmite con la misma facilidad por todos los cuerpos. Existen los denominados "buenos conductores del calor", que son aquellos materiales que permiten el paso del calor a través de ellos. Los "malos conductores o aislantes" son los que oponen mucha resistencia al paso de calor. La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier. Establece que la tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada, es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección.
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Conductividad térmica La conductividad térmica es una propiedad intrínseca de los materiales que valora la capacidad de conducir el calor a través de ellos. El valor de la conductividad varía en función de la temperatura a la que se encuentra la sustancia, por lo que suelen hacerse las mediciones a 300 K con el objeto de poder comparar unos elementos con otros. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los gases (a pesar de que en ellos la transferencia puede hacerse a través de electrones libres) y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en
algunos materiales especiales como la fibra de vidrio , que se denominan por eso aislantes térmicos. Para que exista conducción térmica hace falta una sustancia,
de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío elevado. 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.
ESQUEMA DEL EQUIPO UTILIZADO:
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1 2 3 4 5 6 7
PARTES DEL EQUIPO Centro de equilibrio de masa 8 Voltímetro 2 9 Barra cónica aislada Termocuplas 10 Salida de datos zona no Amperímetro aislada 11 Soporte base de equipo Marcador de temperatura Salida datos zona 12 Voltímetro 1 aislada Intercambiador de fase zona Barra cónica 13 aislada y no aislada descubierta Marcador para cada termocupla
PROCEDIMIENTO: A lo largo de la barra se ha situado 8 termocuplas de hierro constantano, en cada lado, separadas por una distancia de 38.1mm entre ellas. Teniendo otra termocupla en el centro de la barra, además dos en el extremo de los cuales van a registrar a la temperatura que ingresa el agua respectivamente. La parte derecha de la barra ha sido aislada.
Regulación del caudal de entrada de agua al mecanismo(constante)
Registrar la temperatura del medio ambiente
Registrar la temperatura de cada termocupla en intervalos de 10 m inutos
hasta alcanzar el estado estable. Realizar los cálculos para obtener el valor de la conductividad para el
bronce amarillo (K) tanto en el lado aislado como en el no aislado. Cálculo de errores, comparando la conductividad promedio experimental
tanto en el lado aislado como en el no aislado de la barra de sección cónica truncada con la conductividad teórica de el bronce amarillo, a temperatura promedio.
CONDICIONES DE LA PRÁCTICA: Se supone que la cantidad de calor transmitido por la placa es igual a la
cantidad de calor ganado por el agua.
Obtener el estado estable de temperaturas en la barra.
Caudal del agua: Lado aislado (110-140 cm 3/min); lado no aislado (100125 cm3/min)
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Registrar antes de encender la unidad las temperaturas: del ambiente,
agua de suministro, y de la barra.
Voltaje de ensayo: 110Voltios.
La temperatura en la termocupla numero 9 no debe exceder de 175°C.
DATOS Registre los datos en la Tabla No.1 Tabla No.1 Conducción en barra de sección cónica Tiempo (min)
Termocupla
Temp. aislada (°C)
Temp. no
aislada
(°C)
Termocupla 1
2
2
3
3
4
4
6
10
5 6
7
7
8
8
9
9
10
10
1
1
2
2
3
3
4
4
5
20
(min)
1
5
0
Tiempo
6
…
5 6
7
7
8
8
9
9
10
10
DATOS PARA REALIZAR LOS CÁLCULOS: Temperatura ambiente (°C) Caudal del lado aislado ̇ (cm3/min) Caudal del lado no aislado ̇ (cm3/min) Densidad del agua ρ (Kg/m 3)
Caudal másico del agua ̇ (Kg/h)
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Temp. aislada (°C)
Temp. no aislada (°C)
Caudal volumétrico del agua ̇ (m3/h) Calor cedido del aguaQ w(W) Distancia L (m) Área de conducción Ac Conductividad térmica del bronce amarillo K exp(W/m°K) Diferencia de temperatura entre las termocuplas de la barra de bronce ΔT=Tcentro-Tx
Pendiente del cono m
CALCULOS, RESULTADOS Y GRAFICOS: Graficar el perfil de temperatura en función de la distancia para cada uno
de los casos lado aislado y lado no aislado. Determinar el valor experimental de conducción térmica (K)para el
bronce amarillo y compararlo con el valor teórico Determinar la distribución de temperaturas en la barra de sección cónica
y comparar con las temperaturas tomadas.
Modelo matemático para la distribución de temperatura: Tomando en consideración los siguientes puntos para el cálculo de la conicidad (referencia el esquema), tenemos:
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
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