8/11/2019 Sistema de Verificacin de Conductividad Trmica para Transferencia de Calor

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UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PANAMA. TRANSFERENCIA DE CALOR. JULIO 2014 i

Sistema de Verificacion de ConductividadTermica para Transferencia de Calor

Antony Garca Gonzalez, Miguel Moreno, y Alan ParedesFacultad de Ingeniera Electrica, Universidad Tecnologica de Panama, Sede Azuero.

ResumenCon el proposito de confeccionar equipos utiles para la comprobacion de los principios basicos de

Transferencia de Calor, se ha intentado construir un dispositivo capaz de mostrar la evolucion de la temperatura en

funcion del tiempo en el interior de una caja parcialmente aislada. El proyecto consiste en una caja revestida con fibra

de vidrio en su interior con una pequena zona sin recubrimiento, donde se espera que haya una mayor conduccion

de calor debido a una resistividad termica mas baja que en el area cubierta por fibra de vidio. Utilizando sensores

de temperatura, tanto en el interior como en el exterior de la caja, la ayuda de un microcontrolador y la asistencia de

un software especial se espera graficar en tiempo real la evoluci on de la temperatura en el dentro y fuera de la caja

a medida que se genera calor por medio de una resistencia en el interior del sistema. Con la ayuda de una c amara

termografica se pretende mostrar graficamente el comportamiento de la temperatura en las superficies exteriores de la

caja.

Palabras ClaveTransferencia de Calor, aislantes y conductores termicos, resistencia termica, conduccion de calor

1 INTRODUCCION

En transferencia de calor se habla del

concepto de conductividad termica 1

. Esbien conocido que la fibra de vidrio, entrelos aislantes termicos, presenta un excelenterendimiento. Su conductividad termica oscilaaproximadmente entre 0.03 y 0.04 W/mK 2. Seha propuesto la construccion de una caja demadera con un revestimiento interno de fibrade vidrio con el proposito de crear lo mascercano a un sistema aislado. En un principiose ha pensado crear una estructura con unaparte no aislada, intercambiable. El proposito

sera inyectar energa dentro del sistema pormedio de una resistencia elecrica. La energaque se introduce al sistema estara dada por lasiguiente ecuacion.

Los autores son estudiantes de la Facultad de Ingeniera Electricaen la carrera de Licenciatura en Ingeniera Electromecanica enla Universidad Tecnologica de Panama. Cursan estudios en elCentro Regional Universitario Tecnologico de Azuero.

Documento emitido en julio 8, 2014

1. Transferencia de Calor y Masa. Cengel, Yunus. 4 edicion.Pagina 106

2. Fundamentos de Transferencia de Calor. Incropera, Franky De Witt, David. Ano 1999, pagina 834

Eentrada=

t0

IV dt (1)

donde I es la corriente que consume laresistencia y V es la diferecia de potencial entrelas terminales de la resistencia electrica.

Si el sistema se ecuentra aislado en sutotalidad, entonces se supone que la energadebe permanecer contenida en el interiorde la caja. La temperatura debe aumentardrasticamente segun la siguiente expresion:

Eentrada= Eentrada Esalida

Eentrada Esalida = mCpT (2)

donde m es la masa del aire en el interior dela caja, Cp es el calor especfico del aire y Tes la diferencia de temperatura en el interiorde la caja. En un mundo perfecto, las perdidasa traves de la fibra de vidrio seran nulas. Si lacaja estuviese aislada en su totalidad, la Esalidasera nula. Si a proposito de deja una parte de lacaja sin la cubierta de fibra de vidrio entonces

la transferencia de calor se llevara a cabo atraves de la zona desprotegida.

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Con la ayuda de sensores de temperaturaes perfectamente posible hacer medicionesde temperatura sobre superficies. Si se colocaun sensor en la superficie interior del area

desprotegida y otro sensor en la superficieexterior se obtendra una diferencia detemperatura,T. Por medio de la ecuacion deconduccion de calor 3, es posible determinarla energa que sale del sistema.

Qparedplana= kT

L (3)

donde k es la conductividad termica delmaterial y L es el grosor de la pared de la caja.

