UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE SISTEMAS TERMICOS
Viernes, 21 de febrero del 2014 PRACTICA ALETAS Superficies extendidas
Diego Fernando Rincón Álvarez Código: 2093089 Grupo: B1
Cristian Barrera Fernández Código: 2093087 Grupo:B1
Juan Andrés Días Riveros Código: 2063450 Grupo: D1
Juan Camilo Mora Código: 2083741 Grupo:B1
William Fagua Lancheros Código: 2094620 Grupo:B1
Fernando Parrado Contreras Código: 2093222 Grupo:B1
INTRODUCCION
convección de estos suelen ser muy bajos
En la teórica como en la práctica es necesario conocer que métodos son los más eficaces para
respecto a los del líquido.
OBJETIVOS
una transferencia de calor optima, esta práctica abordara un sistema muy utilizado en la industria
General.
como lo es la transmisión de calor por medio de superficies extendidas( aletas) de diferentes
Reforzar los conceptos teóricos sobre las
formas y materiales, cuando se habla de ellas,
características, parámetros, cálculos de la
se hace alusión a un sólido que experimenta una
transferencia de calor por medio de
transferencia de calor por conducción dentro de los
límites
que
la
plantean,
así
superficies extendidas, mediante el uso de
como
los bancos y herramientas de laboratorio de
transferencia de calor por convección con el
sistemas térmicos.
exterior, usualmente se usa una superficie aleteada cuando el fluido convectivo que participa es un gas , ya que los coeficientes coeficientes de
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ℎ1 + ℎ1 ∗ 2 2
Específicos
Estudiar el comportamiento de las aletas en el régimen estable
y transitorio,
observando su comportamiento.
coeficiente de transferencia de calor por conociendo
la
conductividad térmica de cada material
<< podemos obtener un
>>
ℎ
si
≈
Las superficies extendidas pueden existir en
Realizar los respectivos cálculos del convección(h),
ℎ ℎ 2 2 Cuando
muchos tipos de situaciones, pero pueden existir en muchos tipos de situaciones pero son normalmente utilizadas como aletas para mejorar la transferencia de calor al incrementar el área de convección (y/o) radiación, estas son
Calcular los perfiles de temperatura, de acuerdo a los datos obtenidos.
particularmente útiles cuando el h es pequeño o en convección natural o en gases.
Tipos de aletas
Analizar, por medio de una comparación, cual es la mejor configuración para que se
Las formas que adoptan las aletas son muy
presente la mayor transferencia de calor, calor,
variadas y dependen en gran medida de la
dependiendo
morfología del solido al que son adicionales y de
de
su
material
y
dimensionamiento.
la aplicación concreta.
Cuando una aleta se denomina que es de aguja
MARCO TEÓRICO
la
superficie
extendida
de
representa en forma cónica o cilíndrica.
Superficies extendidas
Las aletas longitudinales se representan
Cuando existen grandes diferencias entre los
porque son superficies adicionales unidas
coeficientes peliculares de transferencia de
a paredes planas o cilíndricas. Las aletas radiales van unidas a
calor, se obtiene una mejora importante
coaxialmente a superficies cilíndricas.
aumentando la superficie de contacto con el fluido de menor coeficiente:
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()
Parámetros característicos de una aleta
transferencia de calor desde la superficie
Eficiencia La eficiencia de una aleta es la relación
de área Ab
entre la potencia térmica (Q-punto) que
=√ ℎ∗∗
se disipa en la misma, y la potencia que se disiparía si toda la aleta tuviese una -
temperatura, igual a la de la base.
si la efectividad es igual a 1 la aleta no afecta la transferencia de calor.
(), η () ()
-
Si es menor que 1 la aleta se comporta como un aislante ralentizando la velocidad de transferencia de calor.
=velocidad de transferencia -
de calor real desde la aleta.
(),
Si es menor que 1 la aleta acelera la velocidad de transferencia de calor.
=velocidad
de
transferencia de calor ideal desde la aleta,
Longitud apropiada
si estuviera toda ella a la temperatura de
Se podría decir que cuanto mas larga es
la case
la aleta mayor es su área superficial y, como
=velocidad de
consecuencia,
mayor
es
la
Efectividad:
velocidad de transferencia de calor y, por
Es la relación entre la potencia térmica (
lo tanto, para conseguir la máxima
Q-punto) que se disipa en la misma y la
velocidad de transferencia de calor la
potencia térmica que se disipa sin aleta,
aleta tendría que ser infinitamente larga.
desde el área de la base que ocupa está
Sin embargo, la temperatura de las
en el área de la base.
secciones transversales de la aleta
() = () ()
desciende
exponencialmente
con
respecto a la temperatura de la base a medida
que
la
distancia
aumenta
respecto a la base. A una determinada
= velocidad de
distancia la temperatura de la aleta será
transferencia de calor desde la aleta de
igual a la del ambiente, no existiendo
área de la base Ab.
intercambio de calor entre la aleta y el ambiente. Es decir, a partir de una 3
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determinada
longitud
de
aleta
un
aumento de la misma no tiene efecto sobre la velocidad de transferencia de calor.
