Practica de Conduccion

LABORATORIO DE TÉRMICA Y FLUIDOS
DIVISIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA
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LABORATORIO DE TÉRMICA Y TERMOFLUIDOS
MANUAL DE PRÁCTICAS
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Práctica 2
Transferencia de Calor
Análisis de la Conducción
PRESENTACION
EXÁMEN RÁPIDO
FORMATO
CALCULOS
RESULTADOS
NOMBRE
DISCUSION DE RESULTADOS
MATRICULA
CONCLUSIONES
PROFESOR
INSTRUCTOR
TOTAL
Introducción
El calor es la forma de energía que puede ser transferida de un sistema a otro debido a una diferencia de temperatura.
La transferencia de energía siempre ocurre de un medio de alta temperatura a una medio de temperatura menor, y
esta transferencia termina cuando ambos medios o sistemas alcanzan la misma temperatura.
El calor puede ser transferido en tres maneras distintas: conducción, convección y radiación. La conducción es el
único mecanismo de transmisión del calor posible en los medios sólidos. Cuando en estos cuerpos existe un gradiente
de temperatura, el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura debido al contacto
directo entre las moléculas del medio.
Marco Teórico
La conducción es la transferencia de energía debida a la interacción entre partículas, además, puede llevarse a cabo
en sólidos, líquidos y gases. En líquidos y gases, la conducción se debe a la colisión y difusión de sus moléculas en
su movimiento aleatorio. En sólidos, se debe a las vibraciones en su parámetro de red en nivel molecular en conjunto
con el transporte de energía de electrones libres.
El caso más sencillo de conducción es el que se establece en sólidos de caras paralelas de manera que el flujo será
unidireccional, cuando dicho sólido se encuentre en equilibrio termodinámico sin variar su temperatura en el tiempo
(régimen estacionario), que implica que no existe acumulación de calor, y que además no exista generación de calor.
Considerando conducción en estado estable a través de una pared muy larga con espesor x = L y un área trasversal
a la transferencia de calor A, la diferencia de temperatura a través de la pared será T = T2 – T1. Así, obtenemos la
expresión:
donde la constante de proporcionalidad k es la conductividad térmica y es una propiedad del material.
Ésta propiedad se traduce como la habilidad de un material para conducir calor. La expresión en forma diferencial
cuando el espesor es muy pequeño (x 0 ) resulta en la expresión:
La expresión anterior se conoce como la ley de Fourier para transferencia de calor. Donde dT / dx es el gradiente de
temperatura; este gradiente es la pendiente de una curva T vs. x localizada a cierta distancia X. La ecuación indica
que la cantidad de calor transferido en cierta dirección es proporcional al gradiente de temperatura en la misma
dirección. Debido a que la transferencia de calor se da en la dirección de menor temperatura, y el gradiente de
temperatura se hace negativo a manera que la temperatura decrece cuando aumenta la distancia x, la ecuación de
Fourier lleva un signo negativo; al agregar este signo aseguramos que la cantidad de calor transferida sea positiva en
la dirección x positiva.
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Conductividad Térmica
La conductividad térmica de un material se define como la tasa de transferencia de calor a través de un espesor
unitario por unidad de área por unidad de diferencia de temperatura de un material. La conductividad térmica es una
medida de la rapidez con la que el calor fluirá por determinado material. Cuando esta es muy grande, se dice que el
material es un buen conductor de calor, si esta es baja, el material se considera un aislante térmico.
Resistencia de Contacto
La caída de temperatura en el plano de contacto entre dos materiales, se debe a la resistencia térmica al contacto. En
la realidad, aún las superficies que se ven lisas ante el ojo humano tienen imperfecciones, claramente visibles ante un
microscopio.
Cuando dos superficies están en contacto, los picos de las irregularidades del material forman buen contacto con el
material adyacente, pero los valles admiten aire en su interior. Como resultado, existe una interfase que con cierto
número de espacios llenos de aire que actúan como aislantes, debido a la baja conductividad del aire. Ésta resistencia
al flujo de calor es conocida como la resistencia de contacto Rc. La siguiente figura muestra las imperfecciones del
material además del perfil de temperaturas:
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Dicha resistencia es calculada experimentalmente. Consideremos que existe transferencia de calor entre dos barras
metálicas de área transversal A y están presionadas una contra la otra.
De la ley de enfriamiento de Newton:
obtenemos la resistencia de contacto:
Objetivos de la Práctica
@ Determinar la conductividad térmica del material de manera experimental, partiendo del perfil de temperaturas de
la geometría en cuestión y compararlo con el dato teórico.
@ Obtener la resistencia de contacto.
@ Simular el problema de conducccion para pared plana compuesta y resolver por resistencias térmicas.
El muro de una cámara frigorífica de conservación de productos congelados, se constituirá
del modo siguiente:
@ Revoco de cemento de 2 cm de espesor (k = 0.8 kcal/h·m°C)
@ (2.5 cm) de ladrillo macizo (k = 0.6 kcal/h·m°C)
@ Faja de aire de 1.2 cm de espesor (k en tablas para aire)
@ Corcho expandido (k = 0.05 kcal/h·m°C)
@ 7 cm de arcilla de ladrillo comun (k = 1.1 kcal/h·m°C)
@ Revoco de cemento de 2 cm de espesor (k = 0.8 kcal/h·m°C)
Siendo la temperatura interior -25°C y la del exterior 30°C.
Si las pérdidas horarias por unidad de área del muro, se evalúan por motivos económicos
en 10 kcal/h·m², determinar:
a. El coeficiente global de transmisión de calor del muro
b. El espesor de corcho que debe colocarse
c. La distribución de temperaturas en el muro
Se tomarán como coeficientes de transmisión de calor por convección exterior e interior 20
y 12 kcal/h·m²°C, respectivamente
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Material
Equipo de Conducción
REPORTAR
1. Descripción del Procedimiento
2. Tabla con los datos obtenidos
3. Gráfica del perfil de temperatura de las secciones
4. Cálculos (hechos a mano)
5. Elaboración del modelo
6. Conclusiones
Las resistencias asociadas a cada una de las capas:
Distribución de temperaturas:
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