UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE SISTEMAS TERMICOS I INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS CONCENTRICOS CONTRACORRIENTE
Alejandro Meléndez Fontalvo. Carlos Andrés Sepúlveda A. Edwin Cruz Jhan Carlos Manosalva Andres Fernando Rodríguez Juan Carlos Villamizar Grupo 9 Pr esentado esentado a:
PROFESOR: ING. OMAR ARMANDO GELVEZ AROCHA AUXILIARES: Mardel Obredor Andrés Rojas Henry Suarez 1. OBJETIVOS Identificar la importancia de las propiedades de los materiales en la transferencia de calor por radiación. radiación.
Comparar la influencia que tienen los materiales y sus terminados superficiales en la transferencia de calor por convección. Hallar experimentalmente los coeficientes de emisividad superficial para cada tubo utilizado. Comparar los resultados obtenidos experimentalmente con los teóricos.
2. MARCO TEORICO Radiación Es el proceso de transmisión de ondas o partículas partículas a través del espacio o de algún medio; el término también se emplea para las propias ondas o partículas. Las ondas y las partículas
tienen muchas características comunes; no obstante, la radiación suele producirse predominantemente predominantemente en en una de las dos formas. formas. La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas con ondas electromagnéticas. Cuerpo Negro
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ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE SISTEMAS TERMICOS I Radiación de cuerpo negro para diferentes temperaturas. El gráfico también muestra el modelo clásico que predijo a la ley de Planck. Un cuerpo negro es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él. Nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del cuerpo negro. A pesar de su nombre, el cuerpo negro emite luz y constituye un modelo ideal físico para el estudio de la emisión de radiación electromagnética. El nombre Cuerpo negro fue introducido por Gustav Kirchhoff en 1862. La luz emitida por un cuerpo negro se denomina radiación de cuerpo negro. Todo cuerpo emite energía en forma de ondas electromagnéticas, siendo esta radiación, que se emite incluso en el vacío, tanto más intensa cuando más elevada es la temperatura del emisor. La energía radiante emitida por un cuerpo a temperatura ambiente es escasa y corresponde a longitudes de onda superiores a la de la luz visible (es decir, de menor frecuencia). Al elevar la temperatura no sólo aumenta la energía emitida sino que lo hace a longitudes de onda más cortas; a esto se debe el cambio de color de un cuerpo cuando se calienta. Los cuerpos no emiten con igual intensidad a todas las frecuencias o longitudes de onda, sino que siguen la ley de Planck. A igualdad de temperatura, la energía emitida depende también de la naturaleza de la superficie; así, una superficie mate o negra tiene un poder emisor mayor que una superficie brillante. Así, la energía emitida por un filamento de carbón incandescente es mayor que la de un filamento de platino a la misma temperatura. La ley de Kirchhoff establece que un cuerpo que es buen emisor de energía es también buen absorbedor de dicha energía. Así,
los cuerpos de color negro son buenos absorbedores y el cuerpo negro es un cuerpo ideal, no existente en la naturaleza, que absorbe toda la energía. La intensidad total en W·m-2, de la radiación emitida por un cuerpo negro, se obtiene integrando la expresión anterior para todas las longitudes de onda (o frecuencias).
o bien -8 (Wm-2K-4) Esta expresión se conoce como ley de StefanBoltzmann. La energía emitida por un cuerpo negro por unidad de área y unidad de tiempo es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta T. Del mismo modo, integrando dEf/df para todas las frecuencias, podemos comprobar que la densidad de energía de la radiación contenida en una cavidad es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta T de sus paredes. La constante de proporcionalidad vale ’=4 /c. Cuerpo Gris Llamamos "cuerpo gris" a un tipo especial de superficie no negra en el que el poder emisivo monocromático es independiente de la longitud de onda de la radiación emitida, en el que Wl y Wn le dan el mismo cociente para todas las longitudes de onda de las radiaciones emitidas a la misma temperatura.
Esta definición de cuerpo gris no elimina la posibilidad de que el poder emisivo dependa de la temperatura de la superficie emisora. Las
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ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE SISTEMAS TERMICOS I características de superficie gris la poseen en grado bastante elevado ciertos materiales, como la pizarra, etc. Además, empleando el valor medio del poder emisivo tomado a lo largo de toda la banda de longitudes de onda es posible representar una superficie no gris como si lo fuera.
