FUNDACION UNIVERSIDAD DE AMERICAFACULTAD DE INGENIERIAINGENIERIA QUIMICATransferencia de calor 1PRACTICA: Aislamiento térmico. Grupo 2, subgrupo 2Profesor: Álvaro Bermúdez Presentado por:

________________________ LUIS JORGE CRUZ REINACod. 6092265

________________________LAURA MONTAÑO GILCod.

________________________CAROLINA Cod.

________________________PAOLA RUIZ UBAQUECod. 6072069

________________________JUAN SEBASTIAN GALINDOCod.

Fecha:__________________ Hora:___________

OBJETIVO GENERALAnalizar el fenómeno de transferencia de calor en ausencia de aislamiento y con la presencia de aislamientos, teniendo en cuenta el tipo de materiales (conductividad térmica) y espesor.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Realizar el montaje de un sistema aislado y no aislado.2. Analizar los efectos de los materiales como conductores o no conductores.3. Determinar la resistencia conductiva.4. Identificar la presentación y características de los aislamientos comerciales

(catálogos y usos).

MARCO TEORICO

El aislamiento teórico se define como la capacidad de los materiales para bloquear en cierta medida el paso del calor por fenómeno conductivo, que se modela con la

expresión q=∆TR

, relacionando así la resistencia termina que posee el material.

Gracias a esta relación es posible relacionar el calor transferido con un cambio en la energía interna para así junto con el área poder obtener la resistencia conductiva del material en cuestión, como se ve en la expresión

dudτ

=m⋅c pdTdτ

≈q=k⋅A ΔTΔx

Esta energía es cedida por el sistema a sus fronteras y de esta forma cambia su temperatura.

TABLAS DE RESULTADOS.

Tabla 1. Diámetros, constantes y masaK W/mK= 50h agua (W/m2 K) 100Rcv (W/m2 K)-1= 0.000329513Rcd 1 (W/mK)-1 1.90036E-05Rcv2= No halladaD ext (m) 0.084D int (m) 0.0835x corcho (m) 0.002L (m) 0.115Volumen (m3) 0.000547599Densidad Kg(m3) 1000Masa (Kg) 0.547599234

Tabla 2. Resultados sin aislamiento.

t (seg) T sup T liquido ΔTCalor transferido

(W/m2)0 32 55 23 65993.91675

20 32 55 23 65993.9167540 33 55 22 63124.6160260 33 54 21 60255.3152980 33 54 21 60255.31529

100 33 54 21 60255.31529120 34 54 20 57386.01456140 34 53 19 54516.71383160 34.5 53 18.5 53082.06347180 34.5 53 18.5 53082.06347200 34.5 53 18.5 53082.06347220 34.5 52 17.5 50212.76274240 34.5 52 17.5 50212.76274

260 34.5 52 17.5 50212.76274280 34.5 52 17.5 50212.76274300 34.5 52 17.5 50212.76274320 34.5 51 16.5 47343.46201340 35 51 16 45908.81165360 35 50 15 43039.51092380 35 50 15 43039.51092400 35 50 15 43039.51092420 33.5 50 16.5 47343.46201440 33.5 50 16.5 47343.46201460 33.5 50 16.5 47343.46201480 33.5 50 16.5 47343.46201500 34 49 15 43039.51092520 34 49 15 43039.51092540 34 49 15 43039.51092560 34 48 14 40170.21019580 34 48 14 40170.21019600 34 48 14 40170.21019

Tabla 3. Resultados con el aislamiento.

t (seg) T sup T liquido ΔTCalor transferido

(W/m2)0 44.5 78 33.5 0

20 47 77 30 3434.51501940 49 75 26 2976.57968360 50.5 75 24.5 2804.85393280 52.5 75 22.5 2575.886264

