FENMENOS DE TRANSPORTE II

LABORATORIO N1TERMOMETRA

I. OBJETIVOS:

Medir temperaturas usando termmetros de dilatacin y termocuplas correctamente.Determinar la velocidad de calentamiento de un fluido.Determinar las prdidas de calor por conveccin y radiacin de un fluido.

II. CONSIDERACIONES TERICAS:

La temperatura es una magnitud fsica macroscpica que proporciona la energa cintica promedio de las molculas. Por lo tanto, al calentar el cuerpo, por lo general, este va a aumentar su temperatura. En los casos en que produce un cambio de fase, al entregar calor al cuerpo, este no cambia su temperatura.

La temperatura se mide por medio de termmetros, que estn constituidos por sustancias termomtricas, cuyas propiedades fsicas cambian con la temperatura.Existen una gran variedad de sustancias termomtricas. Las propiedades fsicas ms importantes para medir temperatura son:a) Variacin dimensional (lineal, volumtrica), con la temperatura, como son los termmetros de mercurio, alcohol.b) Variacin de la resistencia de un metal o un semiconductor con la temperatura, tales como son los termistores.c) Efecto termoelctrico; como son las termocuplas.d) Radiacin trmica de un cuerpo negro.

A. TERMMETRO DE DILATACIN VOLUMTRICASon los ms comunes, especialmente el de mercurio. La sustancia termomtrica en este caso un lquido que, al dilatarse, hace subir el exceso del mercurio dentro del capilar de seccin constante.

La relacin que existe, es que la altura en el capilar es directamente proporcional a la temperatura.

B. TERMOPARESSe basa en el principio fsico de que si se unen dos alambres de metales diferentes y el punto de unin se calienta o se enfra, aparece una diferencia de voltaje entre los dos extremos. Este principio se llama Efecto de Seebeck, que fue descubierto en 1821 por T.J. Seebeck. La magnitud de la diferencia de voltaje que resulta por este efecto es bastante pequea (del orden de los milivoltios). Por ejemplo el Termopar K es de 0.04mV por grado centgrado.

La diferencia de voltaje es directamente proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre la unin caliente y extremos fros. Usando un detector bastante sensible se puede medir diferencias de temperaturas con este termopar.

C. TERMISTORESSon dispositivos que tambin miden temperatura mediante un cambio de resistencia. Sin embargo, la resistencia de materiales (xidos metlicos) de los cuales estn hechos los termistores decrece al aumentar la temperatura. En algunos termistores la disminucin de la resistencia es hasta 6% por cada grado centgrado.

El cambio de resistencia por cada grado de temperatura es tan grande que pueden dar buena exactitud y resolucin cuando se emplean para medir temperaturas entre -100 y 300oC. Si se emplea un ampermetro para medir la corriente a travs del termistor, se puede detectar cambios del orden de 0,1oC.

D. PIRMETROS DE RADIACINEstos dispositivos detectan la radiacin midiendo la radiacin ptica emitida por cuerpos calientes. Mientras mayor sea la temperatura a la que calienta un cuerpo, mayor ser la frecuencia dominante de la reaccin que emita. Esto significa que cuando aumenta la temperatura de un cuerpo en el que comience a emitir luz visible, la superficie calentada tendr primero un color rojo sombra. Cuando se calienta ms el cuerpo y se hace ms incandescente, su superficie se vuelve progresivamente menos roja y ms blanca.

No es necesario colocar el pirmetro de radiacin en la superficie que se est midiendo. Slo es necesario apuntar hacia la superficie caliente en cuestin para efectuar la medicin.

E. PIRMETROS DE DESAPARICIN DE FILAMENTO

Emplea un filamento de alambre calentado para proporcionar un patrn de temperatura radiante. Un mtodo exacto de calentamiento de filamentos el de pasar corriente elctrica a travs del filamento. Cuando el filamento se calienta a la misma temperatura que existe en la superficie que se est examinando, la imagen del filamento deja de ser visible debido a que tiene el mismo color que la superficie. Como la corriente a travs del filamento se conoce, se puede calibrar el pirmetro para dar la temperatura de la superficie a partir del valor de la corriente. Como un cuerpo empieza a emitir luz visible cuando se calienta aproximadamente a 775oC, este tipo de pirmetros pueden medir temperaturas desde este punto hasta aproximadamente 4200oC.

F. CONOS PIROMTRICOS

Es otra forma de definir (medir) la temperatura, se basa en la temperatura de reblandecimiento de un material cermico (refractario). El mtodo empleado es el del Cono Piromtrico Equivalente CPE segn la norma AST C-24.

