Transmisión de calor

Termodinámica. Ecuación general de la conducción del calor. Coeficiente de conductividad. Transmisión térmica superficial

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PRACTICA 3

ESTUDIO DE LA TRANSMISIÓN DE CALOR CON EL APARATO ET-100

INTRODUCCIÓN TEORICA.

La conducción se produce por una diferencia de temperaturas existente entre dos sistemas o entre dos partes de un sistema. La energía se transmite por contacto directo entre particulas. El flujo de calor de dirige de la región de mayor temperatura a la de menor.

Ley de Fourier. Ecuación general de la conducción

j = ·"t

para el caso particular de una placa plana la ecuación queda:

q = Q/S = ·(t1-t2)/e = C·(t1-t2) = (t1-t2)/R

donde:

 = Conductividad

C = Conductancia térmica

R = Resistencia térmica

La convección es debida a los movimientos de masa que tienen lugar dentro de un fluido. La transmisión de energía entre las partículas del fluido sigue el mecanismo de la conducción, pero el transporte de energía a lo largo del espacio se debe, sobre todo, al movimiento macroscópico del fluido.

Se distingue dos tipos de convección:

Natural. Provocada por las diferencias de densidad que existen en un fluido debidas a diferencias de temperatura.

Forzada. Provocada por una causa mecánica externa.

Para determinar el intercambio térmico entre la superficie de un sólido y el fluido que lo rodea, se define, en primer lugar, un coeficiente de convección (hc):

q= Q/S = hc (ts -tg )

donde:

q = flujo de calor por convección entre una superficie y un fluido

ts= temperatura superficial del sólido

tg= temperatura de la masa del fluido alejada de la superficie.

hc= coeficiente de convección

EJECUCIÓN DE LA PRÁCTICA

Vamos a calcular el coeficiente de conductividad del corcho. Para ello calcularemos, en régimen estacionario, el flujo de calor que pasa a través de una placa de corcho. Una vez evaluado, y sabiendo la superficie (S), espesor (e) y la diferencia de temperaturas existentes entre la parte interior y exterior de la placa, podemos calcular el coeficiente de conductividad, , a partir de la ley de transmisión de calor por conducción.

Q = [ .S.(tp-ts)] / e

Colocamos el corcho sobre la placa calefactora y fijamos la temperatura de la placa (tp = 40º). Aislamos el otro lado de la placa de forma que podamos considerar que todo el calor se transmite a través del corcho.

La potencia suministrada a la placa para mantener la temperatura es la que a atravesado el corcho, Q.

En la placa calefactora tiene lugar un proceso cíclico. Cuando la temperatura baja, la resistencia se conecta hasta que vuelve a alcanzarse la temperatura ts. El valor de este tiempo,, viene dado por el número que aparece sobre el marcador “tiempo de calefacción”. El número sobre “tiempo del ciclo” sigue corriendo hasta que la resistencia vuelve a conectarse por haber vuelto a bajar la temperatura. Al tiempo total transcurrido lo llamamos c.

Tabla de datos

tp (ºC)

40

40

40

ts (ºC)

28.5

29

28.75

t

11.5

11

11.25

 (s)

11.712

11.161

10.481

c (s)

61.3

59.829

55.537

=/c

0.191

0.1865

0.1887

Wmax =V2/R

39.34

39.18

38.34

W=Q=Wmax .

7.5163

7.307

7.2356

=e.W/St

0.05314

Material: corcho Espesor: 0.05m

Longitud lado: 0.275m Superficie: 0.0615m2

Vamos a calcular el coeficiente de transmisión térmica superficial, h, entre una superficie plana y el aire en reposo. El método de cálculo es similar al caso de la lámina de corcho.

Para calcular el valor de h tendremos en cuenta que la transmisión de calor de la placa al aire tiene lugar simultáneamente por convección y radiación. El coeficiente conjunto (h= hr+hc) lo calcularemos teniendo en cuenta la potencia que es necesario suministrar para que la temperatura de la placa permanezca constante y aplicando la expresión:

Q = h.S.(tp-ta)

Repetiremos los cálculos para distintas inclinaciones:

Horizontal:

tp (ºC)

40

40

40

ts (ºC)

21.25

21.45

21.05

t

18.75

18.55

18.95

 (s)

10.258

10.618

9.898

c (s)

52.337

52.548

52.126

=/c

0.195

0.202

0.1899

Wmax =V2/R

39.28

39.54

39.02

W=Q=Wmax .

7.6596

7.987

7.4099

h=Q/S·(tp-ta)

6.6453

Vertical

tp (ºC)

40

40

40

ts (ºC)

20.5

20.5

20.75

t

19.5

19.5

19.25

 (s)

12.394

12.178

12.610

c (s)

48.944

49.076

48.812

=/c

0.2532

0.2481

0.2583

Wmax =V2/R

39.56

39.99

39.13

W=Q=Wmax .

10.016

9.921

10.107

h=Q/S·(tp-ta)

6.6453

Superficie cilíndrica:

Calcularemos ahora el coeficiente de transmisión térmica superficial entre una superficie cilíndrica y el aire. Utilizamos una capa calefactora con revestimiento negro que colocamos en el interior de un tubo aislado con poliuretano de diámetro interior 9.5cm y altura 29 cm.

Fijamos una temperatura de 40ºC en el regulador.

Convección natural:

tp (ºC)

40

40

40

ts (ºC)

20.7

20.5

20.9

t

19.5

19.5

19.25

 (s)

5

4.4

4.1

c (s)

18

19.7

22.6

=/c

0.277

0.223

0.227

Wmax =V2/R

52.6

50.3

54.9

W=Q=Wmax .

11.94

11.2169

12.426

h=Q/S·(tp-ta)

8.18

Convección forzada.

tp (ºC)

40

40

40

ts (ºC)

20.8

20.8

20.8

t

19.5

19.5

19.25

 (s)

6

6.2

5.8

c (s)

13.2

13.8

14.7

=/c

0.454

0.434

0.403

Wmax =V2/R

52.6

51.2

53.9

W=Q=Wmax .

23.88

22.22

21.721

h=Q/S·(tp-ta)

15.51