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  • 8/19/2019 Reporte-7 Reporte Terminado

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    Laboratorio de

    Bioingeniería

    Práctica # 7 Determinación de los Coefcientes deConductividad Térmica, de Conducción atural ! "orada

    Integrantes:

    $costa %olís &at'ia Paulina (utiérre (uerrero "eli)e (il

    *ernánde (onále +liabet' Bere roco *ernánde +scobar -a'aira

    (abriela

    Fecha de entrega:

    ./011012

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    Resumen

    En esta práctica se determinaron los coeficientes de transferencia de calor por 

    convección para un sistema que constaba de una hielera con un foco dentro de ella el

    cual calentaba dos termómetros que se encontraban a 22cm de distancia. Se determino

    el flujo de calor que emitía el foco por convección y se estudiaron los factores de perdida

    y la transferencia de calor por radiación

    Introducción

    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 en distinto nivel

    energtico. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. !unque

    estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los

    mecanismos predomine sobre los otros dos.

    "a conducción requiere contacto físico entre los cuerpos que intercambian calor, pero en

    la radiación no hace falta que los cuerpos estn en contacto ni que haya materia entre

    ellos. "a convección se produce a travs del movimiento de un líquido o un gas en

    contacto con un cuerpo de temperatura diferente.

    #or ejemplo, el calor se transmite a travs 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 $ierra recibe calor del Sol casi e%clusivamente por 

    radiación &Cengel,2009'.

    1) Conducción

    En los sólidos, la (nica forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un

    e%tremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se

    transmite hasta el e%tremo más frío por conducción. )o se comprende en su totalidad el

    mecanismo e%acto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en

    parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando e%iste una

    . 3 P á g i n a

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    diferencia de temperatura. Esta teoría e%plica por qu los buenos conductores elctricos

    tambin tienden a ser buenos conductores del calor &Kern, 2000 '.

    Fórmulas y leyes

    El flujo de calor conducido a travs de un cuerpo por unidad de sección transversal es

    proporcional al gradiente de temperatura que e%iste en el cuerpo &con el signo cambiado'.

    "a variación de temperatura por unidad de longitud se denomina gradiente de

    temperatura* +$".

    Intensidad de flujo de calor * - +/+!.+t 01m.s3 04attm3 0calcm.h3

    Flujo* 5 +/+t 01s3 04att3 0calh3

    Flujo lineal * 5 6.!.+$" 01s3 04att3 0calh3

    Flujo radial * 5 2.7.6.".+$ln &r 2r 8' 01s3 04att3 0calh3

    Flujo esférico* 5 9.7.6.r 8.r 2.+$ &r 2: r 8' 01s3 04att3 0calh3

    El factor de proporcionalidad se denomina conductividad trmica del material. "os

    materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades trmicas elevadas y

    conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen

    conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y

    se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de

    conducción del calor a travs de un sólido en el que e%iste una diferencia de temperatura

    conocida.

    2) Convección

    Si e%iste 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 for

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    5* flujo de calor 01s3.

    h* coeficiente de convección 0cals.cm.=>3.

     !* superficie de contacto.

    Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El

    líquido más pró%imo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por 

    conducción a travs de la cacerola. !l e%pandirse, su densidad disminuye y como

    resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo,

    con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse

    por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su

    calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. ?e forma similar, en una cámara

    vertical llena de gas, como la cámara de aire situada entre los dos paneles de una

    ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel e%terior &que está más frío'

    desciende, mientras que al aire cercano al panel interior &más caliente' asciende, lo que

    produce un movimiento de circulación.

    El calentamiento de una habitación mediante un radiador no depende tanto de la

    radiación como de las corrientes naturales de convección. ?ebido a la convección, los

    radiadores deben colocarse cerca del suelo &y los aparatos de aire acondicionado cerca

    del techo' para que la eficiencia sea má%ima. ?e la misma forma, la convección natural

    es responsable del tiraje de las chimeneas. "a convección tambin determina el

    movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los

    vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde

    el interior del Sol hasta su superficie &Kern,2000 '.