Estos conos estndar se colocan sobre una placa a junto con la muestra (bajo forma de cono) en el interior de un horno, el ablandamiento de un cono se indica cuando el cono se dobla hasta que su punta toca la placa, lo que se compara con el cono estndar ms prximo a doblarse.TEMPERATURAS DE PUNTO FINAL DE CONOS

Nro. ConoNro. Cono

022605010895

02161507990

020650031115

01966011160

01872031170

01777071250

016795101305

015805111325

013860121335

Para el clculo de enfriamiento.Se basa en la ley de enfriamiento de Newton. La tasa de cambio o velocidad de enfriamiento de la temperatura de un cuerpo con respecto al tiempo es proporcional a la diferencia de temperatura de dicho cuerpo y la temperatura Ta del medio ambiente que lo rodea. Expresado en forma matemtica:

K: es una constanteT >Ta

III. PARTE EXPERIMENTAL:

3.1. INSTRUMENTOS Y MATERIALES

-Multmetro-Termmetro de mercurio-Termmetro ptico-Termocuplas-Cocina elctrica, vasos

3.2. MATERIALES

-Agua.-Barra de acero.

3.3. PROCEDIMIENTO

a) Medicin de temperatura de fluidos En un vaso Prex medir la temperatura inicial del fluido y un volumen conocido. Colocar el vaso con el fluido en la cocina elctrica y calentar. Colocar el termmetro en el vaso. Tomar lecturas en intervalos de tiempo constantes (cada 2 min.) hasta observar ebullicin. Registrar los datos de tiempo y temperatura (segn Tabla N 01).

b) Determinar las prdidas de calor del agua contenida en el vaso Luego de haber terminado la etapa anterior. Retirar de vaso de la cocina y colocara el mismo sobre la mesa. Tapar el mismo con una luna. Tomar temperatura del medio ambiente. Tomar temperatura (externa) paredes del vaso. Registrar los datos de temperatura hasta que no exista variacin (equilibrio con el medio). Registrar los datos de tiempo y temperatura (segn Tabla N 02).

IV. RESULTADOS:

TABLA N 01

Velocidad de Calentamiento

Fluido: AguaTemp. Inicial: 21.8 C

Volumen Inicial: 400 mlTemp. Ambiente: 25.7 C

TIEMPO (Minutos)TIEMPO ACUM. (Minutos)TEMP. C

0021.8

2223.5

4630.5

61238.4

82048.8

103059.3

124269.8

145680.0

167290.0

178992.4

TABLA N 02

Transferencia de calor del vaso al medio

Fluido: AguaTemp. Inicial: 92.8 C

Volumen Inicial: 400 mlTemp. Ambiente: 25.7 C

TIEMPO (Minutos)TIEMPO ACUM. (Minutos)TEMP. C

0092.4

2285.0

4680.3

61275.7

82072.3

103069.4

124266.7

145663.5

167262.4

178960.6

V. CUESTIONARIO:

1) Determinar la cantidad de calor por conveccin y radiacin de las paredes del vaso hacia los alrededores. Considerar como valor del coeficiente de pelcula 20 W/m2-oK y como valor de emisividad 0.94.Despreciar las prdidas por la parte superior e inferior del vaso. Por conveccin: Calentamiento:

Enfriamiento:

Por radiacin: Calentamiento:

Enfriamiento:

2) Determinar la cantidad de calor almacenado en el sistema (agua-vaso) cuando se lleg a la temperatura de ebullicin.Cantidad de Calor:

3) Efectuar un grfico Tiempo-Temperatura (N 01) con los datos de la Tabla N 01, donde pueda diferenciar la zona transitoria y la zona estacionaria (equilibrio con el medio ambiente).Los datos debern ser puntos discretos.

4) Deducir una ecuacin para el calentamiento del fluido.A partir de la grfica Nro. 1 se deduce:

Donde:dT/ dt: Variacin del incremento de la temperatura con respecto al tiempo. K: Constante de Conductividad trmica. T: Temperatura del cuerpo. Ta: Temperatura del ambiente.5) En el mismo grfico anterior con una lnea continua graficar la funcin que representa el calentamiento.

VI. ADICIONAL1. Una tubera de vapor sin aislamiento pasa a travs de un cuarto en el que el aire y las paredes estn a 250C. el dimetro exterior de la tubera es de 70mm, y la temperatura superficial y emisividad son 2000C y 0,8 respectivamente. Cunto vale la potencia emisiva de la superficie (E), la induccin (G)? si el coeficiente asociado con la transferencia de calor por conveccin libre de la superficie del aire es 15W/m2-oK.Cul es la velocidad de prdida de calor de la superficie por unidad de longitud de la tubera?

Solucin:

Ta=25;De=70mm; Ts=200; =0.8; h=15W/m2 K; E=?; G=?; q=?

2. Los gases calientes de combustin de un horno se separan del aire ambiental y sus alrededores, que estn a 25oC mediante una pared de ladrillos de 0,15m de espesor. El ladrillo tiene una conductividad trmica de 1,2W/m-K y una emisividad superficial de 0,8. Se mide una temperatura de la superficie externa de 100oC en condiciones de estado estable. La transferencia de calor por conveccin libre al aire contiguo a la superficie se caracteriza por un coeficiente de conveccin de h = 20W/m2-K Cul es la temperatura de la superficie interna del ladrillo? Rpta.: To = 625oC.Solucin:T=25oC; e=0.15m; K=1.2W/m-K; =0.8; Ts=100oC; h=20W/m2-K; To=?

