UNIVERSIDAD DE ANTIOQUÍAFACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICAGUÍA DE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS

TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN

1. OBJETIVOS

General

Estudiar los fenómenos de transferencia de calor por radiación, sus características y las leyes que lo rigen.

Específicos

Determinar la emisión de diferentes superficies (pulida, anodizada de plata y negro mate).

Demostrar que la intensidad de radiación de una superficie es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de la superficie a la fuente de radiación.

Mostrar como la emisión de superficies radiantes negras y pulidas próximas unas con otras afectará las temperaturas de la superficie y calor emitido

2. MARCO TEÓRICO

Redactar

3. EQUIPOS Y MATERIALES

EQUIPOS

Descripción del equipo

El equipo consiste de unos rieles montados en un banco horizontal (1) , el cual tiene fijo en un extremo una fuente de calor (4) y en el otro una fuente de luz la cual puede ser removida . Entre las dos fuentes se pueden fijar diferentes unidades, las cuales pueden ser un detector de radiación térmica (Radiómetro) (13) o un medidor de luz (16). Además se pueden añadir varios accesorios con fines experimentales según se requiera. Estos pueden ser diferentes placas metálicas con pares térmicos acoplados (5,6), dos placas orientadas verticalmente (14) para formar una apertura, y varios filtros acrílicos (10, 11,12).Los detectores

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de radiación y los accesorios, se fijan con soportes(7,8,9,15) al riel que les permite estar fijos a distancias diferentes de la fuente de interés. Las distancias vienen medidas con una escala reversible (17) montada en uno de los rieles.

La potencia eléctrica de las fuentes esta suministrada por una consola de instrumentación (3) y está controlada por un regulador de estado sólido. Un transformador situado más abajo (2) provee un bajo voltaje para la fuente de calor. Las temperaturas de las dos placas de metal usadas en conjunción con la fuente de radiación de calor vienen mostradas en una lectura digital, cada lectura siendo seleccionada por un enchufe de cambio. La salida del detector de calor de radiación es amplificada y mostrada en una segunda lectura digital. El contador de luz es independiente

Figura 1. Esquema del equipo Unidad radiación térmica

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Figura 2. Foto de una unidad de radiación térmica H960.

MATERIALES

Fuente de calor Transformador de voltaje Base soporte para las fuentes Sensores y placas de radiación Cronómetro

ORGANIZACIÓN DE LOS EXPERIMENTOS

Figura 3. Esquema del montaje para Ley de inverso cuadrado.

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Figura 4. Esquema del montaje para Potencia de emisión I.

4

Figura 5. Esquema del montaje para Potencia de emisión II.

4. PROCEDIMIENTO

Ley del inverso cuadrado para calor

1. Interconectar el transformador, consola y fuente de calor.2. Conectar radiómetro a la consola3. Ubicar el radiómetro a una distancia de 100mm.4. Encender la consola.5. Girar la perilla del control de potencia de la fuente y ubicarla en la posición

media.6. Esperar a que el equipo se estabilice para cada lectura.7. Hacer lecturas de radiómetro (R) a diferentes distancias (X) de 100mm a

700mm, variando con un tamaño de 100mm.

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Potencia de emisión I: Para determinar la emisión de diferentes superficies (pulida, anodizado de plata, negro mate).

1. Interconectar el transformador, consola y fuente de calor.2. Conectar radiómetro a la consola3. Ubicar cada una de las placas (pulidas, anodizado de plata y negro mate) de

manera individual sobre el soporte.4. La placa metálica más cercana debe estar a una distancia de 50 mm de la

fuente de calor.5. El radiómetro debe estar a una distancia de 110 mm con respecto a la

fuente de calor totalmente centrado con respecto a la fuente.6. Conectar la termocupla de la placa a la consola.7. Encender la consola.8. Girar la perilla del control de potencia de la fuente y ubicarla en posición 2, 4

y 6, para cada una de las tres placas. esperar entre 10-15 minutos para dejar que el sistema se estabilice.

9. Registrar datos de temperatura de la placa (Ts) (seleccionando el par térmico con el interruptor) y el radiómetro (R) cada tres segundos para cada una de las potencias indicadas.

Potencia de emisión II: La emisión de superficies radiantes próximas unas a otras afectan la temperatura de la superficie y el calor emitido.

1. Repetir pasos de potencia de emisión de emisión I (1 al 4)2. El radiómetro debe estar a una distancia de 130 mm con respecto a la

fuente de calor totalmente centrado con respecto a la fuente.

3. Conectar cada una de las termocupla de las placas a la consola. Teniendo en cuenta las siguientes combinaciones:

A. Solamente negra.B. Solamente pulida.C. Negra a pulidaD. Negra a negra.E. Pulida a negra.

Nota: La segunda placa metálica está fija a 20mm de la primera por la posición de las ranuras en el soporte.