    3) Radiación

    "a 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, o bien que no e%ista materia entre ellas. "a

    radiación es un trmino que se aplica genricamente a toda clase de fenómenosrelacionados con ondas electromagnticas. !lgunos fenómenos de la radiación pueden

    describirse mediante la teoría de ondas, pero la (nica e%plicación general satisfactoria de

    la radiación electromagntica es la teoría cuántica &Cengel, 2009'.

    5 !.e. @ .$9 01s3 04att3 0calh3

    5* flujo de calor 01s3.

    5 3 P á g i n a

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     !* superficie que emite o recibe.

    e* poder emisor, n(mero no dimensional, que está entre A y 8.

    @ * constante de radiación &@ B,CCDD.8A:.Fm.G9'.

     !lbert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuanti

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    O!"etivos

    O!"etivo #enera$%

    ?eterminación e%perimental de los coeficientes de transferencia de calor en estado

    estacionario de acuerdo al mecanismo predominante, identificando las variables

    involucradas permitindose la discusión en conjunto.

    O!"etivos &articu$ares

    Estimar el tiempo de transición para el proceso de transferencia de calor por 

    conducción a travs de un grafico de temperatura vs tiempo. ?eterminar los coeficientes de transferencia de calor por convección natural

    'ateria$ ( Eui&o

    • $ela de asbesto u otro aislante.

    • Iarras circulares de metales* >obre, latón, bronce.

    • Kesistencia de calentamiento arrilla de calentamiento como opción'.

    •  !dquisitor de datos con 2 termopares &$ermómetros con escala a 9AA=>'.

    • Loco de CA F

    • Soc6et, cable duple% &2 mts.', enchufe

    • Hultímetro

    • #otenciómetro

    • Mentilador 

    • Mernier 

    • Lle%ómetro

    • Ialan

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    $rmardis)ositivo

    ! confgurarcon

    7recuenciade muestrode 1 datocada 48

    seg )or 1.min

    %e)arartermo)ares

    , uno encontacto

    consu)erfciedel 7oco !

    el dosale9ado del

    7oco

    $ccionarsimultánea

    mentead:uisitorde datos !resistencia

    decalentamie

    nto

    ;egistrardatos

    El sistema usado para el desarrollo de la trasferencia de calor con convección natura y

    radiación, consistió de una hielera de poliestireno, a la cual se le introdujo un foco de CA

    F y dos termómetros, como se puede observar en la Ligura 8.

    Fi#ura 1% Descri&ción de$ sistema &ara convección *or+ada

    'etodo$o#,a

    Determinación e-&erimenta$ de$ coe*iciente de trans*erencia de ca$or &or 

    convección natura$

    Resu$tados

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    $abla 8 Kesultados obtenidos de la temperatura de superficie del foco y de la temperaturadel aire al paso del tiempo

    t .min) Ts . /C) T 0./C) T

    2C 2C A

    1 9B 9A B

    1% B8 9 O

    2 B B2 C

    2% CC BP D

    3 PA C2

    3% PB CC D

    4 PD PA D

    4% O P9 D

    P P D

    % D8 PD 82

    5 D2 2 8A

    5% DB 9 88

    6 DP C 88

    6% DD 88

    7 8A8 DA 88

    7% 8A2 D2 8A

    8 8A9 DO 88

    8% 8AB D9 88

    1 8AC DB 88

    1% 8A DP 88

    11 8AD D 8811% 88A DD 88

    12 88A 8AA 8A

      75%273333 66%733333

     ! partir de los datos anteriores se reali

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    8 . 5 / < 18 1. 158

    .8

    58

    /8

    C?

     T in =>C?

    Tiempo (min)

    Temperatura (C°)

    9ra*ica 1% Cam!io de $a tem&eratura de su&er*icie ( de$ medio res&ecto a$ tiem&o

    Convección natura$

     ! partir del promedio de la temperatura de superficie del foco y de la temperatura del

    medio se determina la temperatura de película

    Tf =Ts+T ∞

    2

    Tf =86.2083333+77.0833333

    2

    Tf =81.64583333

    Se obtienen las propiedades del aire a la temperatura de película obtenida

     ρ=0.9948575 kg

    m3

    k =0.02969  W 

    m K 

     Pr=¿ A.P8BAO

    ν=2.11412 x10−5 m

    2

     K 

    @ 3 P á g i n a

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     β=  1

    Tf  ( K )=

      1

    273.15+81.6458333=2.8185 x10−3 K −1

     ! partir de las propiedades anteriores se obtiene el )(mero de Jrashof &Jr'

