UNIVERSIDAD NACIONAL SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA ASIGNATURA DE TRANSMISIÒN DE DE CALOR AI-441 FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALURGIA ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
TRABAJO TRABAJO SEMESTRAL DE UN HORNO CON AUTOLIMPIE ZA” TÍTULO: “DISEÑO DE
PROFESOR: Ing. VÉLIZ VÉLIZ FLORES, Raúl Ricardo INTEGRANTES: FUENTES FUENTES CHAVEZ Vilma TAC AS YAURI Estefany
AYACUCHO – PERÚ 2016
ÍNDICE
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ÍNDICE
02
DEDICATORIA
03
I.
INTRODUCCIÓN
04
II.
OBJETIVOS
05
III.
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
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IV.
RESOLUCIÓN DEL PROBLEMA MATEMÁTICAMENTE
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V.
DISEÑO DE PROGRAMA DE VISUAL BASIC
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VI.
CONCLUSIONES
VII.
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA
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Este presente trabajo va dirigido a nuestros padres y familiares por el apoyo incondicional que nos brindan.
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INTRODUCCIÓN Sabemos que La energía puede fluir en diversas formas, como la energía calórica, la energía eléctrica y el trabajo mecánico. También, que se puede almacenar en diversas formas tales como energía de formación en un resorte comprimido, energía interna en un cuerpo caliente y energía química en un combustible. Además, Einstein demostró a principios del siglo XX que es interconvertible con la masa en si misma; es decir que el mundo físico entero es una manifestación de energía. Por ella este trabajo se refiere precisamente a una de las muchas manifestaciones de la energía, el calor por lo que también hablaremos de las diferentes formas de transferencia de calor ,el aislamiento sirve para retardar la transferencia de calor fuera o dentro de un ámbito acondicionado. En la mayoría de los casos, ese ámbito es la casa. Durante los meses fríos, el objetivo es mantener el aire caliente dentro y detener o al menos retardar el movimiento del aire frío proveniente del exterior. Durante los meses de calor, el objetivo se invierte, pero los principios de retardo de la transferencia de calor se mantienen constantes, independientemente del sentido del flujo de calor.
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TRABAJO SEMESTRAL EN VISUAL BASIC I.
OBJETIVOS
Determinar y resolver un problema de transferencia de calor. Calcular el espesor mínimo de la ventana L Determinar el ejercicio propuesto con el programa Visual Basic.
Familiarizarnos y conocer detalladamente el manejo del programa Visual
Basic. II.
REVISIÓN BIBLIOGRAFÍCA:
1. TRANSFERENCIA DE CALOR La transferencia de calor, en física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. 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. - Las leyes de la termodinámica tratan de la transferencia de energía, pero sólo se aplican a sistemas que están en equilibrio (pueden utilizarse para predecir la cantidad de energía requerida para modificar un sistema de un estado de equilibrio a otro), pero no sirven para predecir la rapidez (tiempo) con que pueden producirse estos cambios. - La transferencia de calor, complementa los principios termodinámicos, proporcionando métodos de análisis que permitan predecir esta velocidad de transferencia térmica. 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. - Para proceder a realizar un análisis completo de la transferencia del calor es necesario considerar tres mecanismos diferentes: conducción, convección y radiación. - El diseño y proyecto de los sistemas de un intercambio de calor y conversión energética requieren de cierta familiaridad con cada uno de estos mecanismos, así como de sus interacciones.
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2. TIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR 2.1 TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONDUCCIÓN La conducción, es el único mecanismo de transmisión de calor posible en los medios sólidos opacos, cuando en estos cuerpos existe un gradiente de temperatura. El calor se trasmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura, debido al movimiento cinético o el impacto directo de las moléculas como en el caso de los fluidos en reposo o por el arrastre de los electrones como sucede en los metales. El calor transmitido por conducción por unidad de tiempo y por unidad de superficie, es decir, el flujo de calor Q, es proporcional al gradiente de temperatura dT/dx, siendo x la dirección del flujo y el área normal a éste. El coeficiente de proporcionalidad del flujo de calor es una propiedad física del medio, denominada conductividad térmica l, de manera que
Fig. Nº 2.1. Dirección del flujo del calor por conducción y gradiente de temperatur
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2.2 TRANSMISIÓN DE CALOR POR 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 transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Convección libre o natural, ocurre cuando la fuerza motriz procede de la variación de densidad en el fluido como consecuencia del contacto con una superficie a diferente temperatura, lo que da lugar a fuerzas ascensionales, el fluido próximo a la superficie adquiere una velocidad debida únicamente a esta diferencia de densidades, sin ninguna fuerza motriz exterior. Ejemplo: La convección en un tanque que contiene un líquido en reposo en el que se encuentra sumergida una bobina de calefacción.
