LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA

ASIGNATURA: TRANSFERENCIA DE CALOR

TEMA:

BARRA DE SECCION CONICA

OBJETIVO:

Graficar el perfil de temperatura en función de la distancia para cada uno de los

casos lado aislado y lado no aislado.

Determinar el valor experimental de conducción térmica (K)para el bronce

amarillo y compararlo con el valor teórico.

TEORIA:

La conducción de calor es un mecanismo de transferencia de energía térmica

entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo

neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y

entre diferentes cuerpos en contacto por medio de ondas. La conducción del

calor es muy reducida en el espacio vacío y es nula en el espacio vacío ideal,

espacio sin energía. El principal parámetro dependiente del material que regula

la conducción de calor en los materiales es la conductividad térmica, una

propiedad física que mide la capacidad de conducción de calor o capacidad de

una substancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus

propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en

contacto. La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que

es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

La transferencia de energía térmica o calor entre dos cuerpos diferentes por

conducción o convección requiere el contacto directo de las moléculas de

diferentes cuerpos, y se diferencian en que en la primera no hay movimiento

macroscópico de materia mientras que en la segunda sí lo hay. Para la materia

ordinaria la conducción y la convección son los mecanismos principales en la

"materia fría", ya que la transferencia de energía térmica por radiación sólo

1

representa una parte minúscula de la energía transferida. La transferencia de

energía por radiación aumenta con la cuarta potencia de la temperatura (T4),

siendo sólo una parte importante a partir de temperaturas superiores a varios

miles de kelvin.

Ley de Fourier.

Es la forma de transmitir el calor en cuerpos sólidos; se calienta un cuerpo, las

moléculas que reciben directamente el calor aumentan su vibración y chocan

con las que las rodean; estas a su vez hacen lo mismo con sus vecinas hasta

que todas las moléculas del cuerpo se agitan, por esta razón, si el extremo de

una varilla metálica se calienta con una flama, transcurre cierto tiempo hasta

que el calor llega al otro extremo. El calor no se transmite con la misma

facilidad por todos los cuerpos. Existen los denominados "buenos conductores

del calor", que son aquellos materiales que permiten el paso del calor a través

de ellos. Los "malos conductores o aislantes" son los que oponen mucha

resistencia al paso de calor. La conducción térmica está determinada por la ley

de Fourier. Establece que la tasa de transferencia de calor por conducción en

una dirección dada, es proporcional al área normal a la dirección del flujo de

calor y al gradiente de temperatura en esa dirección.

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Conductividad térmica

La conductividad térmica es una propiedad intrínseca de los materiales que

valora la capacidad de conducir el calor a través de ellos. El valor de la

conductividad varía en función de la temperatura a la que se encuentra la

sustancia, por lo que suelen hacerse las mediciones a 300 K con el objeto de

poder comparar unos elementos con otros.

Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los

gases (a pesar de que en ellos la transferencia puede hacerse a través de

electrones libres) y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en

algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso

aislantes térmicos. Para que exista conducción térmica hace falta una sustancia,

de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha

practicado un vacío elevado.

En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de

calor, bien utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con un

elevado área de contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se

desea minimizar el efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales

de baja conductividad térmica, vacíos intermedios, y se disponen en

configuraciones con poca área de contacto.

ESQUEMA DEL EQUIPO UTILIZADO:

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PROCEDIMIENTO:

A lo largo de la barra se ha situado 8 termocuplas de hierro constantano, en

cada lado, separadas por una distancia de 38.1mm entre ellas. Teniendo otra

termocupla en el centro de la barra, además dos en el extremo de los cuales

van a registrar a la temperatura que ingresa el agua respectivamente. La parte

derecha de la barra ha sido aislada.

Regulación del caudal de entrada de agua al mecanismo(constante)

Registrar la temperatura del medio ambiente

Registrar la temperatura de cada termocupla en intervalos de 10 minutos

hasta alcanzar el estado estable.

Realizar los cálculos para obtener el valor de la conductividad para el

bronce amarillo (K) tanto en el lado aislado como en el no aislado.

Cálculo de errores, comparando la conductividad promedio experimental

tanto en el lado aislado como en el no aislado de la barra de sección

cónica truncada con la conductividad teórica de el bronce amarillo, a

temperatura promedio.

CONDICIONES DE LA PRÁCTICA:

Se supone que la cantidad de calor transmitido por la placa es igual a la

cantidad de calor ganado por el agua.

Obtener el estado estable de temperaturas en la barra.

Caudal del agua: Lado aislado (110-140 cm3/min); lado no aislado (100-

125 cm3/min)

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PARTES DEL EQUIPO

1 Centro de equilibrio de masa 8 Voltímetro 2

2 Barra cónica aislada 9 Termocuplas

3 Amperímetro 10Salida de datos zona no

aislada4 Marcador de temperatura 11 Soporte base de equipo

5 Voltímetro 1 12Salida datos zona

aislada

6Intercambiador de fase zona

aislada y no aislada13

Barra cónica descubierta

7Marcador para cada

termocupla

Registrar antes de encender la unidad las temperaturas: del ambiente,

agua de suministro, y de la barra.

Voltaje de ensayo: 110Voltios.

La temperatura en la termocupla numero 9 no debe exceder de 175°C.

DATOS

Registre los datos en la Tabla No.1

Tabla No.1

Conducción en barra de sección cónica

Tiempo

(min)Termocupla

Temp.

aislada (°C)

Temp.

no aislada

(°C)

Tiempo

(min)Termocupla

Temp.

aislada (°C)

Temp.

no aislada

(°C)

0

1

10

1

2 2

3 3

4 4

5 5

6 6

7 7

8 8

9 9

10 10

20

1

…

1

2 2

3 3

4 4

5 5

6 6

7 7

8 8

9 9

10 10

DATOS PARA REALIZAR LOS CÁLCULOS:

Temperatura ambiente (°C)

Caudal del lado aisladoV la(cm3/min)

Caudal del lado no aisladoV lna (cm3/min)

Densidad del agua ρ (Kg/m3)

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Caudal másico del aguamw (Kg/h)

Caudal volumétrico del aguaV (m3/h)

Calor cedido del aguaQw(W)

Distancia L (m)

Área de conducción Ac

Conductividad térmica del bronce amarillo Kexp(W/m°K)

Diferencia de temperatura entre las termocuplas de la barra de bronce

ΔT=Tcentro-Tx

Pendiente del cono m

CALCULOS, RESULTADOS Y GRAFICOS:

Graficar el perfil de temperatura en función de la distancia para cada uno

de los casos lado aislado y lado no aislado.

Determinar el valor experimental de conducción térmica (K)para el

bronce amarillo y compararlo con el valor teórico

Determinar la distribución de temperaturas en la barra de sección cónica

y comparar con las temperaturas tomadas.

Modelo matemático para la distribución de temperatura:

Tomando en consideración los siguientes puntos para el cálculo de la conicidad

(referencia el esquema), tenemos:

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

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