[CONDUCCIÓN DE CALOR EN UNA BARRA CILINDRICA CON PRACTICA #2 PERDIDAS DE CALOR]
CONDUCCIO N DE CONDUCCIO CALOR EN UNA BARRA CILINDRICA CON PERDIDAS DE CALOR INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
PRACTICA
ACADEMIA DE OPERACIONES OPERACIONES UNITARIAS UNITARIAS
#2
LABORATORIO LABORATOR IO DE FUNDAMENTOS DE FENÓMENOS DE TRANSPORTE Profesora: ELIZABETH SÁNCHEZ HERNÁNDEZ GRUPO: 2IM31/2IM34 EQUIPO: 5 SECCIÓN: 2
0
ALUMNO: ESPINOSA HIPÓLITO KEVIN DANIEL GARCÍA MARTÍNEZ CHRISTIAN ROEL LUJÁN VÁZQUEZ ROBERTO ANTONIO RAMÍREZ AYÓN ADANELY Miriam Bethel Valdez De Gante
Equipo 5
[CONDUCCIÓN DE CALOR EN UNA BARRA CILINDRICA CON PRACTICA #2 PERDIDAS DE CALOR]
Consideraciones Teóricas: Calor es la energía en transito debido a una diferencia de temperaturas, por lo que siempre que exista una diferencia de temperaturas en un cuerpo o entre cuerpos, debe ocurrir una transferencia de calor. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación. Cuando existe un gradiente de temperatura en un medio en reposo (que puede ser un sólido o un fluido) utilizamos el término conducción para referirnos a la transferencia de calor que se producirá a través del medio. En cambio, el término convección se refiere a la transferencia de calor que ocurrirá entre una superficie y un fluido en movimiento cuando están a diferentes temperaturas. El tercer modo de transferencia de calor se denomina radiación térmica. Todas las superficies con temperatura finita emiten energía en forma de ondas electromagnéticas. Por tanto, en ausencia de un medio, existe una transferencia neta de calor por radiación entre dos superficies a diferentes temperaturas.
Conducción: La conducción se considera como la transferencia de energía de las partículas mas energéticas a las menos energéticas de una sustancia debido a las interacciones entre las mismas. En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. Es posible cuantificar los procesos de transferencia de calor en términos de las ecuaciones o modelos apropiados. Estas ecuaciones o modelos sirven para calcular la
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Equipo 5
[CONDUCCIÓN DE CALOR EN UNA BARRA CILINDRICA CON PRACTICA #2 PERDIDAS DE CALOR] cantidad de energía que se transfiere por unidad de tiempo. Para la conducción de calor, la ecuación o modelo se conoce como ley de Fourier.
()
El flujo de calor o transferencia de calor por unidad de área es la velocidad con que se transfiere el calor en la dirección x por área unitaria perpendicular a la dirección de transferencia, y es proporcional al gradiente de temperatura, en esta dirección. La constante de proporcionalidad k, es una propiedad de transporte conocida como conductividad térmica (W/m*k) y es una característica del material de la pared.
Convección: Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido mas caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos. El modo de transferencia de calor por convección se compone de dos mecanismos. Además de la transferencia de energía debida al movimiento molecular aleatorio (difusión o conducción), la energía también se transfiere mediante el movimiento global, o macroscópico del fluido.
Radiación: 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 por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas.
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Equipo 5
[CONDUCCIÓN DE CALOR EN UNA BARRA CILINDRICA CON PRACTICA #2 PERDIDAS DE CALOR] La radiación térmica es la energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura finita. La energía del campo de radiación es transportada por ondas electromagnéticas. Mientras la transferencia de energía por conducción o por convección requiere la presencia de un medio material, la radiación no lo precisa. De hecho, la transferencia de radiación ocurre de manera más eficiente en el vacío. Además los procesos de transmisión de calor que aumentan o disminuyen las temperaturas de los cuerpos afectados, la transmisión de calor también puede producir cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua. En ingeniería, los procesos de transferencia de calor suelen diseñarse de forma que aprovechen estos fenómenos. Conductividad Térmica: El uso de la ley de Fourier hace obligatorio el conocimiento de la conductividad térmica. Esta propiedad, a la que se hace referencia como propiedad de transporte, proporciona una indicación de la velocidad a la que se transfiere energía mediante el proceso de conducción, y depende de la estructura física de la materia, atómica y molecular, que se relaciona con el estado de la materia. Esto quiere decir que se ve reflejado en el hecho de que los solidos son mejores conductores de calor que los líquidos, y estos que los gases.
Objetivo General: Al término de la práctica, el alumno será capaz de identificar y medir la transferencia de calor, a través de un cuerpo solido.