100 52 74 22 2518.644347120 52 73 21 2404.160513140 52 73 21 2404.160513160 52.5 72 19.5 2232.434762180 52.5 71.5 19 2175.192845200 53 71 18 2060.709011220 53 71 18 2060.709011240 53 70 17 1946.225177260 53 70 17 1946.225177280 53 70 17 1946.225177300 52 69 17 1946.225177320 51.5 69 17.5 2003.467094340 51.5 68 16.5 1888.98326360 51.5 67 15.5 1774.499426380 51.5 67 15.5 1774.499426400 51.5 67 15.5 1774.499426

420 50 65 15 1717.257509440 50 65 15 1717.257509460 50 65 15 1717.257509480 50 65 15 1717.257509500 50 65 15 1717.257509520 50 64.5 14.5 1660.015592540 49 64.5 15.5 1774.499426560 47 64 17 1946.225177580 47 63 16 1831.741343600 46.5 63 16.5 1888.98326

ANALISIS DE RESULTADOS

1. Como se puede observar en las tablas, la conductividad térmica es inversamente proporcional a la T.

2. El sistema alcanza un comportamiento casi constante después de los 400 segundos, todo sistema busca el equilibrio.

3. El calor transferido es mayor cuando el cambio de la temperatura es mayor, (fuerza impulsora) y disminuye cuando esta pasa el tiempo.

4. Hay un evidente cambio del comportamiento cuando se compara un sistema con aislamiento y sin aislamiento.

5. Cuando el sistema llegue al equilibrio las líneas de temperatura van a estar muy cercanas en la grafica 1.

6. El sistema aislado muestra una disminución en la brecha entre temperaturas, lo que evidencia una transferencia de calor menor, disminuye la fuerza impulsora.

7. En ambos sistemas se ve una transferencia de energía. 8. Es muy difícil conseguir un aislamiento perfecto. 9. La transferencia de energía se disminuye a la mitad gracias al aislamiento. 10. Con el sistema aislado hay una mayor diferencia de temperatura, pero el

material hace que no haya una conducción eficiente (cuando se trata de aislante) por lo tanto la energía en el fluido no se escapa con la misma rapidez que en un sistema no aislado.

CONCLUSIONES

1. Es importante conocer la diferencia entre sistemas aislados y no aislados, industrialmente las pérdidas de energía son indeseables y aumentar los costos de producción además de no contribuir al cuidado ambiental. Gracias a esta rama de la termodinámica es posible reducir costos relacionados a ineficiencias en transferencia de energía.

2. El montaje del sistema aislado debe realizarse cuidadosamente, es necesario que los materiales tengan el mayor contacto posible y asegurar que el aislante permanezca en su lugar. De estos factores depende la

eficiencia del aislamiento, pudiendo ser de hasta un 50% menos de perdida de energía, muy determinante en un proceso por ejemplo de evaporación.

3. Dependiendo del material utilizado para el aislamiento se obtienen diferentes efectos, un material como el fommi con una conductividad térmica de 0,01 W/m K resulta mas eficiente que el corcho utilizado por nosotros con una conductividad de 0.11 W/m °C, para aislamiento.

4. Determinar la conductividad térmica es sumamente importante, pues todos los materiales se comportan teóricamente y bajo ciertas condiciones de una forma, pero factores como el contacto que tenga con el otro material por ejemplo, va a cambiar este comportamiento. Siempre debe corroborarse esta información en una situación donde sea necesario un aislamiento.

5. La constante de conductividad térmica en la practica fue de 0.1187WmK

para

un material de corcho, teóricamente este valor es de 0.30WmK

, pero

probablemente el material utilizado, es mas poroso que un corcho para tablero, por lo que transfiere mas pobremente la energía, por lo tanto materiales porosos son ideales como aislantes.

6. El fommi, la espuma y el corcho (mas poroso), son ideales para aislar

medios, siendo el mejor la espuma con una k de 0.026WmK

, oponiéndose

mas a esta transferencia de energía.

ANEXOS

1. Sin aislamientoPara hallar el flujo de calor se utilizo la ecuación

q= ∆TRcv+Rrd

Para hallar las resistencias correspondientes se utilizo la geometría cilíndrica, correspondiente al recipiente.

