Transferencia de calor: Casa térmica

Práctica Nº 7
Transferencia de calor: Casa térmica
1. Conceptos implicados
Transmisión de calor, conductividad y radiación térmica, atenuación de la temperatura.
2. Objetivos
1. Estudiar las propiedades aislantes de distintos tipos de paredes.
2. Determinar la conductividad térmica de cada material y su resistencia térmica.
3. Evaluar la potencia calorífica perdida a través de dichas paredes por conducción y
convección.
Figura 1. Montaje de la práctica.
Casa térmica, termostato, regla, termopares (NiCr-Ni), termómetro digital, cronómetro, cinta
adhesiva, foco de calor, paneles de madera, poliespam y cristal.
3. Introducción
El calor es una forma de energía que se transfiere entre dos cuerpos, en general, cuando sus
temperaturas son diferentes. La transmisión de calor se puede realizar por tres mecanismos
diferentes: conducción, convección y radiación. En un mecanismo de calefacción o climatización
dentro de paredes homogéneas se puede despreciar el efecto de la
radiación frente a los otros dos.
La transmisión de calor por conducción se produce por la
migración de electrones libres en metales y/o propagación de
vibraciones mecánicas de la red cristalina dentro de los límites de
un material o a través de la superficie de contacto entre dos
cuerpos y sin que se produzca transporte de materia.
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Práctica Nº 7. Transmisión de calor: casa térmica
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La transmisión de calor por convección tiene lugar en
fluidos, por desplazamiento de masas de diferentes
temperaturas de una región a otra del espacio. Este
movimiento hace cambiar en el tiempo la temperatura en
cada parte del sistema. Cuando la temperatura de cada punto
del sistema en estudio no cambie con el tiempo se dice que
está en Estado Estacionario.
Consideremos una de las paredes de un recinto que separa el aire del interior a temperatura
TAI, del aire exterior, más frío TAE. Las temperaturas de las caras interior y exterior de la pared
serán TPI y TPE. La transmisión de calor de la pared al aire, tanto exterior como interior, tiene
lugar por un fenómeno combinado de conducción-convección con las capas de aire más cercanas.
 (calor por unidad de tiempo) que atraviesa la
En el estado estacionario, la potencia calorífica Q
superficie S por conducción es proporcional a la diferencia de temperatura entre sus caras:
d
  TPI  TPE
R
Q
k S
R
R se llama Resistencia térmica de la pared, d es el grosor de la pared y k el coeficiente de
conductividad térmica del material del que esté hecha la pared.
La transmisión de calor de la pared al aire exterior (o del aire exterior a la pared) tiene lugar
por un fenómeno combinado de conducción entre la pared y las capas de aire más próximas a ella, y
de convección en el aire. Los dos efectos pueden incluirse en un solo coeficiente llamado
coeficiente de convección o de película y escribir la potencia calorífica Q que pasa de la pared del
aire al exterior como
   S (T  T )
Q
(1)
E
PE
AE
2
donde E es el coeficiente de convección o de película (8.1 w/m ºK) y equivale E = (k/d). Igual
para el aire interior:
   S (T  T )
Q
(2)
I
AI
PI
Podemos deducir:
R
TPI  TPE