Figura N° 1.2 Distribución de la temperatura y velocidad de un fluido sobre una placa plana en convección forzada
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2.3 TRANSMISION DE CALOR POR RADIACION Es la transferencia de calor, en forma de energía electromagnética, por el espacio. 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. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica.
3 HORNOS INDUSTRIALES Un horno es un dispositivo que permite generar calor y mantenerlo dentro de un cierto compartimiento. De esta manera, puede cumplir con diversas funciones, como la cocción de alimentos o la fundición de minerales. Por supuesto, existen distintos tipos de hornos según el uso. Para calentar o gratinar alimentos, la energía para alimentar un horno puede ser obtenida de diversas maneras, como la combustión, la radiación o la electricidad. Partiendo de esa distinta alimentación de energía que cuenta el horno, tiene lugar una clasificación del mismo que origina las siguientes categorías principales: Horno de gas. Como su propio nombre indica es aquel que emplea como combustible lo que es el gas natural. Estufas: Para hornos que operen a bajas temperaturas, normalmente inferior a 500 - 600°C. Secaderos: La temperatura de secado puede ser elevada y adoptarse una técnica de construcción similar a la de los hornos. Horno microondas: Es usado para calentar alimentos que funciona mediante la generación de ondas electromagnéticas. Horno de leña: Funcionan a partir de materiales forestales. Desde el punto de vista del consumo energético son los menos eficientes y los que más emisiones de dióxido de carbono. Horno eléctrico: Los hornos eléctricos son totalmente automatizados; la cocción es la más perfecta por el control que mantiene sobre la temperatura en todo momento. En el recinto u hogar del mismo el mecanismo principal de transferencia de energía es la radiación, desde el seno de la llama hacia los tubos colocados en las paredes. También se suele aprovechar la entalpia de los humos de combustión en una cámara posterior a la cámara de combustión, donde el mecanismo principal de transferencia de calor es el de convección.
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USOS: Los hornos tienen múltiples usos de los cuales podemos detallar: En la industria para el secado de hierbas. En la industria de los alimentos para el horneado de alimentos panificados. Así mismo, se utilizan distintos tipos de hornos para el secado de materiales húmedos, tales como madera, pintura sobre metales, etc. Análisis fisicoquímico para control de calidad. Facilita la cocción en los alimentos precocidos (microondas) Para la disminución de la humedad en aditivos como colorantes orgánicos, insumos, etc. Para la producción de vidrio y cristal. Para la producción de cerámicas y artesanías. Producción de embutidos y conservas Su uso en el secado de la industria del papel y el reciclado. Las partes fundamentales de un horno de gas son:
Hogar o cámara de combustión: donde se alojan los quemadores y se generan los gases de combustión. Puede coincidir con la cámara de calentamiento o ser una cámara independiente.
Cámara de calentamiento: existen distintos tipos, dependiendo de la forma de operación del horno y de su función.
Revestimiento aislante: recubre todas las cámaras y equipos del horno.
Chimenea y tubos de escape de gases de combustión: Suelen ir acoplados a intercambiadores para aprovechamiento de la energía calorífica que poseen, previo a la emisión a la atmósfera.
EFICIENCIA DEL HORNO La eficiencia de un horno es el porcentaje del calor liberado en la llama que es absorbido por el fluido calentado. Los valores van de 70 % al 95 %. La fuente de la ineficiencia son: Las pérdidas de calor en las paredes del horno (un 2 % es valor aceptable en el diseño) y las perdidas en los gases producidos. La temperatura de salida de los gases ha de ser de 50 a 75 ºF (25 a 40 ºC) superior a la del fluido de entrada. Como la composición de los gases de combustión no varía mucho se pueden deducir ecuaciones para determinar la temperatura del gas y las pérdidas del horno bastante exactas. Las fórmulas siguientes están dadas para un 2% de pérdidas por la pared.
