Sistema de Conduccion Termica

 

   Laboratorio de Operaciones Operaciones Unitarias Unitarias

 Facultad de Ingeniería

Sistema de Conducción Térmica Experimentos Technovate Modelo 9051

Guía de Práctica

 

Cambios de temperatura a través de cilindros de áreas constantes y variables RESUMEN La Conducción se define como la transferencia de calor y/o energía a través de un cuerpo sólido. Adicionalmente, el calor se mueve desde la región de alta temperatura hacia la región de temperatura menor. El Sistema de Conducción Térmica Technovate 9051 posee un arreglo con cuatro barras cilíndricas y platos ó resistencias calentadoras adosadas al fondo de cada una, para generar el paso de un flujo de calor a través de dichas barras, tal como se describe en el capítulo de Descripción del equipo de este manual. A medida que el calor se transfiere, se miden las temperaturas en puntos cuyas temperaturas son inferiores a las del elemento calentador. Las mediciones y dimensiones del equipo se toman y registran para los respectivos cálculos. Se encontrará que las Conductividades Térmicas pueden ser diferentes debido a fact factores ores tales como: Área de la  barra, temperatura, distancia hasta el plato caliente, y la precisión y calibración de las termocuplas. Los experimentos a describir podrán Los ser resultados utilizados se para determinarconlalaconductividad térmica de metales metales con áreas conocidas, compararán literatura y se determinará el % de diferencias entre el valor teórico y el experimental. Se tendrá como uno de los resultados del experimento que el área del cilindro tiene un efecto considerable en la transferencia de calor. INTRODUCCIÓN Los cambios de temperatura a través de cilindros de laboratorio con áreas constante y variable son medidos para determinar el flujo de calor que atraviesa barras rectas y cónicas, ésta es una de las facilidades que permite el Sistema de Conducción Térmica Technovate 9051. Al tomarse mediciones de las temperaturas con termocuplas colocadas en el centro y a los lados de cada una de las barras se podrá calcular calcular el flujo de calor del sistema. Estas mediciones se tomaron a temperaturas estimadas entre 400 y 480 °C y serán usadas para encontrar las condiciones teóricas del experimento. La teoría establece que el flujo de calor es la tasa de transferencia en la dirección X por unidad de área perpendicular a la dirección del flujo y es proporcional a los gradientes de temperatura dT/dx en esa dirección. dirección. Esta propiedad es importante en el diseño de motores  para vehículos}, por ejemplo, ya que los motores de d e los vehículos necesitan ser mantenidos a baja temperatura con el auxilio de diversos fluidos refrigerantes. También es importante el tipo de material material con que son fabricados y sus espesores de pared. Este diseño evitará en lo posible las fallas y daños en estos eequipos. quipos. En este experimento, se utilizará como medio refrigerante el agua municipal y al tomarse las medidas de sus entradas y salidas se podrá determinar el flujo de calor del sistema.

 

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FUNDAMENTO TEÓRICO Durante el proceso de desarrollo de las ecuaciones correctas para obtener las respuestas experimentales de los datos, es necesario entender lo que se está midiendo. En el laboratorio se obtuvieron cuatro conjuntos de medidas de temperaturas. A partir de los datos experimentales se podrá calcular la transferencia de calor entre elemento calentador y la barra analizada. Las barras están fabricadas de metales conductores con buenas  propiedades térmicas. Las características principales de cada barra son: Las barras 1 y 2 están constituidas por dos metales (A-B y C-D respectivamente) y están adosadas a una  barra de calentamiento de acero inoxidable (Ver figura 1), la barra cilíndrica de área variable esta identificada cono Unidad 3 y la barra de área constante es la barra identificada como 4, estas dos últimas están hechas con un solo metal. Ver figura 2. Las fórmulas siguientes se usarán en los cálculos de estos experimentos: Ecuación 1.