y la emisión de un radiador perfecto a la misma temperatura. El hecho de que la transferencia de calor dependa de T4 complica los cálculos. Si T1 y T2 no difieren demasiado, se puede poner:
Representaremos con el símbolo e sin subíndice el poder emisivo de una superficie gris, y al considerar que depende sólo de la temperatura del emisor, la emitancia de una superficie gris es la siguiente: W = e Wn W = esT4 El suponer que el poder es independiente de la longitud de onda de la emisión determina que la curva de distribución de la emitancia monocromática (Wl en función de l) para un cuerpo gris pueda ajustarse a la de una superficie absolutamente negra a la misma temperatura, sin que se registre un desplazamiento del máximo de la curva, tal como se indica en la figura. Se incluye también en la figura mencionada una curva típica de la emitancia de una superficie no gris. La variación del poder emisivo con la longitud de onda es evidente en este caso. Emite radiación según la expresión:
Siendo: hr Tm 1= 4 3, el coeficiente de transferencia de calor por radiación. A la temperatura de 25ºC = 298ºK, se obtiene: hr = 6 1 W/m2ºK, por lo que el coeficiente de transferencia de calor por radiación a la temperatura ambiente es del orden de 6 veces la emitancia de la superficie. Para: T1 = 320ºK y T2 = 300ºK, el error debido al empleo de la aproximación es del 0,1%. Para: T1 = 400ºK y T2 = 300ºK, el error debido al empleo de la aproximación es del 2%. Si ninguno de los dos cuerpos es un radiador perfecto, pero poseen entre sí una determinada relación geométrica, el calor radiante neto transferido entre ellos viene dado por:
El calor radiante neto transferido por un cuerpo gris a la temperatura Tl a un cuerpo negro que le rodea a la temperatura T2 es:
Siendo 1 la emitancia de la superficie gris, igual a la relación entre la emisión de la superficie gris
En muchos problemas industriales, la radiación se combina con otros modos de transmisión del calor. La solución de tales problemas se puede
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ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE SISTEMAS TERMICOS I simplificar utilizando una resistencia térmica Rr para la radiación; su definición es semejante a la de la resistencia térmica de convección y conducción. Coeficiente de Emisividad El coeficiente de emisividad (ε), es un número adimensional que relaciona la habilidad de un objeto real para irradiar energía térmica, con la habilidad de irradiar si éste fuera un cuerpo negro:
Un cuerpo negro, por consiguiente, tiene un coeficiente ε = 1, mientras que en un objeto real, ε siempre se mantiene menor a 1
Coeficientes de emisividad para diferentes objetos reales Metales
Aluminio
T [°C]
170
Ε
-70...700 0.06...0.25
Cobre
300..700
0.015...0.025
130
0.73
No metales
radiación emitida por una superficie real se expresa como una porción de la que emitiría el cuerpo negro y se expresa como:
Donde: Q = flujo de calor ε = emisividad σ = 5.67 E-8 W / (m2K4) es la constante de Stefan-Boltzmann As = área superficial del objeto Ts = temperatura superficial del objeto Medidores de Emisividad Publicado por impic en 17 Diciembre 2008 Equipos para la medición de la emisividad de los cuerpos, una importante ayuda para la termografía infrarroja. El ET10 un medidor de emisividad mediante contacto con el cuerpo a medir Reflectometro
0.05
Acero
Cobre oxidado
La
T [°C]
ET10 medidor de emisividad por contacto. Ε
Madera
70
0.91
Hielo
-10
0.92
Agua
10...50
0.91
Papel
95
0.90
El pyrolaser mide la emisividad sin contacto directo con los cuerpos a medir.
pyrolaser, medidor de emisividad sin contacto
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ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE SISTEMAS TERMICOS I 3. DESCRIPCION DEL BANCO Y LA PRUEBA
El Banco consta de dos tuberías de igual longitud, diámetro interno y externo, pero de diferente color, una es negra y la otra es gris. Por ellas circula vapor de agua, observaremos como el color que poseen y su emisividad superficial influyen en la transferencia de calor. Hallaremos la emisividad de cada cuerpo según las ecuaciones mencionadas a continuación y las compararemos con las teóricas.
Datos de masa
6. CALCULOS
A Espesor Área Superficial
. De . L
0,0055 0,128083032
0,0055 0,12808303
4. CALCULO TIPO .
QT = 0,5 * ξ * A * σ * (Ts 4 – Td 4) + Qc = Mc* hfg
Mc
Mvc - Mvv
t
De la anterior ecuación se despeja ξ. 5. DATOS
Datos Geométricos Longitud
Tubo Brillante [m] Tubo Negro [m] 1.51 1.51
Diámetro externo
0.027
0.027
Diámetro interno
0.0215
0.0215
.
Q tot M c . ( h vap - h liq )
Datos Térmicos
T1 Temperatura Ambiente T2 Temperatura Pared Tubo Negro T3 Temperatura Pared Tubo Brillante T4 Temperatura Domo Tubo Negro T5 Temperatura Domo Tubo brillante T6 Temperatura Entrada del Vapor
Tw - Tamb
h amb 1,32 .
Q conv
D
0 , 25
h am b . A . ( T w - T am b )
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Q tot Q conv Q rad
Q ra d 4
4
. A . . ( T w - T amb )
7. TABLA DE RESULTADOS
8. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES
Los resultados obtenidos experimentalmente de la emisividad se encuentran entre los esperados (0 ≤ ξ ≤ 1). Los resultados encontrados muestran que la emisividad del tubo negro es mayor que la emisividad del tubo brillante Se ve que las pérdidas de calor por radiación fueron menores que las perdidas por convección