    Gr=gβ (T S−T ∞ ) Lc

    3

    ν2

    2.11412 x 10−5m

    2/ K ¿¿¿

    Gr=(9.81m /s)(2.8185 x10−3 K −1)(86.2083333C°−77.0833333C° )(0.23m)3

    ¿

    Gr=6868295.59

    )(mero de Kayleigh

     Ra=GrPr

     Ra=(6868295.59)(0.71503)

     Ra=4911091.77

     ! partir de la siguiente correlación de )usselt para recintos cerrados propuesta por 

    Ier6ovs6y y #olevi6ov &8DPP'

     Pr

    0.2+ Pr Ra¿0.29

     Nu=0.18 ¿

    0.71503

    0.2+0.715034911091.77 ¿0.29

     Nu=0.18 ¿

     Nu=14.61000679

     ! partir de la ecuación de )usselt de determina el coeficiente de calor

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     Nu= Lc h

    h= Nu k 

     Lc

    h=(14.6100679)0.02969

      W 

    m K 

    0.23m

    h=1.88636489W  /mK 

     ! partir del coeficiente de calor se determina la prdida de calor por convección natural

    Qconv=h A(T S−T ∞)

    Se determina el área de la hielera

     A=0.443025m2

    Qconv=(1.88636489W  /m2 K )(0.443025m2)(9.125 K )

    Qconv=7.62582459W 

    Discusión de resu$tados

    "a convección se fundamenta en el movimiento de un fluido asociado al hecho de que, en

    cualquier instante, grandes n(meros de molculas se mueven de forma colectiva, de ahí

    que dicho movimiento en presencia de un gradiente de temperatura, contribuya a la

    transferencia de calor.

    ?urante el desarrollo de la práctica se trabajó con convección libre &o natural', donde el

    flujo inducido por fuerengel, 2AAC'.

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    >omo se pudo observar en los datos obtenidos deT s  y

    T ∞ , laT s   es mayor que

    T ∞ . ?e acuerdo con lo encontrado en la literatura, en cualquier caso dondeT s R

    T ∞ , ocurrirá la transferencia de calor por convección entre la superficie y el flujo

    e%terior &ncropera, 8DDD'.

    En este caso se usó como fluido el aire, el cual en los sistemas de transmisión de calor,

    es un elemento totalmente pasivo, que no ejerce ninguna función fundamental en los

    resultados trmicos.

    ?urante la práctica tambin se presenta la transmisión de calor por radiación, debido a

    que este fenómeno se fundamenta en que las sustancias que intercambian calor no tienen

    que estar en contacto, por lo que pueden estar separadas por un vacío, donde el calor es

    transmitido por ondas electromagnticas &Horan y Shapiro, 2AAB'. ?e acuerdo a la ley de

    Stefan:Iolthamarro, 2AAB'.

    Q tomando en cuenta que el poliestireno posee un índice de emisividad de A.DA &DAT'

    &Emisividad, lista de materiales', lo cual indica que su reflectividad o capacidad de reflejar 

    calor radiante es de A.8A &8AT'. >omo nos podemos dar cuenta poliestireno tiene una

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    que afectará la naturaleengel, 2AAC'.

    3% :Cu

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    • Emisividad. "ista de materiales. Kecuperado el 22 de )oviembre de 2A8B de*

    https*444.infraredheaters.commanual8O.pdf 

    • ncropera #. Lran6. 2AAA. Lundamentos de transferencia de calor. 9ta. Edición.

    Editorial #KE)$>E 5!"", H%ico. #ágs.B8B, 9O, C9C.

     

    Gern, ?onald. #rocesos de $ransferencia de >alor .  Ora Edición. #rocess 5eat

    $ransfer • Horan y Shapiro. 2AAB. Lundamentos de $ermodinámica $cnica. Editorial

    Kevert.

    • $ransferencia de >alor. Kecuperado el 2O de )oviembre de 2A8B de*

    http*444.fisicanet.com.artermodinámicaapAWtranferenciaWdeWcalor.pdf 

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