() tanh( ) () Conducción Convección
Es la transferencia de energia de las particulas
La convección es el mecanismo transferencia de
mas energéticas de una sustancia hacia las
calor a través de un fluido con movimiento
adyacentes menos energéticas, como resultado
masivo de éste. En la convección existe
de interacciones entre las partículas. La
movimiento del fluido a nivel macroscópico
conducción puede tener lugar en los solidos,
mientras
existe
liquidos o gases. En los gases y los liquidos la
movimiento a nivel microscópico, atómico o
conducción se debe a las colisiones y a la
molecular, pero no a nivel macroscópico,
difusión de las moléculas durante su movimiento
entendiendo
macroscópico
aleatorio. En los solidos se debe a la
relativamente
combinación de las vibraciones de las moléculas
que
movimiento
en
la
como de
conducción
nivel
volúmenes
grandes del fluido.
en una reticula y al transporte de energía por parte de los electrones libres.
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.
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Radiación
determinar que superficie aleteada es la más eficiente al momento de desechar el calor.
Esta es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas, la transferencia de calor por radiación no requiere la interferencia de un medio interventor, de hecho esta es la más rápida y no sufre atenuación en un vacío. Esta es la manera en la que la energía del sol llega a la tierra.
Experiencia Desarrollada en el Laboratorio
Se observa que las conexiones se encuentren en off.
Se escoge la configuración que se va a trabajar.
Las aletas se colocan en sus respectivos puestos horizontalmente.
PROCEDIMIENTO
en la base respectivamente.
La idea del sistema es suministrar calor a las superficies extendidas (aletas) proveniente de
de
la
superficie
aleteada,
Se gradúa el set point a la temperatura deseada.
una resistencia ubicada cilíndricamente en el interior
Se ubican las termocuplas en la punta y
esta
Se comienzan a recolectar los datos por
temperatura se mide por medio de sensores, y lo
medio del software, hasta que se
que se busca es llevarlas hasta que las
estabilicen cada 30 segundos.
temperaturas se estabilicen, la temperatura se mide con ayuda de una barra, con esto se busca
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Cálculos
TEMPERATURA VS TIEMPO ALUMINIO
T A R E P 100 M 80 E T 60 A R 40 U 20
EXPERIENCIA DESARROLLADA EN EL LABORATORIO Se
tomaron 3 tipos de aletas: agujas,
longitudinales y anulares, se toman los datos de
Tb Tp
0
la de agujas de tres materiales diferentes
0
100
40. 50 centímetros), con ayuda de una resistencia eléctrica situada en el interior de estas el cual les proporcionaba calor hasta llegar
300
400
TIEMPO
(bronce, acero y aluminio) la longitudinal solo de acero y la anular variando el radio exterior (30,
200
Se toman los datos de temperaturas tanto de la base como de la punta vs el tiempo.
Bronce:
a una temperatura constante, para determinar qué tipo o configuración de aleta tiene mayor transferencia de calor.
Cálculos Estado
transitorio
(datos
de
tablas
proporcionados por los expositores del banco)
Aleta de agujas (Aluminio, bronce y acero) Aluminio TEMPERATURA VS TIEMPO BRONCE 100 A R U T A 50 R E P M 0 E T
Tp Tb 0
100
200
300
400
TIEMPO
Variación Tb y Tp con respecto al tiempo.
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Acero
TIEMPO VS TEMPERATURA
r=30
100 A R 80 U T 60 A R E 40 P M 20 E T 0
Tb Tp 0
100
200
300
400
TIEMPO
Variación Tb, Tp con respecto al tiempo.
r=40 TEMPERATURA VS TIEMPO ACERO 150 A R U100 R A R 50 E P M 0 E T 0
Tb Tp 100
200
300
400
TIEMPO
Variación Tb, Tp con respecto al tiempo.
Aletas anulares(r=30, r=40. r=50) TEMPERATURA VS TIEMPO r=40
r=30
100 A R 80 U T 60 A R E 40 P M 20 E T 0
Tb Tp 0
100
200
300
400
TIEMPO
Variación Tb,Tp con respecto al tiempo.
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r=50
TEMPERATURA VS TIEMPO LONGITUDINALES 100 A R U T A 50 R E P M 0 E T
Tb Tp 0
100
200
300
400
TIEMPO
Variación Tb,Tp con respecto al tiempo.
Anulares: TEMPERATURA VS TIEMPO
r=50
100 A R 80 U T 60 A R E 40 P M 20 E T 0
Tb Tp 0
100
200
300
400
TIEMPO
Variación Tb, Tp respecto al tiempo.
Longitudinales, anulares aguas (tabla 3)
TEMPERATURA VS TIEMPO ANULAR
Longitudinales: 100 A R U T A 50 R E P M 0 E T
Tb Tp 0
100
200
300
400
TIEMPO
Variación Tb,Tp con respecto al tiempo.