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DESARROLLO CON VISUAL BASIC Visual Studio es un completo conjunto de herramientas para la creación tanto de aplicaciones de escritorio como de aplicaciones web empresariales para trabajo en equipo. Aparte de generar aplicaciones de escritorio de alto rendimiento, se pueden utilizar las eficaces herramientas de desarrollo basado en componentes y otras tecnologías de Visual Studio para simplificar el diseño, desarrollo e implementación en equipo de soluciones empresariales, u otros. Visual Basic fue uno de los primeros entornos de desarrollo visual para Windows. Pretendía facilitar el desarrollo de programas Windows a todos los programadores sin necesidad de tener que aprender otro lenguaje. Visual Basic no se parece nada, en apariencia, a aquel GwBasic o QuickBasic que los programadores acostumbraban a utilizar sobre DOS, aunque, por supuesto, sigue siendo BASIC. Eso sí, un BASIC muy evolucionado, que incorpora múltiples tipos de datos, la posibilidad de crear funciones y procedimientos, estructuras de control típicas de Pascal o C, orientación a objetos, capaz de crear nuevos componentes, etc. CARACTERÍSTICAS DE VISUAL STUDIO 2008
Visual Studio 2008 nos provee una serie de herramientas para desarrollo, así como características de debugging, funcionalidad en base de datos y características innovadoras para la creación de aplicaciones en una variedad de plataformas. Visual Studio 2008 incluye realces como un diseñador visual para desarrollo rapido con el .NET Framework 3.5, esto nos ayuda mucho a los que desarrollan en web por que se incluyen las características de Microsoft Expression Web, que la verdad en mi punto de vista esta excelente, Visual Studio 2008 provee a desarrolladores con todas las herramientas y el framework el poder crear aplicaciones web con el soporte de AJAX. III.
RESOLUCIÓN DEL PROBLEMA MATEMÁTICAMENTE
ENUNCIADO DEL PROBLEMA Uno de los principales fabricantes de electrodomésticos propone un diseño de horno con autolimpieza que implica el uso de una ventana que separa la cavidad del horno del aire ambiental. El compuesto consistirá en dos plásticos de alta temperatura (A y B) De espesores = 2 y conductividades térmicas = 0.15 W/m.k y = 0.08 W/m.k. Durante el proceso de autolimpieza, las temperaturas de la pared y el aire del horno, y , son 400°C, mientras que la temperatura del aire del cuarto T es de 25°C. Los coeficientes de transferencia de calor internos por radiación y convección y , así como el coeficiente de convección externa , son cada uno, aproximadamente 25 W/ .k. ¿Cuál es el espesor mínimo de la ventana, L = + , necesario para asegurar una temperatura que sea 50°C o menor en la superficies
ℎ
ℎ
ℎ
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externa de la ventana? Por razones de seguridad esta temperatura no debe ser mayor. Diseño De Horno: Plásticos: A = B=
= 0.15 W/m.k = 0.08 W/m.k
Sistema con estado estacionario: Representación gráfica del problema:
El circuito térmico puede construirse reconociendo que la resistencia al flujo de calor se asocia con la convección en la superficie externa, la conducción en los plásticos, y la convección y la radiación en la superficie interna. En consecuencia, el circuito y las resistencias son:
(,)
∑ 11
∶ (.1 1 )− (.) (.) (..) :ℎ.11 ℎ.11 ℎ.(∝) ∑ .∝ ℎ.( ∝)
Convección interna y radiación: Convección externa:
Observaciones y toma de datos:
400 ° 50 ° ∝ 25 ° 2 0.15 . 0.08 . ℎ ℎ ℎ
A = se eliminara por factorización
CONOCIENDO LOS DATOS CALCULAREMOS:
Hallando la solución:
2
∑ ℎ.(∝)
=
(1)
(2) (3)
12
− ∑ . . . . . (4) 1 [ℎ ℎ1 ]
Reemplazando (4) en (2):
[+ + ] 2 − 1 [ℎ ℎ1 ] ℎ.(∝) 40050 25(5025) 1 0. 5 [2550 0.15 0.08 ] =
(5)
Reemplazando (3) en (1): se simplifica A y reemplazamos en:
Aplicando la ecuación:
DE ACUERDO A LOS CALCULOS OBTENEMOS COMO RESULTADO:
0.04328 2 0.02164 = + =.7
= 627 mm
IV.