Q
k
d
R S
(3)
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Práctica Nº 7. Transmisión de calor: casa térmica
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Descripción de la casa térmica
La casa consiste en una caja de cuatro paredes, techo ajustable con tornillos y suelo. En cada
pared hay una abertura (21x21 cm) donde se sitúan las paredes a ensayar sujetas con tornillos. En
cada esquina existe un orificio pasante con espuma aislante para introducir las sondas térmicas. La
calefacción consta de un portalámparas con bombilla y termostato automático (con cable de
conexión de 5 pin) para evitar desperfectos por sobrecalentamiento.
El registrador de temperaturas permite visualizar simultáneamente dos temperaturas. Con las
flechas  y  se puede seleccionar la temperatura que se visualiza. El registrador guardará
automáticamente la evolución de las temperaturas con el tiempo en forma de tabla que guarda en la
tarjeta de memoria o directamente en el ordenador si se conecta.
Las sondas son muy frágiles, deben manejarse con atención y cuidado.
4. Procedimiento experimental
En esta práctica se trata de caracterizar los diferentes parámetros asociados a la transmisión de calor
a través de una pared y estimar el efecto de cada tipo de material sobre el calor transmitido entre
interior y exterior. A partir de la medida de las temperaturas en los ambientes exterior e interior, y
en la superficie de los diferentes materiales que componen las paredes de la casa, se determinaran
los coeficientes de conductividad térmica, correspondientes a cada material, o añadiendo placas
adicionales, se pueden calcular coeficientes globales de transmisión de calor de una pared
multicapa.
Características de cada Pared:
‐ Pared 1: cristal , d = 1,4 cm
‐ Pared 2: climalit, d = 1,8 cm
‐ Pared 3: poliespan, d = 1,9 cm
A) MEDIDA CON FOCO INTERNO
Conecte el termostato de la casa térmica durante 15 minutos antes de realizar la práctica para
estar cerca del estado estacionario.
1. Anote la temperatura ambiente del laboratorio y del interior de la casa.
2. Abra la tapa de la casa térmica y introduzca una de las sondas por un orificio lateral, con
cuidado de no doblar, y fije con cinta adhesiva la base de las sondas y los extremos en la
parte central interior y exterior de una de las paredes a estudiar. Deje las demás con sus
maderas y poliespan para evitar pérdidas de calor por ellas. Tape la casa térmica y tras ello,
se conecta el termostato colocándolo en el máximo. Anote las temperaturas iniciales de
todas las caras de los paneles de ensayo.
3. Esperaremos a tomar los datos 10 minutos para que la temperatura sea estable y en ese
momento se enciende el medidor digital de temperaturas, se pulsa el botón de grabar para
que los datos queden guardados en este, se pone en marcha el cronómetro y se corta después
de 10 minutos, finalizando la medida para la primera pared.
4. Se repite este proceso para cada pared. 10 minutos de espera y 10 de medición.
NOTA: En todas las determinaciones de temperaturas, debemos de retirar las sondas con
mucha precaución, despegando primero la cinta del extremo de la sonda y luego la base.
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Práctica Nº 7. Transmisión de calor: casa térmica
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B) MEDIDA CON FOCO EXTERNO
Seguiremos un procedimiento muy parecido al anterior, pero colocando un foco de calor externo y
comprobaremos la evolución de las temperaturas en el interior de la casa con los diferentes tipos de
aislantes.
1. Se abre la casa térmica para que salga el calor del interior de las medidas anteriores.
2. Se anotan las temperaturas iniciales de todas las caras de los paneles de ensayo y las
temperaturas ambiente exterior e interior y se tapa para proceder a la medida.
3. Se enciende la lámpara que funcionará como un foco externo y se acerca a la pared exterior
hasta un 10 cm.
4. Esperaremos a tomar los datos tras 10 minutos para que la temperatura sea estable. Se
enciende el medidor digital de temperaturas, se pulsa el botón de grabar los datos, se pone a
cero el cronómetro y se activa, después de 15 minutos se finaliza la medida.
5. Se abre de nuevo la casa térmica y se procede a la medición de la siguiente pared.
5. Resultados.
Para cada una de las paredes usadas en el ensayo obtenga la resistencia térmica (R) y la
conductividad térmica (k) para cada una de las paredes, para los focos interno y externo.
Adjunte tablas con las medida realizadas con las sondas y realice los cálculos del error de
todas las magnitudes utilizadas.
Tª ambiente = TAE =
≤
∆S = 21cm x21cm =
≤
a) VIDRIO:
Medida
Foco interno Foco externo
Error
Foco interno Foco externo
Unidad
T pared externa
T pared interna
T aire interna
d

Q
R
k
 , R y k utilice las ecuaciones 1 y 3.
Para obtener Q
Según referencias k del vidrio debe estar entre 0,6 – 1,0 W/Km
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Práctica Nº 7. Transmisión de calor: casa térmica
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b) CLIMALIT:
Medida
Foco interno Foco externo
Error
Foco interno Foco externo
Unidad
T pared externa
T pared interna
T aire interna
d

Q
R
k
 , R y k utilice las ecuaciones 1 y 3.
Para obtener Q
Según referencias k del vidrio debe estar por debajo de 0,3 W/Km
c) POLIESPAN:
Medida
Foco interno Foco externo
Error
Foco interno Foco externo
Unidad
T pared externa
T pared interna
T aire interna
d

Q
R
k
 , R y k utilice las ecuaciones 1 y 3.
Para obtener Q
Según referencias k del vidrio debe estar entre 0,025-0.045 W/Km
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Práctica Nº 7. Transmisión de calor: casa térmica
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6. CUESTIONES
1. ¿Qué potencia calorífica total se pierde con cada uno de los materiales? ¿En qué caso es
mayor? Razona por qué.
2. De acuerdo con las resistencias térmicas calculadas, ¿Qué pared es más aislante y cuál es
más conductora? ¿Podríamos aplicarlo a una casa real? Explica por qué y cómo.
3. Calcule el coeficiente de convección en el interior y compáralo con el valor conocido del
coeficiente de convección del aire. ¿Cuál es mayor? ¿Por qué?
4. Indique los cálculos de error realizados.
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Práctica Nº 7. Transmisión de calor: casa térmica
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