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Agujas:
TEMPERATURA VS TIEMPO AGUJAS 150 A R 100 U T 50 A R 0 E P 0 M E T
Tb 100
200
300
400
Tp
TIEMPO
Variación Tb,Tp con respecto al tiempo.
CALCULO DE LAS ALETAS EN ESTADO ESTABLE CON TIEMPO IGUAL A 300 s. Calculo del coeficiente de transferencia de calor por convección constante y uniforme (h) para cada tipo y configuración de aleta.
Aleta de agujas, igual configuración diferente material.
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ALETA LONGITUDINAL
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ALETAS ANULARES, MISMO MATERIAL, DIFERENTE CONDIGURACION. R=30
ALETA R=40
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ALETA R=50
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Después de haber calculado todos los coeficientes de convección, procedemos a realizar una tabla paramétrica y su respectiva gráfica, variando la longitud para la aleta longitudinal y las de agujas, anulares(radios) para observar la variación de la temperatura en t=300 s, a medida que aumenta el área del material longitudinalmente. Aleta agujas Aluminio
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Bronce
Acero
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Longitudinal
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Aletas anulares R= 30
R=40
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R=50
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ANALISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES
para el acero k= 15, aluminio k= 237 y bronce k= 52.
ESTADO TRANSITORIO, ALETA DE AGUJAS. Podemos observar en las gráficas
obtenidas por medio de los datos tomados en el laboratorio tienen un orden creciente , tanto la temperatura de la punta, como la de la base aumentan a medida que transcurre el tiempo, en la aleta con el material de aluminio se puede apreciar como la temperatura de la base aumenta considerablemente hasta 80 ° c en un tiempo aproximado de 130 s,
ALETA ANULAR.
En el estudio de las gráficas de esta aleta, que son del mismo material y diferente configuración geométrica, ya que varían según su radio exterior podemos apreciar cómo, a medida que aumenta r_2, el conjunto de curvas ( t_b, t_p) se van separando entre sí, ya que si aumento en área de transferencia de calor, el calor liberado será mayor, ya que es proporcional, hasta tal punto en el que la perdida de calor será igual, así ampliemos mucho más su área.
después de esto tiende a estabilizarse, la
temperatura de la punta, tiende a seguir
ALETA LONGITUDINAL, RESPECTO DE LAS OTRAS.
el mismo rumbo, pero las dos curvas van separándose, debido a la transferencia de
Respecto a lo que se puede observar de estas
calor por convección. Esto sucede
tres gráficas y si realizamos una comparación
igualmente con la gráfica del acero y del
mínima del delta T que estas nos proporcionan a
bronce. En este la temperatura de la base
lo largo de las curvas, contemplamos que
prácticamente se estabiliza cuando este
independientemente de la variación en los datos
alcanza los 90 ° c a unos 150 segundos.
de la temperatura la que libera más calor es la
En el bronce se observa la misma
aleta de agujas.
tendencia, aunque en esta se observa un pequeño pico antes de empezar a
ALETAS EN ESTADO ESTACIONARIO
estabilizarse
AGUJAS:
en
aprox
100°c
y
prácticamente 180 s. esto se debe a la
En esta sección se analizaron las gráficas
conductividad térmica de cada material,
obtenidas,
por
las
tablas
paramétricas
realizadas por medio del software ees. Estas se
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elaboraron con un tiempo constante de 300 s y
aunque cuando el valor del radio exterior es de
la t_b, t_p correspondientes, calculando en h
30 cm las curvas presentadas tienden hacer muy
convectivo. De acuerdo a los resultados
similares.
obtenidos se concluyó que la mejor opción para
CONCLUCION GENERAL
liberar calor por medio de esta configuración,
De acuerdo a las gráficas obtenidas en todas las
son las aletas de aluminio, ya que el h convectivo
fases, se pudo deducir que la aleta con mayor
calculado fue el mayor, y de acuerdo a las curvas
intercambio de calor presentado es la de agujas
obtenidas se puede apreciar, cómo la de este
de aluminio, su grafica nos representa una
material
considerablemente
disminución de temperatura mayor referente a
comparada con las otras, a medida que se
las demás aletas debido a su configuración y
aumenta la longitud de estas, lo nos afirma aun
material.
desciende
mas la razón por la cual, normalmente las aletas están hechas de aluminio.
ALETA LONGITUDINAL Esta tiene un comportamiento similar a la de agujas de acero según se puede apreciar en la gráfica, aunque la de agujas es un poco más eficiente. Igualmente se realizó el cálculo del coeficiente de convección h.
ALETAS ANULARES. Los cálculos se realizaron con ayuda de las funciones de bessel encontradas en el ees, para el cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección h. así mismo se hizo su respectiva parametrizacion, variando el radio exterior de estas como se presenta en la fase de cálculos, luego de concluir las gráficas se concluyó: según su configuración la aleta que presenta mayor desprendimiento de calor a medida que su radio avanza es la de 50 cm,
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