Universidad de América Transferencia de Calor I Profesor Orlando Castiblanco
PRÁCTICA CONDUCCIÓN RADIAL EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Objetivos 1.1 Objeti vo General General Analizar el fenómeno de la transferencia de calor por conducción radial para un sistema en estado estacionario unidimensional. 1.2 Objetivos Específicos -
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Medir la distribución distribuc ión de temperatura a través de la pared de un cilindro (flujo de energía radial) y demostrar el efecto de un cambio en el flujo de calor. Comprender el uso de la ecuación de Fourier en la determinación determinaci ón de un flujo constante de calor a través de la pared de un cilindro y usar la ecuación para determinar la conductividad térmica del material del disco. Observar la conducción del calor en estado transitorio (cualitativamente). (cualitati vamente).
2. Marco Marco Teóri Teóri co De acuerdo a la ley de Fourier de la conducción de calor, cuando las superficies interior y exterior de un cilindro de paredes gruesas se encuentran a una temperatura uniforme diferente, el calor fluye radialmente a través de la pared del cilindro. Así, el calor transferido por conducción a través del disco, por unidad de longitud, en la dirección radial, puede hallarse de la siguiente manera (ver descripción del equipo): q
=
2π ·k·
−
T 1
−
T 6
Ln (r 6 /r 1 )
Donde r 1 es el radio interior con temperatura T 1 correspondiente y r 6 es el radio exterior con temperatura T 6 correspondiente correspondiente , k es la conductividad térmica del material del disco y q la potencia suministrada al calentador, que se obtiene simplemente a partir del producto de la tensión y corriente: q
=
I·V
De esta manera, el área de flujo de calor es 2πr para una unidad de longitud del cilindro, pero puesto que el área de las capas sucesivas aumenta con el radio, el gradiente de temperatura debe disminuir con el radio. 3. Equipos, Equipo s, Materi Materiales ales y Reactiv Reactivos os El HT12 es un equipo diseñado para el aprendizaje en el laboratorio de transferencia de calor, donde se demuestra uno de los modos básicos de la transmisión del calor: la conducción radial. Este equipo se conecta a una unidad de servicio común (HT10X/HT10XC) que proporciona los suministros eléctricos necesarios y las
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instalaciones de medición para la investigación y comparación de las diferentes características de la transferencia de calor. El equipo comprende un disco sólido que se calienta en el centro y se enfría en la periferia, dando lugar a una diferencia de temperaturas en la dirección radial con su correspondiente flujo de calor por conducción. El disco está fabricado a partir de una sección cilíndrica de latón de 3,2 mm de espesor y 110 mm de diámetro con un núcleo central de cobre de 14 mm de diámetro. El núcleo central es calentado por una resistencia eléctrica, mientras que la periferia del disco es enfriada por el agua fría que fluye a través de un tubo de cobre que está unido a la circunferencia del disco. Finalmente, el equipo cuenta con una válvula de control manual que permite variar el flujo de agua de refrigeración, si es necesario, en el rango operativo de 0 – 1,5 litros / min. Un regulador de presión con filtro integrado está incorporado para reducir al mínimo el efecto de las fluctuaciones en la presión de suministro. Calentamiento
Termocuplas Enfriamiento
Regulador Válvula
Filtro
-
A i s l a n t e
La distancia entre la termocupla T 1 y el centro es 7 mm. La distancia entre la termocupla T 2 y el centro es 10 mm. La distancia entre cada una de las demás termocuplas es 10 mm. Conductividad térmica del disco: Latón: k 125 W/m· °C ≈
4. Procedim iento Experimental Procedimiento general -
Enciende el equipo operando desde un PC e inicia el software correspondiente. Enciende y ajusta la válvula de control de flujo del agua de enfriamiento para tener aproximadamente 1,5 l/min. Ajusta la tensión de calefacción a un voltaje determinado (ajustando el porcentaje de la escala en modo remoto). Cuando las temperaturas sean estables, registra T 1 , T 2 , T 3 , T 4 , T 5 , T 6 , V, I & Fw.
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Ahora ajusta la tensión del calentador a otro voltaje y registra los datos de la misma manera. Calcula el flujo de calor q y grafica la variación de la temperatura con el radio. Realiza los cálculos y actividades pertinentes de acuerdo al experimento que quiera realizarse.
a. Conducción de calor en estado estacionario - Tensión de calefacción: 12, 17, 21 y 24 V - Calcular: T 0 (r 0 = 55 mm)
b. Cambio en la ecuación de Fourier - Tensión de calefacción: 12, 17, 21 y 24 V - Calcular: k 1 - 6, k 1 - 2 y k 5 – 6 - Graficar: T vs Ln (r ) ∗
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Conducción de calor en estado transitorio Enciende el equipo operando desde un PC e inicia el software correspondiente. Enciende y ajusta la válvula de control de flujo del agua de enfriamiento para tener aproximadamente 1,5 l/min. Configura el muestreo automático con un intervalo de muestras de 10 segundos y una duración fija de 5000 segundos e inicia el muestreo. Ajusta la tensión de calefacción a 21 V (ajustando el porcentaje de la escala en modo remoto) y espera que el equipo se estabilice.
5. Formulación de Preguntas y/o Acti vidades -
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Confirma que cada perfil de temperatura es una curva y que el gradiente en cualquier punto de la curva disminuye al aumentar el radio desde el centro caliente. Confirma que el gradiente de temperatura en cualquier radio aumenta con el incremento del flujo de calor. Comenta los cambios observados en T 1 cuando se cambia el flujo de calor a través del disco. Compara los valores obtenidos para k a las diferentes configuraciones de flujo de calor a través del disco.
6. Cuidados y Normas de Seguridad Revisa las normas de seguridad que deben tenerse en cuenta en el laboratorio. 7. Disposici ón de Residuos No aplica.