Objetivo Específicos: 1. El alumno realizará, el balance de calor total a través de una varilla sólida de bronce. 2. El alumno, determinará la cantidad de calor que se transfiere a través del cuerpo sólido aplicando la ley de Fourier. 3. El alumno determinará la cantidad de calor perdido hacia los alrededores, mediante el cálculo del coeficiente de transmisión de calor. 4. El alumno identificara, cuando se le alcanza el estado estacionario de transferencia de calor, mediante un perfil de temperaturas.
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Equipo 5
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Diagrama de Bloques
1. Explicación del equipo y nodos en la varilla.
2. Ubicación de la fuente.
4 Tener a la mano un cronómetro para realizar lecturas de las temperaturas.
3. Se enciende el equipo.
5. Se lleva a 7 Volts e I= 0.27 A
6. Se enciende el cronómetro y en 5 min. transcurridos se toma las lecturas de las temperaturas de T1 a T9.
8. Se obtiene la estabilizacion y se subraya las temperaturas permanentes en el último tiempo. Estas temperaturas se tomarán para el balance de energia.
7. Para observar la estabilizacion de las temperaturas se sigue tomando las temp. en 10, 15, 20, 25 y 30 min. Con este voltaje se ha encontrado estabilización de las temperaturas en cada nodo entre 30 y 35 min. Con un error 0.1-0.2
4
±
Equipo 5
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9. Encontrada la estabilización de las temperaturas en cada nodo en seguida se realiza la segunda prueba.
10. Se lleva a 7.6 volts e I=0.29 A
12. Se toman lecturas de 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 min. Con este voltaje se ha encontrado en un intervalo de tiempo de 35 a 40 min.
11. Y nuevamente se procede con el punto 4.
13. Se procede el punto 8.
14. Obtención de gráficas de estabilización de temperaturas y tiempo.
16. Balance de calor en cada nodo obteniendo el calor conducido y perdido con respecto al calor inicial.
15. Obtención de gráficas de temperaturas en cada tiempo contra longitud de la barra régimen permanente.
5
Equipo 5
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Cálculos Datos experimentales V= I= Qi= k= D= L= pi= At= As= Qxini=
7 volts 0.27 Ampers 1.89 Kcal/h 104 Kcal/h m 0.01 m 0.35m 3.141592654 7.85398E-05m 0.010995574m 24064.2274
Tabla de datos experimentales
Tpar
x (m)
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
1 2 3
0
21
29.7
33.1
35.1
36.3
37.2
37.8
38.3
38.6
38.8
38.9
0.05
20.9
25.9
28.7
30.4
31.4
32.2
32.7
33.1
33.3
33.5
33.6
0.1
20.9
23.5
25.8
27.2
28.1
28.7
29.2
29.5
29.7
29.9
29.9
4 5 6 7
0.15
21
22.5
24.2
25.3
26.1
26.7
27.2
27.5
27.6
27.8
27.8
0.2
21.1
21.9
23.1
24.1
24.7
25.3
25.7
25.9
26.1
26.2
26.2
0.25
21
21.5
22.3
23.1
23.7
24.2
24.6
24.8
25
25.1
25.1
0.3
21
21.4
22
22.7
23.2
23.7
24
24.3
24.4
24.5
24.6
8
0.35
20.8
21.1
21.6
22.2
22.8
23.2
23.6
23.8
23.9
24
24.1
9
-------------
20.9
21.1
21.1
21.2
21.2
21.2
21.3
21.3
21.4
21.4
21.5
tiempo
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
6
Equipo 5
[CONDUCCIÓN DE CALOR EN UNA BARRA CILINDRICA CON PRACTICA #2 PERDIDAS DE CALOR]
Diferencia de temperaturas dx 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05
dt
dt
dt
dt
dt
dt
dt
dt
dt
dt
-3.8
-4.4
-4.7
-4.9
-5
-5.1
-5.2
-5.3
-5.3
-5.3
-2.4
-2.9
-3.2
-3.3
-3.5
-3.5
-3.6
-3.6
-3.6
-3.7
-1 -0.6
-1.6 -1.1
-1.9 -1.2
-2 -1.4
-2 -1.4
-2 -1.5
-2 -1.6
-2.1 -1.5
-2.1 -1.6
-2.1 -1.6
-0.4
-0.8
-1
-1
-1.1
-1.1
-1.1
-1.1