Coeficiente de Transferencia de Calor. La Conductividad Térmica es una  propiedad característica del material, depende del rango de temperaturas alcanzadas. Esta ecuación se basa en la Ley de Fourier. K = Q * L / A   T

Donde:

K térmica, kJ/hr*m*°C Q == Conductividad Flujo de calor que atraviesa la barra o segmento considerado, kJ / hr L = Longitud del cuerpo atravesado por el flujo de calor, m A = Área perpendicular a la dirección del flujo, m2  T = Cambio en la temperatura de las caras de la barra, °C

Ecuación 2.

Flujo de Calor. En los experimentos se calculará algebraicamente con los datos obtenidos experimentalmente. Q

T/L

   

Ecuación 3- Transferencia de calor al medio refrigerante. Ecuación utilizada para determinar experimentalmente el flujo de calor que atraviesa cada barra del equipo. Q = M * Cp * T Donde:

Q = Flujo de calor, J / hr M = Flujo másico del fluido de enfriamiento, gr / hr Cp = Calor específico del fluido de enfriamiento, J / gr * °C T = Cambio en la temperatura de entrada y salida del refrigerante, °C

Ecuación 4. Validación de resultados, Porcentaje de Di Diferencias ferencias obtenido. Se compararán los resultados obtenidos entre sí ó con los obtenidos en la literatura técnica. % Diferencia = Valor publicado  –  Valor experimental * 100 Valor publicado

 

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DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Las unidades del Sistema de Conducción Térmica Technovate Modelo 9051 tienen los siguientes componentes principales. 1.  Elemento calentador: Cada unidad posee un elemento eléctrico como fuente de calor en donde descansa la barra respectiva. Cada uno cuenta con un dial para controlar su temperatura ajustando la potencia al calentador. 2.  Tanque de enfriamiento: Cada barra conductora, en su parte superior, termina en un  pequeño recipiente enfriado por agua municipal que posee mediciones de los cambios de temperatura del fluido de enfriamiento, requeridos para determinar experimentalmente el flujo de calor que atraviesa la barra. 3.  Selector de termocuplas: El equipo cuenta con una perilla selectora para seleccionar la  barra ó unidad ( 1 a 4 ) que se esté analizand analizando, o, además incluye una Unidad 5 en la que se pueden seleccionar las termocuplas de las corrientes de entrada y salida del agua de enfriamiento. Para medir las temperaturas se tiene un selector multipunto con 10  posiciones de termocuplas colocad colocadas as en diferentes puntos de las barras. La temperatura es sensada utilizando un multímetro digital en °C. 4.  Interruptores de poder: En el área de control de la mesa se tiene un interruptor tipo  palanca de dos posiciones ON-OFF (Encendido-apagado) para poner en servicio las unidades del equipo de conducción térmica. 5.  Unidades de barras 1 y 2: Estas unidades consisten en dos cilindros horizontales con 10 termocuplas en su centro y localizadas a diferentes distancias. Ambas unidades están construidas con dos metales diferentes, la unidad 1 por los metales A y B y la unidad 2  por los metales C y D. Las unidades están unidas a una barra, hecha de ac acero ero inoxidable 18-8 estabilizado para alta temperatura, la cual es calentada y de donde se les transmite el calor por conducción. Cada unidad tiene su propio tanque de enfriamiento. 6.  Unidades de barras 3 y 4: Estas unidades consisten en dos cilindros verticales con 10 termocuplas en su centro y localizadas a diferentes distancias. Unidad 3 es de área variable y la Unidad 4 es de área constante. Cada unidad tiene suLapropio plato caliente y tanque de enfriamiento. 7.  Multímetro digital: Permite monitorear las termocuplas al conectarlo al selector multipunto dispuesto para cada unidad. PROCEDIMIENTO OPERACIONAL Este es el procedimiento utilizado para realizar estos experimentos con el Sistema de Conducción Térmica Technovate 9051. 1.  Conectar el equipo a la toma de potencia, al sistema de suministro de agua municipal y al colector de drenajes del laboratorio.  

