UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERFacultad de Ingenierías FisicomecánicasIngeniería MecánicaFebrero 07-2014. Bucaramanga, Santander.

LABORATORIO # 3 EMISIVIDAD

SISTEMAS TÉRMICOS

Juan Andrés Díaz RiveroCódigo: 2063450 Grupo:D1

Diego Fernando Rincón ÁlvarezCódigo 2093089 Grupo:B1

William Fagua Lancheros Código: 2094620 Grupo:B1

Cristian Barrera Fernández Código 2093087 Grupo:B1

Juan Camilo MoraCódigo:2083741 Grupo:B1

Fernando Parrado ContrerasCódigo: 2093222 Grupo:B1

INTRODUCCIÓN

Durante esta práctica se abordara el fenómeno de la transferencia de calor por radiación, mecanismo que tiene como propiedad importante el no contacto entre los cuerpos o de un medio para que este ocurra debido a que es instantánea y se puede dar en el vacío.

Es de gran importancia conocer a fondo el fenómeno de la radiación, debido a que actualmente toma una buena posición en el campo laboral , un claro ejemplo de esto se presenta en procesos de industriales de calentamiento, enfriamiento, secado entre otros. Por ello la importancia de esta práctica para conocer mejor las propiedades de este mecanismo de transferencia de calor, en este caso un cuerpo negro y otro brillante.

OBJETIVOS

Observar el comportamiento de dos superfi-cies: uno negro y otro brillante, para hacer una comparación entre ellos y sus propieda-des.

Establecer las diferencias entre los valores hallados experimentalmente de las emisivi-dades respecto a los teóricos.

Demostrar la diferencia de emisividad entre un cuerpo negro y uno brillante.

Estudiar el mecanismo de transferencia de calor por radiación.

MARCO TEÓRICO

Radiación Térmica: es un fenómeno que ocurre como consecuencia de una temperatura finita. Se define como la intensidad con la cual un cuerpo

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emite energía. Esta forma de transferencia de calor no requiere un medio para transmitirse, es más, se transmite con mayor facilidad en el vacío.

En lo que respecta a la transferencia de calor la radiación relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 0,1µm a 100µm, abarcando por tanto parte de la región ultravioleta, la visible y la infrarroja del espectro electromagnético.

Todos los cuerpos negros a una temperatura de-terminada emiten radiación térmica con el mismo espectro, independientemente de los detalles de su composición. Para el caso de un cuerpo negro, la función de densidad de probabilidad de la fre-cuencia de onda emitida está dada por la ley de ra-diación térmica de Planck, la ley de Wien da la fre-cuencia de radiación emitida más probable y la ley de Stefan-Boltzmann da el total de energía emitida por unidad de tiempo y superficie emisora.

Ley de Stefan-Boltzmann: Esta ley permite el cál-culo de la cantidad de radiación emitida por un cuerpo negro sobre todas las direcciones y longitu-des de ondas con el simple conocimiento de la temperatura del cuerpo. Se define como:

Eb=σ∗T4

Donde T, es la temperatura del cuerpo negro y σ es la constante de Stefan-Boltzmann que tiene un valor de 5,67 E−8¿].

Emisividad: Con el concepto ideal de cuerpo ne-gro, podemos ahora considerar superficies rea-les. Recordemos que un cuerpo negro es un emi-sor ideal, ya que ningún cuerpo a la misma tem-peratura es capaz de emitir la misma capacidad de energía que un cuerpo negro. Con esto pode-mos definir una nueva propiedad de una superfi-cie llamada emisividad, la cual es la razón de la radiación emitida por un cuerpo ente la radia-ción emitida por n cuerpo negro.