A partir de estas experiones es posibledeterminar una ecuacion para expresar laconductividad termica del material en funcionde la diferencia de temperaturas entre lasuperficie interior y la superficie exterior. 4

(IV kT

L )(t) =mCpT

k= L(IV(t) mCpT)

T(t) (4)

2 OBTENCION DE LOS DATOSREQUERIDOS

Para el calculo de la masa de aire se cuenta conel volumen

Por medio de un microcontrolador,especficamente un dispositivo de lafamilia ATMEL, en este caso, Arduino, esposible hacer mediciones muy precisasde temperatura. Se requiere de sesores dealta precision y con amplios rangos de

temperatura. Existe el modelo DS18B205 que se ajusta a las caractersticas yamencionadas.

Para el calculo de la masa de aire secuenta con el volumen de la masa deaire contenida, que es proporcionado por

3. Transferencia de Calor y Masa. Cengel, Yunus. 4 edicion.Pagina 107, ecuacion 2-76

4. Como se trata de una caja relativamete pequena, se puedeconsiderar que la temperatura interior es uniforme y que latemperatura de la superficie interior es la misma que la dela masa de aire contenida en la caja, por lo que se puededespreciar la conveccion en el interior.

5. http://datasheets.maximintegrated.com/DS18B20.pdf

la geometra de la caja. El dispositivoconsidera condiciones ambientales localescomo la presion barometrica, de la cualdepende la densidad del aire que es

necesaria en el calculo de la masa La longitud de la pared se obtiene

haciendo mediciones simples. El calor especfico es una propiedad dada

en tablas. Las mediciones de corriente y voltaje se

llevan a cabo por un sensor de Efecto Hall6, capaz de medir tanto corriente comovoltaje y hacer el calculo de potencia yenerga.

El tiempo se calcula por medio de un

microcontrolador que a la vez hace loscalculos de potencia y energa introducidaal sistema. El mismo se encarga decontrolar el encendido de la resistencia pormedio de un reelevador.

3 CONFECCION DEL PROTOTIPO

Fig. 1. Diseno inicial de la caja de madera

Se trabajo en base a madera debido a lafacilidad con la que se puede manipular, ladisponibilidad local y el hecho de que se cuentacon los equipos necesarios para trabajarla. Las

6. http://es.wikipedia.org/wiki/EfectoHall

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dimensiones propuestas para la caja fueron de30 cm de ancho por 30 centmetros de largo por30 centmetros de alto. El grosor de las paredesde madera escogido fue de 5/8 pulgadas 7.

Se aplico la fibra de vidrio sobre dossuperficies de madera que eventualmenteterminaran costandose para formar las tapasde la caja. Sobre una de las caras se hizo unaincision de tal forma que un peqeno espacio(10 x 10 cm) quedo sin la proteccion de la fibrade vidrio.

Fig. 2. Aplicacion de la Fibra de Vidrio

Fig. 3. Interior de caja con fibra de vidrio

Dentro se coloco un sensor de temperatura yuna resistencia electrica de 650 Watt. La caja fuesellada con silicon y resina de fibra de vidrio.Se instalaron los sensores en una de las paredesde la caja de tal forma que se pudiese medir lastemperaturas en tiempo real.

Las lecturas de temperatura se llevan a cabo

7. Estas dimensiones se han utilizado debido a que ya secontaba con madera con dichas proporciones y fue mas faciltrabajar en base a lo que ya se tena.

Fig. 4. Fibra de vidrio endurecida por resina

con la asistencia de un software disenado en

Java para este proposito.

4 INCONVENIENTES EN LA OBTENCIONDE RESULTADOS

Debido a que la fibra de vidrio se comprimeluego de ser aplicada sobre la superficie, las4 yardas que se utilizaron para revestir elinterior de la caja simplemente proporcionaronun espesor de aproximadamente 0.5 cm. Esto,

segun la ecuacion de conduccion es insuficientepara considerar la caja un sistem aislado.Para un grosor de capa de fibra de vidrio

de 0.5 cm cm, el siguiente grafico muestra lasperdidas de calor a traves de el recubrimientode fibra de vidrio.

Se muestra claramente que las perdidas

crecen muy rapidamente a medida queaumenta la temperatura interior.

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5 REDEFINICION DEL CONCEPTO

Producto de las perdidas de calor, se decidiomostrar el principio de conduccion de calorcontrastando la madera frente a la fibra devidrio. Con el apoyo de los sensores instaladosy con una camara termografica disponible enel Centro de Estudios Universitarios.