4. Encender la consola.5. Girar la perilla del control de potencia de la fuente y ubicarla en posición 6,

para cada una de las cinco combinaciones. esperar entre 10-15 minutos para dejar que el sistema se estabilice.

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6. Registrar datos de temperatura de cada placa metálica T1 y T2 y la lectura del radiómetro (R) para las combinaciones establecidas en 3.

7. De tiempo al radiómetro para que se estabilice (a una temperatura de la fuente de calor estable) antes de anotar la lecturas.

5. DATOS

Tabla 1. Ley del inverso cuadrado.

Distancia X(mm) 100 200 300 400 500 600 700

Radiómetro (R) (w/m2)

Tabla 2. Log10 de la distancia y del radiómetroLog10 (X) 2.000 2.301 2.477 2.602 2.699 2.778 2.845

Log10 (R)

Datos para la potencia de emisión I

Tabla 3. Datos para la potencia posición 2.

Tipo de placa

Lecturas Cálculos

Promedio ε

Temperatura (Ts)

Lectura del radiómetro

(R)Ts Tamb qb: 5.59 x R

ε: qb/(σ(Ts4

– Tamb 4))oC W m-2 K K W m-2

Negro mate

Anodizado de plata

Pulida

σ : 5.67x10-8 Wm-2 K-4

7

Tabla 4. Datos para la potencia posición 4.

Tipo de placa

Lecturas Cálculos

Promedio ε

Temperatura (Ts)

Lectura del radiómetro

(R)Ts Tamb qb: 5.59 x R

ε: qb/(σ(Ts4 – Tamb 4))

oC W m-2 K K W m-2

Negro mate

Anodizado de plata

Pulida

σ : 5.67x10-8 Wm-2 K-4

Tabla 5. Datos para la potencia posición 6.

Tipo de placa

Lecturas Cálculos

Promedio ε

Temperatura (Ts)

Lectura del radiometro

(R)Ts Tamb

qb: 5.59 x R

ε: qb/(σ(Ts4

– Tamb 4))oC W m-2 K K W m-2

Negro mate

Anodizado de plata

Pulida

σ : 5.67x10-8 Wm-2 K-4

Datos potencia de Emisión II

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Tabla 6. Datos para la potencia posición 6.

Prueba

Lecturas Cálculos

Promedio ε

Temperatura placa 1 (T1)

Temperatura placa 2 (T2)

Lectura del

radiómetro (R)

T2 Tamb

qb: 5.59 x R

ε: qb/(σ(T24

– Tamb 4))

oC oC W m-2 K K W m-2

A

B

C

D

E

6. MODELO DE CÁCULO

Ley del inverso cuadrado para calorCalculo de la pendiente

Donde

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Potencia de EmisiónExpresión de la ley de Stefan-Boltzmann

Donde

7. CÁLCULOS

Ley del inverso cuadrado para calor

Graficar la distancia del radiómetro (X) vs. La lectura del radiómetro (R) Graficar la distancia del radiómetro (X), log (x) vs. log (R) con esta

transformación debe de obtener una línea recta con pendiente negativa y un valor numérico de 2. Analizar resultados.

Potencia de emisión I

Calcular el calor emitido por la superficie Calcular la emisividad de cada una de las placas Comparar resultados de emisividad con los valores teóricos

Emisividad teórica: Placa pulida: 0.16 Placa anodizada de plata: 0.87 Placa negro mate: 0.98

Realizar un gráfico de potencia vs temperatura. Analizar resultados.

Para obtener la potencia se utiliza:

Qb =5.59*R (w/m2)

Potencia de emisión II

Calcular el calor emitido por cada una de las placas.

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Calcular la emisividad de cada una de las placas. Comparar los resultados obtenidos en cada prueba y explicar las

diferencias en términos de las combinaciones realizadas. Comparar los resultados obtenidos en cada prueba con los resultados

teóricos.

Tabla 7. Resultados teóricos de cada prueba.

PruebaTemperatura placa 1 (T1)

Temperatura placa 2 (T2)

Lectura del radiómetro (R) Combinación

de placasoC oC W m-2

A 197 ---- 451Negra

solamente

B 114 ---- 33Pulida

solamenteC 207 44 8 Negra a pulidaD 197 70 69 Negra a negraE 112 35 14 Pulida a negra

Fuente: Manual experimental de operación y mantenimiento Unidad de radiación térmica H960.

8. PREGUNTAS

¿Qué es el factor de visión, o factor de forma? ¿Qué importancia tiene la transferencia de calor por radiación en los

procesos con celdas solares? Explique brebemente otro fenómeno físico que también cumpla la ley

del inverso cuadrado.

9. REFERENCIAS

Manual experimental de operación y mantenimiento Unidad de radiación térmica H960.

BibliografíaYUNUS A. ÇENGEL, A. J. G., 2011. TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA. cuarta edision ed. mexico: The McGraw-Hill.

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