Proyecto 1 - Equipo 6

 

 

TECNOLÓGICO N CION L DE MÉXICO C MPUS TUXTL GUTIÉRREZ  Proyecto 1: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PAREDES MATERIA  Fenómenos del transporte 2 Unidad 1

PROFESOR

Dr. Miguel Abud Archila ALUMNOS DEL EQUIPO 6

Alfonzo Gómez Luis Alberto Domínguez Santos Alan Amet Nevarez Nandayapa Raúl Alejandro Ríos Ruiz Alejandra Morales Aguilar Carlos Alberto Victoria Méndez Gerardo Eduardo INGENIERÍA BIOQUÍMICA Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, México. 26 de marzo de 2021.

 

Índi e Introducción ........................................................................................................................................ 2 Narrativa .............................................................................................................................................. 4 Modelado ............................................................................................................................................ 5 Enunciado del problema ................................................................................................................. 5 Cálculo de transferencia de interfaz de calor por unidad de área .................................................. 5 Temperatura de interfaz de acero al carbono 0.5% con la espuma de poliuretano. ..................... ..................... 7 Temperatura de interfaz de la espuma de poliuretano con el adobe. ........................................... 8 Temperaturas de interfaz que existen en el horno. ........................................................................ 8 Representación ................................................................................................................................... 9 Modelo tridimensional del horno de uso culinario. ........................................................................ 9 Explicación oral sobre la elaboración del proyecto. ..................................................................... 11 Anexos ............................................................................................................................................... 12

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1

 

Introducción Transmis Tra nsmis ión d e calor en paredes paredes com puestas Las leyes de transmision de calor tienen primordial importancia en el diseño y funcionamiento de múltiples equipos como: hornos, generadores del vapor, refrigeradores,

evaporadores,

condensadores,

estos

tienen

innumerables

aplicaciones industriales. En muchos casos, el calor no se propaga a través de una, sino de varias paredes de serie (casos de aplicación de aislantes a paredes y conducciones) estos contienen una temperatura interna y otra externa, además se trata de conocer las temperaturas entre estas paredes En muchas ocasiones en las industrias es necesario encerrar espacios que aíslen un lugar del flujo de calor externo, tal es el caso de los cuartos fríos, en donde se acostumbra a colocar paredes formadas por varias capas de material. En el caso anterior se puede observar que una sola línea de flujo de calor atraviesa todos los materiales, a este tipo de arreglo se denomina paredes en serie. En este proyecto se pretende utilizar los conocimientos adquiridos durante las clases de la materia

“Fenómenos

de Transporte 2 ”, para realizar una propuesta de

un horno elaborado con 3 materiales diferentes, incluyendo los parámetros proporcionados por el docente. Primeramente, se realizó una reunión en Microsoft Teams con los 6 integrantes del equipo, discutiendo como elaborar el proyecto de la mejor manera, proponiendo la problemática a resolver.

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2

 

Ilustración 1. Reunión del equipo 6, realizando una lluvia de ideas para la elaboración del proyecto 1. 

Para tomar una desición como equipo sobre cuales serían los materiales a utilizar para la elavoración del horno, se investigó la información pertinente en dos fuentes bibliográficas, las cuales fueron:   Holfman, J.P. (1998). Transferencia de calor . Octava edición. McGraw Hill.



Transferencia nsferencia de calor y masa, masa, un enfoque p ráctico .   Cengel, Y. A. (2007).  Tra



Tercera edición. McGraw Hill.

Ilustración 2. Libro de trasferencia de calor, por J.P. Holman.

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3

 

Ilustración 3. Transferencia de calor y masa, un enfoque práctico, por Yunus A. Cengel.

Narrativa  Al haber concluido concluido con la investigación investigación bibliográfica bibliográfica descrita anteriormente, cada miembro del equipo propuso un material junto con su conductividad térmica (en las mismas unidades, es decir:



), introduciendo todos estos datos en una tabla

∗°

comparativa con la finalidad de observar de manera individual la característica de cada material.

Ilustración 4. Análisis comparativo de cada material propuesto.