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2.  Encender el equipo y ajustar con el dial del control de potencia en el elemento calentador de las unidades 1 y 2 una potencia de 480 Vatios, y en los platos calientes de las unidades 3 y 4 una potencia fijada en 400 Vatios. Las Las temperaturas requeridas en los experimentos, teóricamente serán las mismas en grados centígrados al valor de la  potencia controlada. Darle al equipo un tiempo prudencial para alcanzar sus condiciones de equilibrio, equilibrio, éste no será menos de 2 horas. 3.  Todas las temperaturas serán tomadas con las termocuplas, seleccionadas manualmente en el multipunto una vez que se hayan estabilizado, después de realizar algún cambio de temperatura. 4. El caudal del agua de enfriamiento se calculará para cada barra al conectar una manguera a una conexión de salida del Tanque de enfriamiento y midiendo el tiempo que tarda en drenarse una cantidad establecida de agua, aproximadamente 200 ml. OBJETIVOS DEL EXPERIMENTO 1.  Identificar los componentes metálicos de cada una de las barras del equipo. 2.  Comparar los valores encontrados con los reportados por la literatura y explicar las diferencias encontradas. 3.  Establecer en forma gráfica la relación entre la temperatura y la longitud para las unidades de área constante. 4.  Comparar y analizar los resultados obtenidos del calor transferido en las unidades 3 y 4. VALORES PUBLICADOS Y ESPECIFICACIONES DEL SISTEMA Valores teóricos para diferentes metales

1.  Conductividades Térmicas: Cobre = Acero = Aluminio = Magnesio =  Niquel = Hierro =

1370 kJ/hr * m * °C 140 “  1030 “  600 “  210 “  160 “ 

Valores teóricos para el agua municipal de enfriamiento

1.  Densidad: 996 kg/m3 2.  Calor específico: 4,187 J/gr * °C

 

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Datos dimensionales de las barras 1 y 2

Datos dimensionales de las barras 3 y 4

 Ambas unidades Posición Altura Altura Termocupla plg mt 10 10,656 0,271 9 9,688 0,246 8 8,719 0,221 7 7,750 0,197 6 6,781 0,172 5 5,813 0,148 4 4,844 0,123 3 3,875 0,098 2 2,906 0,074 1 1,938 0,049

Unidad 3 Unidad 4 Diámetro Área Diámetro Área plg m2 plg m2 1,076 0,00059 2,000 0,00203 1,069 0,00058 2,000 0,00203 1,062 0,00057 2,000 0,00203 1,056 0,00057 2,000 0,00203 1,049 0,00056 2,000 0,00203 1,042 0,00055 2,000 0,00203 1,035 0,00054 2,000 0,00203 1,028 0,00054 2,000 0,00203 1,021 0,00053 2,000 0,00203 1,014 0,00052 2,000 0,00203

Tabla 1. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS Todos los datos serán registrados en una tabla u hoja de cálculo Excel y serán utilizados  para encontrar encontr ar los resultados experimentales de la práctica del Laboratorio Labor atorio de Operaciones Unitarias II. Se presentará un formato por cada corrida y unidad analizada. El formato a  presentar será un facsímil de la hoja de cálculo anexa, anex a, Presentación de Resultados. En caso de tomarse varias mediciones de un factor durante la misma corrida, para conseguir una mejor precisión de losdedatos, aquellasdeseResultados pondrán enlosunpromedios formato aparte y sólo se registrarán en el formato Presentación obtenidos de las mediciones realizadas.  

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DIAGRAMAS DE EQUIPOS

Figura 1.

Figura 2. BIBLIOGRAFÍA 1. 

INCROPERA F., Introduction to Heat Transfer, John Wiley & Sons.

2. 

KERN D., Procesos de Transferencia de Calor, CECSA.

3.

PERRY R., Manual del Ingeniero Químico, McGraw Hill.

 

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