Rcd=

ln( r2r1 )2π k

Rcv=1

h2 π r2L

Para el primer valor hallado:

Q= 23

ln( 0.0420.0417 )2 π (50)

+ 1h2π 0.042(0.115)

=65993.9 Wm2

Para resolver se tuvo en cuenta la temperatura en K, solo que no se especifica en la tabla para no hacer mas largo el informe.

2. Con aislamientoLa idea es hallar el K del material aislante por lo que partimos de que la variación de la energía interna es igual al calor

∆u∆ τ

=C pmH 2O∆T∆τ

=q

Para la segunda fila, entonces

Q=4181,3 JKgC

(0.54Kg ) (30 ° C )20 seg

=3434.51 Wm2

3. Determinación de k

Q=C pmH 2O∆T∆ τ

= ∆TRcv+Rrd+¿ Rc d

(1)

Rcd 2=

ln( r2r3 )2π k L

Se despeja de la ecuación 1 “k”

k=( ln( r3r2 )∆τCpm

−Rcv−Rcd )(2πL)

Finalmente.

k=( ln( 0.0430.042 )6004181,3

−(0.00032)−(1.9 x10−5 ) ) (2π (0.115 ) )=0.1187 WmK

CUESTIONARIO

1. Explique la diferencia entre un sistema estacionario y uno transitorio.

Estacionario, Se dice que el sistema se encuentre en estado estacionario (estable, régimen permanente) si sus propiedades no varían con el tiempo.

No estacionario, Si las propiedades o condiciones de un sistema cambian con el tiempo, el sistema se encontrara en estado estacionario o no transitorio.

2. Grafique la variación de la temperatura con el tiempo T vs .

0 100 200 300 400 500 600 7000

10

20

30

40

50

60

T vs tiempo Sin aislamiento

T supT fluido

t seg

T ( C

)

Grafica 1

0 100 200 300 400 500 600 7000

102030405060708090

T vs tiempo con aislamiento

T liquidoT superficie

t segundos

T ( C

)

Grafica 2

3. Escriba los modelos matemáticos diferenciales que interpretan el fenómeno (aproximación matemática) y los modelos matemáticos de aplicación o desarrollados.

Puesto que la conducción de calor es principalmente un fenómeno molecular se utiliza la siguiente ecuación que fue establecida por primera vez en 1822 por Furier en la forma en la forma

qxA

=−kdTdx

Donde:

qx: Rapidez de la transferencia de calor en la dirección x A: area normal a la dirección del flujo de calor dT/dx: Gradiente de temperatura en la dirección x k: conductividad térmica qx/A: flujo de calor en la dirección xEn particular existe una analogía entre la difusión de calor y la carga eléctrica de la misma manera que se asocia un resistencia eléctrica con la conducción de electricidad, se a socia un resistencia térmica con la conducción de calor. Al definir la resistencia como la razón de un potencial de transmisión a la transferencia de calor correspondiente se sigue la ecuación de la resistencia térmica para la conducción

Rt cond=Ts1−Ts2

qx= LkA

4. Describa las principales características que debe exhibir un material de aislamiento térmico.Los materiales aislantes tienen la función de evitar el contacto entre las diferentes partes conductoras (aislamiento de la instalación) y proteger a las personas frente a las tensiones eléctricas (aislamiento protector)

Resistencia muy elevada No ser inflamables. No deben ser higroscopicos, es decir no absorber agua (humedad). Ser resistentes al calor, es decir poder alcanzar determinadas

temperaturas sin deformarse. Es importante que la permitividad relativa de los aislantes sea pequeña,

pero por otro lado los aislantes empleados como dieléctricos en los condensadores deberán presentar una gran permitividad.

BIBLIOGRAFIA

WELTY, Fundamentos de transferencia de momento, calor y masa. Limusa. Pag 306.

INCROPERA. Fundamentos de transferencia de calor. Ed Pearson Hall, Págs. 45-48, 212-215

Capitulo 1, Intercambiadores de calor. Recurso online http://cdigital.dgb.uanl.mx/te/1020145448/1020145448_02.pdf.