6 RESULTADOSOBTENIDOS

Luego de efectuadas las pruebas sobre elfuncionamiento del aparato se ha obtenido unaimagen termografica de la conduccion de caloren la caja.

Fig. 5. Concentracion de calor en el cuadrantesin fibra de vidrio

Fig. 6. La caja con los puntos calientes. Seobserva una laptop sobre la caja. Foto tomadamientras se efectuaban pruebas con el software

Se observa claramente que hay una mayortemperatura en una zona especfica de la caja.Este recuadro que aparece en colores rojizos

representa el punto donde no se aislo con fibrade vidrio. El crecimiento de la temperatura es

mas lento en las superficies revestidas, lo quees constante con la teora de que superficies conmayor conductividad termica, como la madera,se calientan mas rapido que aquellas donde

hay mayor resistencia al paso del calor.El software que grafico los datos obtenidos

en el muestreo presento los siguientesresultados.

El crecimiento de la temperatura interior fuemuy rapido. La superficie sin aislante crecioa una tasa mas lenta, aunque mayor que latemperatura en las otras superficies donde sse coloco la fibra de vidrio

7 CONCLUSION

Al haber llevado a cabo el ensayode construccion y comprobacion delfuncionamiento de un dispositivo paraexplicar los conceptos de conduccion yresistencia termica en transferencia de calor seconcluye lo siguiente:

La transferencia de calor se produjo de unaforma mucho mas rapida en la superficiesin recubrimiento de fibra de vidrio. Estodemuestra que a menos conductividadtermica, mayor resistencia al paso delcalor y menor aumento en la temperaturasuperficial de la cara contraria a donde seencuentra la mayor temperatura.

A pesar de la pobre conductividad termicade la fibra de vidrio, una capa de 0.5 cmes insuficiente para que el sistema pueda

ser considerado como un sistema aislado.Si se desea aislar el interior de la caja de

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tal forma que la transferencia de calor seanula o muy poca, se debe contar con almenos 5 cm de espesor de fibra de vidrio.

Debido a la imposibilidad de considerar la

caja de madera como un sistema aislado,no es posible encontrar la conductividadtermica, por lo que el proposito inicial delensayo no se cumplio

Los sensores DS18B20 son losuficientemente sensibles para registrarcambios en la temperatura superficialde los cuerpos. Mas sensores colocadosen diferentes posiciones, tanto en elinterior como en el exterior de la camarapermitiran al Centro Universitario

contar con un equipo capaz de mostrargraficamente el comportamiento de latransferencia de calor, especficamente losconceptos de conduccion y resistenciatermica.

Mas y mejores equipos para brindarle unmejor acabado a este proyecto requiere deinversiones economicas. Con la tecnologanecesaria es posible mejorar el aislamientode la caja y proporcionar un mejordesempeno en tiempo de ejecucion.

RECONOCIMIENTOS

Se le agradece al Ingeniero Carlos Cedeno,profesor de Transferencia de Calor en laUniversidad Tecnologica de Panama, sedeAzuero, por su apoyo durante la fase deidealizacion y por la motivacion para disenareste proyecto.

REFERENCIAS

[1] Yunus Gengel and Ashfin Ghajar, Transferencia de Calor yMasa. Universidad de Nevada, Estados Unidos. EditorialMcGraw Hill, Cuarta Edicion. Ano 2011. ISBN: 978-607-15-0540-8

[2] Frank Incropera and David De Witt, Fundamentos deTransferencia de Calor. Editorial Pearson Prentice Hall,Cuarta Edicion. Ano 1999. ISBN: ISBN: 907-17-0170-5

Antony Garca Gonzalez Estudiante de Licenciatura en

Ingeniera Electromecanica, Universidad Tecnologica dePanama, sede Azuero. Actualmente cursa el septimo semestrede la licenciatura.

Alan Paredes Estudiante de Licenciatura en Ingeniera

Electromecanica, Universidad Tecnologica de Panama, sede

Azuero. Actualmente cursa el septimo semestre de la

licenciatura.

Miguel Moreno Estudiante de Licenciatura en IngenieraElectromecanica, Universidad Tecnologica de Panama, sedeAzuero. Actualmente cursa el septimo semestre de lalicenciatura.