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4

 

 Al concluir el análisis de los materiales: Aerogel, adobe, ladrillo refractario, acero al carbono 0.5%, espuma de poliuretano y fibra de vidrio; se determinó el objetivo de la construcción del horno el cual es: 

Utilizar el horno con fines culinarios, específicamente el cocinar lechones. Teniendo en cuenta que: las condiciones de temperatura interna del horno deberá ser de 300°C y en su exterior a 25°C, además del funcionamiento del mismo, es decir, poder cocinar lechones; se seleccionaron los tres materiales para las paredes, los cuales se presentan en la siguinte tabla: Tabla 1. Materiales que se utilizarán para la elaboración del horno.

Número de capa

Material Ma terial

Conductivi dad térmica

1°

 Adobe

0.1760

2°

Espuma de poliuretano

0.0285

3°

 Acero al carbono 0.5% 

54.000

 ∗°  ∗° 

     

∗°

Modelado

 

Enunciado del problema

Para cocer lechones, se utiliza un horno que tiene tres paredes de diferentes materiales, dichas paredes se encunetran puestas de adentro hacia afuera. La primer pared es de adobe cuyo coeficiente térmico es de 0.1760

 ∗°

, seguido de

una pared de espuma de poliuretano con coeficiente térmico de 0.0285

 ∗° 

 y la

última pared es de acero al carbono con coeficiente térmico de 54.000 ∗°. Si la temperatura interna del horno es de 300°C y la externa externa es la temperatura ambiente (25°C), calcule las temperaturas de interfaz que existen entre las paredes si el grosor de las cada una de ellas es: el de adobe es de 10 cm, el de espuma de poliuretano de 4 cm y el de acero al carbono 0.5% de 6 cm.

Cálculo de transferencia de interfaz de calor por unidad de área Para encontrar las temperaturas de interfaz, se aplica la ley de Fourier. Estableciendo la relación entre la transferencia de calor por unidad de área con la diferencia de temperaturas entre la suma de los cocientes de los espesores de las paredes divididos con sus respctivos valores de conductividad termica. Por lo que se identifica la T 1 Y T2 para realizar el cambio de temperaturas, siendo:   EQUIPO 6

5

 

T2 = 300 °C T1= 25 ° C Por lo que: ∆ =  −   = 300° 300° − 25° 25°   ∆ = 275°  

En este momento, ya se cuenta con todos los datos para calcular la transferencia de calor por unidad de área. A continuación, se mostrará la ecuación de la ley de Fourier:   

 =

∆   ∆ ∆ ∆ + +   

Se sustiyuyen los datos para obtener el flujo de calor que pasa a través de las 3 paredes:   

 =

275°   0.1    0.04   0.06    +    +    0.176  ∗ ° 0.0285  ∗ ° 54  ∗ °

Realizando las operaciones pertinentes, se calcula el flujo de calor que pasa por las tres paredes del horno y se obtiene que:

  

 = .   

 

 

En la siguiente tabla, se desglosan cada una de las variables para poder realizar el cáculo de las temperaturas de interfaz: Tabla 2. Datos para calcular la temperatura de interfaz.

Datos Da tos

Concepto

Valor Va lor

Unidades

   

Flujo de calor por unidad de área

139.3957

  

∆T 

Es el cambio de temperatura

275

∆Xadobe 

Es el espesor que tiene e la capa de adobe

0.1

∆Xespuma 

Es el espesor que tiene la capa de espuma

0.04

∆Xacero  

Es el espesor que tiene el acero al carbono 0.5%

0.06

∆k adobe 

Es el coeficiente de transferencia de calor del adobe

0.176

∆k espuma 

Es el coeficiente de transferencia de calor de la espuma

0.0285

Es el coeficiente de transferencia de calor del acero al carbono 0.5%

54

∆k acero  

°

 ∗°  ∗° 

     

∗°   EQUIPO 6

6

 

Con los datos de la tabla 2, se establece la relación entre ella y la temperatura de interfaz de cada una de las capas del horno . Representados en un diagrama, quedarían de la siguiente manera:

Tinterfaz 1

Tinterfaz 2

300°C

25°C

A D O B E

0.1 m

A

E S P U M A

O

0.04 m

0.06 m

C E R

Ilustración 5. Representación gráfica del problema, para calcular las temperaturas de interfaz. 

Temperatura de interfaz interfaz de acero al carbono 0.5% con la espuma de poliuretano.