-1.1
-1.1
-0.1
-0.3
-0.4
-0.5
-0.5
-0.6
-0.5
-0.6
-0.6
-0.5
-0.3
-0.4
-0.5
-0.4
-0.5
-0.4
-0.5
-0.5
-0.5
-0.5
0
-0.5
-1
-1.6
-2
-2.3
-2.5
-2.5
-2.6
-2.6
Flux de calor en cada nodo
Tpar
q5
q10
q15
1
24064.2274
24064.2274
24064.2274
24064.2274
24064.2274
24064.2274
2
7904
9152
9776
10192
10400
10608
10816
11024
11024
11024
3
4992
6032
6656
6864
7280
7280
7488
7488
7488
7696
4
2080
3328
3952
4160
4160
4160
4160
4368
4368
4368
5
1248
2288
2496
2912
2912
3120
3328
3120
3328
3328
6
832
1664
2080
2080
2288
2288
2288
2288
2288
2288
7
208
624
832
1040
1040
1248
1040
1248
1248
1040
8
624
832
1040
832
1040
832
1040
1040
1040
1040
7
q20
q25
q30
q35 24064.2274
q40
q45
24064.2274
24064.2274
Equipo 5
q50 24064.2274
[CONDUCCIÓN DE CALOR EN UNA BARRA CILINDRICA CON PRACTICA #2 PERDIDAS DE CALOR]
Flujo de calor en cada nodo
Tpar
QX5
QX10
QX15
QX20
QX25
QX30
QX35
QX40
QX45
QX50
0
1.89
1.89
1.89
1.89
1.89
1.89
1.89
1.89
1.89
1.89
2
0.62077871
0.7187964
0.76780524
0.80047781
0.81681409
0.83315037
0.84948665
0.86582294
0.86582294
0.86582294
3
0.39207076
0.47375217
0.52276102
0.5390973
0.57176986
0.57176986
0.58810614
0.58810614
0.58810614
0.60444243
4
0.16336282
0.26138051
0.31038935
0.32672564
0.32672564
0.32672564
0.32672564
0.34306192
0.34306192
0.34306192
5
0.09801769
0.1796991
0.19603538
0.22870795
0.22870795
0.24504423
0.26138051
0.24504423
0.26138051
0.26138051
6
0.06534513
0.13069025
0.16336282
0.16336282
0.1796991
0.1796991
0.1796991
0.1796991
0.1796991
0.1796991
7
0.01633628
0.04900885
0.06534513
0.08168141
0.08168141
0.09801769
0.08168141
0.09801769
0.09801769
0.08168141
8
0.04900885
0.06534513
0.08168141
0.06534513
0.08168141
0.06534513
0.08168141
0.08168141
0.08168141
0.08168141
Calor perdido en cada nodo
Tpar
Qp5
QP10
QP15
QP20
QP25
QP30
QP35
QP40
QP45
QP50
T-Ta
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
---
2
1.26922129
1.1712036
1.12219476
1.08952219
1.07318591
1.05684963
1.04051335
1.02417706
1.02417706
1.02417706
12.7
3
1.49792924
1.41624783
1.36723898
1.3509027
1.31823014
1.31823014
1.30189386
1.30189386
1.30189386
1.28555757
9
4
1.72663718
1.62861949
1.57961065
1.56327436
1.56327436
1.56327436
1.56327436
1.54693808
1.54693808
1.54693808
6.8
5
1.79198231
1.7103009
1.69396462
1.66129205
1.66129205
1.64495577
1.62861949
1.64495577
1.62861949
1.62861949
5.1
6
1.82465487
1.75930975
1.72663718
1.72663718
1.7103009
1.7103009
1.7103009
1.7103009
1.7103009
1.7103009
4.1
7
1.87366372
1.84099115
1.82465487
1.80831859
1.80831859
1.79198231
1.80831859
1.79198231
1.79198231
1.80831859
3.6
8
1.84099115
1.82465487
1.80831859
1.82465487
1.80831859
1.82465487
1.80831859
1.80831859
1.80831859
1.80831859
3.3
8
Equipo 5
[CONDUCCIÓN DE CALOR EN UNA BARRA CILINDRICA CON PRACTICA #2 PERDIDAS DE CALOR]
Graficas 2 1.8 1.6 1.4 1.2 Calor perdido
1
Calor por conduccion
0.8 0.6 0.4 0.2 0 0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
Estabilización 45 40
Tpar1
C ° A30 R U25 T A R20 E P M15 E T
35
Tpar2
5
Tpar7
0
Tpar8
Tpar3 Tpar4 Tpar5 Tpar6
10
0
10
20
30
40
50
60
Tpar9
TIEMPO (min)
9
Equipo 5
[CONDUCCIÓN DE CALOR EN UNA BARRA CILINDRICA CON PRACTICA #2 PERDIDAS DE CALOR]
Regimen permanente 45 40
5min
35
10min
C ° 30 A R U25 T A R20 E P M15 E T
15min 20min 25min 30min
10
35min
5
40min
0
45min 0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
50min
LONGITUD (cm)
m=As h y = -0.0844x + 2.0826
2 1.8 1.6 1.4 1.2
m=As h
1
Linear (m=As h)
0.8 0.6 0.4 0.2 0 0
10
2
4
6
8
10
12
14
Equipo 5