DISEÑO DEL PROGRAMA EN VISUAL BASIC, PARA RESOLVER PROBLEMA.
1. El primer paso a realizar es Abrir Visual Studio.
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2. Luego Seleccionamos una hoja en blanco
3. Diseñamos la caratula o presentación para nuestro programa de visual basic
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4. Dibujar en la ventana de diseño, con la ayuda del cuadro de herramientas de visual basic.
5. Una vez dibujado hacer doble click sobre la ventana de diseño y agregar símbolos (letras abreviadas) para su reconocimiento de actividades matemáticos. Option Explicit Dim Iter As Byte, a As Double, b As Double, m As Double, x As Double Dim FA As Double, FB As Double, FM As Double, ERROR As Double 6. Regresar a la ventana de diseño y hacer doble click el en el botón de calcular (el cual estará enumerado automáticamente según se haya creado) agregar los códigos correspondientes. Private Sub Command2_Click() Dim TA, TSO, TIN, HI, HR, HO, KA, KB, LB, L As Double TA = Val(Text1) TSO = Val(Text2) TIN = Val(Text3)
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HI = Val(Text4) HR = Val(Text5) HO = Val(Text6) KA = Val(Text7) KB = Val(Text8) Iter = 0 ERROR = 0.001 a=0 b=1 m = (a + b) / 2 FA = ((TA - TSO) / (((HI + HR) ^ (-1)) + (a / KA) + (a / (2 * KB)))) - (HO * (TSO TIN)) FB = ((TA - TSO) / (((HI + HR) ^ (-1)) + (b / KA) + (b / (2 * KB)))) - (HO * (TSO TIN)) FM = ((TA - TSO) / (((HI + HR) ^ (-1)) + (m / KA) + (m / (2 * KB)))) - (HO * (TSO TIN)) Do While Abs(FM) >= ERROR m = (a + b) / 2 FA = ((TA - TSO) / (((HI + HR) ^ (-1)) + (a / KA) + (a / (2 * KB)))) - (HO * (TSO TIN)) FB = ((TA - TSO) / (((HI + HR) ^ (-1)) + (b / KA) + (b / (2 * KB)))) - (HO * (TSO TIN)) FM = ((TA - TSO) / (((HI + HR) ^ (-1)) + (m / KA) + (m / (2 * KB)))) - (HO * (TSO TIN)) If FA * FM < 0 Then b=m Else b=b End If If FA * FM > 0 Then a=m
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Else a=a End If List1.AddItem (Format(Iter, "00") & " " & Format(a, "#0.0000000") & " " & Format(b, "#0.0000000") & " " & Format(m, "#0.0000000") & " " & Format(FM, "#0.0000000")) Iter = Iter + 1 Loop x=m Text9 = Format(x, "###0.0000") LB = x / 2 Text11 = Format(LB, "###0.0000") L = (x + LB) * 1000 Text10 = Format(L, "###0.0") End Sub 7. Será el mismo paso para los botones limpiar y salir. Private Sub Command1_Click() Label10 = "" Label11 = "" Label12 = "" Label13 = "" Label18 = "" Label19 = "" Text1 = "" Text2 = "" Text3 = "" Text4 = "" Text5 = ""
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Text6 = "" Text7 = "" Text8 = "" Text9 = "" Text10 = "" Text11 = "" End Sub Private Sub Command3_Click() Unload Me INICIO.Show End Sub Private Sub Command4_Click() End End Sub 8. Ejecutar el programa (llevando el cursor a la barra de herramientas “superior”, y seleccionar ejecutar “el icono mostrado será de una flecha de color verde”).
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9. Ingresara los valores respectivos para el determinado cálculo.
10. Las respectivas graficas están adjuntadas en la página.
V.
CONCLUSIÓN
Se llegó a determinar y resolver el problema de transferencia de calor. También se calculó el espesor mínimo de la ventana L = 62.7mm Se determinó el ejercicio propuesto con el programa Visual Basic.
Finalmente llegamos a conocer detalladamente el manejo del programa Visual
Basic. VI.
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA (Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physics for Scientists and Engineers (en inglés) (6ª edición). Brooks/Cole.) (Resnick,Robert & Krane, Kenneth S. (2001). Physics (en inglés). New York: John Wiley & Sons) (Ortega, Manuel R. & Ibañez, José A. (1989-2003). Lecciones de Física (Termofísica). Monytex.)
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