La ecuación que define la temperatura entre interfaces acero al carbono 0.5%ambiente, es el siguiente:

  

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 =

∆ ∆

=

 ( − 25 °) °) ∆

 

7

 

Despejando:  )∆ + 25 °    =    (

Sustituyendo los valores:   =

(139.3957    )(0.06 )   + 25 °  54 /  ∗ °

  = .  ° °  

Temperatura de interfaz de la espuma de poliuretano con el adobe. Siendo que: 

w

 (300 (300 ° ° −  )

    =  = 139.3957   =

∆

 

Sustituyendo los valores y despejando a la temperatura de interfaz adobe-espuma de poliuretano:   w )(0.1 m)    0.17 0.176 6 w/ w/ m ∗ °C

(139.3957  = 300 ° −

  =  ..    ° 

Temperaturass de interfaz que existen en el horno.  Temperatura En la siguiente tabla, se presentan los resultados obtenidos con base a los cálculos realizados anteriormente: Tabla 3. Resultados de las temperaturas de interfaz que que existen entre las paredes del horno.

Ubicación

 Ad obe  Adob e - Esp Espum uma a de poliur eta etano no Espuma - Acero al carbo no 0.5%

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Espesor de material

Temperatura de interfaz

0.1 m

220.7979 °C

139.3957

0.04 m

25.1549 °C

139.3957

Flujo de calor    

   

8

 

Representación Modelo tridimensional tridimensional del horno de uso culinario. Para realizar una simulación del modelo del horno propuesto, se utilizó el software SolidWorks ya que es una herramienta muy utilizada en el ámbito ingenieril, además adem ás de que todos los miembros del equipo sabemos manejar este programa. En un principio, se hizo un rectángulo con las medidas necesarias para que entre de manera óptima el lechón, es decir de 1.30 m de largo con .90 m de ancho. Para brindarle el volumen, se extruyó la primera pared de adobe con 10 cm, dándole las características visuales del materianes. Seguido de este, se extruyó de nuevo con 4 cm la pared de espuma de poliuretano, adquiriéndole un color diferente para diferenciarlo. Por último se construyó una capa de 6 cm de ancho para la pared de acero al carbono 0.5%, diferenciándolo de las otras paredes por su color. Finalmente se seleccionó el área de la cara principal del horno, para realizar un vaciado indicano el espesor de 20 cm, es decir, es ancho total de las tres paredes. El resultado se observará en las siguientes ilustraciones:

Ilustración 6. Vista desde el lado izquierdo del horno, elaborado en SolidWorks. 

Ilustración 7. Vista desde el lado derecho del horno, elaborado en SolidWorks. 

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Adobe  Espuma de poliuretano 

Acero al carbono 0.5%  Ilustración 8. Señalamiento del tipo de material en el diseño del horno. 

Debido a que el uso de este horno es con fines de cocinar lechones, se diseñó de igual manera una tapa con las tres capas de material, con la finalidad de que el calor se mantenga en el interior.

Tapa del horno 

Ilustración 9. Modelo tridimensional del horno con tapa.

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Explicación oral sobre la elaboración del proyecto.  A continuación, continuación, se presenta un link de One Drive, el cual contiene los audios de cada miembro del equipo exponiendo la construcción del horno utilizando los materiales y las características mostradas en la tabla 1, además de la elaboración de cálculos.

https://tgutierrezmy.sharepoin t.com t.com/:f:/g/pe /:f:/g/pers rsonal/l18 onal/l1827 2701 0152 52_tuxtl _tuxtl a_ a_tecnm tecnm  _mx  _m x /En /EnAac AacCF4CF4PpPqSYjbApTgFQBGalUybcFb8eVuKDq8wUzAQ?e=2Bgn ow  

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Anexos  Cada miembro del equipo, realizó los cálculos manuales para la descripción del procedimiento en el apartado de Modelado. Se mostrarán las fotografías de los cálculos manuales.    Al  Alfo fo nzo Gómez Góm ez Luis Lu is Alber Al berto to



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  Domínguez Santos Alan Amet



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  Ne Nevarez varez Nandayapa Nandayapa Raúl Al ejandro



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  Rí Ríos os Ruiz Alejandra Alejand ra



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  Morale Morales s Agui lar Carlos Carlos Alberto

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  Victoria Méndez Gerardo Eduardo

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