ε= EEb

La potencia emisiva superficial de un cuerpo di-ferente a uno negro se puede calcular por la si-guiente ecuación:

E=ε∗σ∗T 4

Coeficiente de Emisividad: El coeficiente de emisividad (ε), es un número adimensional que relaciona la habilidad de un objeto real para irra-diar energía térmica, con la habilidad de irradiar si éste fuera un cuerpo negro:

Un cuerpo negro, por consiguiente, tiene un co-eficiente ε = 1, mientras que en un objeto real, ε siempre se mantiene menor a 1

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Coeficientes de emisividad para diferentes objetos reales

Metales T [°C] Ε

Aluminio 170 0.05

Acero -70...700 0.06...0.25

Cobre 300..700 0.015...0.025

Cobre oxidado130 0.73

No metales T [°C] Ε

Madera 70 0.91

Hielo -10 0.92

Agua 10...50 0.91

Papel 95 0.90

La radiación emitida por una superficie real se expresa como una porción de la que emitiría el cuerpo negro y se expresa como:

Donde:

Q = flujo de calor ε = emisividad σ = 5.67 E-8 W / (m2K4) es la constante de Stefan-Boltzmann

As = área superficial del objeto Ts = temperatura superficial del objeto

Medidores de Emisividad: Equipos para la medición de la emisividad de los cuerpos, una importante ayuda para la termografía infrarroja.

El ET10 un medidor de emisividad mediante contacto con el cuerpo a medir

El pyrolaser mide la emisividad sin contacto di-recto con los cuerpos a medir.

Banco de pruebas

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PROCEDIMIENTO

El Banco consta de dos tuberías de igual longitud, diámetro interno y externo, pero de diferente color, una es negra y la otra es gris. Por ellas circula vapor de agua, observaremos como el color que poseen y su emisividad superficial influyen en la transferencia de calor.Hallaremos la emisividad de cada cuerpo según las ecuaciones de este mecanismo de transferencia de calor a continuación y las compararemos con las teóricas.

CÁLCULOS

Ecuaciones

Qtotal=Q conv+Qrad

El calor total se puede calcular como:

La masa de condensado se define como:

Y el calor covectivo:

El área externa:

El coeficiente de convección ambiental:

El calor por radiación.

Qrad=ε∗A∗σ∗(T pared4 −T amb

4 )

Datos domo cerrado

Datos domo abierto

Código empleadoCaso: Domo abierto y superficie brillante

Así se hallo las propiedades del fluido

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Qtotal=mcond⋅(hvapor−hlíquido )

mcond=mvaso−lleno−mvaso

t

Qconv=hamb⋅Aext⋅(T pared−T amb )

Aext=π⋅Dext⋅L

hamb=1,32(Tw−T ambD )0.25

Resultados de mayor importancia en este casoE=Emisividad

Caso: domo abierto y superficie negra

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Para este caso se usa el mismo código cambian-do el valor de la temperatura superficial y la masa del vapor.

Caso: domo cerrado y superficie brillantePara este caso se uso el mismo código cambian-do los valores de la temperatura y agregando la temperatura del domo al calor generado por la radiación, además de los valores en las propieda-des y el tiempo.

Resultados de mayor importancia en este caso

Caso: domo cerrado y superficie negra

Para este caso se uso el mismo código cambian-do valores de temperaturas, tiempo y masa del condensado.

Resultados de mayor importancia en este caso

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Calculando el porcentaje de error nos damos cuenta que la práctica arroja errores relativa-mente aceptables. Para el caso de un cuerpo ne-gro tenemos.Domo abierto

Domo cerrado

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CONCLUSIONES

Se puede constatar por los resultados obtenidos según esta práctica que el va-lor de la emisividad de un cuerpo negro es cercana a 1.Se comprueba experimentalmente que la emisividad del cuerpo brillante es sig-nificativamente menor a la del cuerpo negro.El valor de las emisividad no varía de-masiado para ambos casos (domo abier-to y cerrado). El valor que más cambó fue para la superficie brillante. La super-ficie negra se mantuvo cercano al valor de 1.Los resultados obtenidos experimental-mente de la emisividad fueron los espe-rados, que se encuentran entre 0 y 1.

REFERENCIAS

Emisividad.ppt

Transferencia de calor CENGEL, Yunus A.

Incropera Frank p. fundamentos de transferencia de calor. cuarta edición.

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1.1.

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