LABORATORIO N2DETERMINACIN DE CONDUCTIVIDAD TRMICA DE MATERIALES AISLANTESI. OBJETIVOMedir correctamente la temperatura del material aislante trmico y aplicar la ley de Fourier para determinar la conductividad trmica.II. CONSIDERACIONES TERICASSe encontr que para pequeas diferencias de temperaturas, el flujo de calor por unidad de rea (q) es proporcional a la diferencia de temperaturas (T1-To) e inversamente proporcional a la distancia entre las superficies limitantes (e), por consiguiente la conductividad trmica para que esta ecuacin se desarrolle como lo postul Fourier.III. PARTE EXPERIMENTAL

3.1. EQUIPO: Tubo de 2.5 cm de dimetro y 90 cm de largo Prex que se recubre una longitud de 30 cm Termocuplas MultmetroFig. 1

(a) Instrumentos.3.2. Experimento:Tomar lecturas de las temperaturas de la pared del tubo luego de un lapso dado de tiempo, tomar lecturas que faciliten el clculo para el debido reemplazo en la ecuacin de Fourier. Fig. 2

(a) Termmetro Digital. Ecuacin de Fourier:

Donde:q: Cantidad de calor por unida de rea. K: Conductividad trmica.e: Espesor.Ts: Temperatura superficie.T: Temperatura exterior.

q=31831W/m2; Ts=60; T=24.5; e=0.25cm

Hallando la conductividad trmica del material:

Fig. 3

(a) Tomando las Temperaturas. Comparando con los datos de tablas:

Se obtuvo un error del 12% en los clculos comparados con las tablas de conductividad trmica.Fig. 4

(a) Tomando datos.

3.3. Anlisis y discusin:Con el fluido interior del tubo y la toma de datos es muy sencillo encontrar la conductividad trmica solo reemplazando en la ecuacin.Este valor de conductividad trmica puede ser comparado con el valor terico de tablas teniendo un dato de error en e l experimento.

IV. CONCLUSIONES:As con ayuda de la ecuacin de Fourier se puede hallar la conductividad trmica de cualquier material tomando los datos necesarios y medidas correctas.

LABORATORIO N3:CALIBRACIN DE TERMOPARESI. OBJETIVOSMedir correctamente los milivoltios con Multmetro, calibrar y encontrar la ecuacin para convertir los milivoltios a unidad de temperatura.II. CONSIDERACIONES TERICAS:a. Termopares:Se basa en principio fsico de que si se unen dos alambres de metales diferentes en el punto de unin se calienta o se enfra, aparecer diferencia de voltios entre los dos extremos. Este principio se llama el efecto Seebeck, fue descubierto en 1821 por T.J. Seebeck. La magnitud de la diferencia de voltaje que resulta por el efecto de seebeck es bastante pequea (del orden de milivoltios). Por ejemplo el termopar K vara de 0.04mV por grado centgrado.La diferencia de voltaje es directamente proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre la unin caliente y los extremos fros. Usando un detector bastante sensible se puede medir diferencias de temperaturas con este termopar.b. Las Combinaciones Utilizadas Para Fabricar Los Termopares Son:Tabla 1: COMBINACIONES PARA FABRICAR TERMOPARES.MATERIALES DE UNINRANGO DE TVARIACINDESIG.

CmVANSI

Hierro/Constantan-184 a 76050.0J

Cromel/Alumel-184 a 126056.0K

Platino/Platino-13%Rodio0 a 159318.7R

Cobre/Constantan-184 a 40026.0T

ANSI: American National Standards Institute.

Tabla 2: CDIGO DE COLOR DE CONDUCTORES DE TERMOPARES:TIPOCOLOR (+)COLOR (-)AISLAMIENTO GENERAL

JBlancoRojo-Lnea AmarillaNegro

KAmarilloRojo-Lnea AmarillaAmarillo

RNegroRojo-Lnea NegraVerde

T AzulRojo-Lnea AzulAzul

El conductor negativo es totalmente rojo o rojo con una lnea de color del conductor positivo.c. Cuadro De Aleaciones De Termopares:Tabla 3: Aleaciones de Termopares.J: Hierro (+) / Constantan (-)K: Nquel 10%Cromo (+) / Aluminio al Silicio 5%Nquel (-)R: Platino 13%Rodio (+) / Platino (-)T: Cobre (+) / Constantan (-)Constantan es una aleacin Cobre (60%) Nquel (40%)d. Calibracin:Fig.1

Este grfico nos muestra la disposicin de las conexiones para medir una temperatura, referidos a una temperatura fija a 0oC en la unin de referencia (usar bao de hielo). La relacin de temperatura y el voltaje de salida se pueden aproximar mediante la ecuacin:Ec. 1Cuando la temperatura de referencia es 0. Si se conocen A y B, mediante tcnicas de linealizacin se puede tener una curva con un buen ajuste.Se puede tener mayor exactitud usando un polinomio de potencia:Ec. 2Donde: T: temperatura en X: voltaje del termopar.A: coeficientes nicos para cada termopar.N: orden del polinomio.

El alambre del termopar proporcionado por los fabricantes coincide exactamente con las tablas de FEM contra temperatura publicadas.Los termopares de trabajo se calibran casi siempre comparndolos con otros que sirven de patrn calibrados cuidadosamente.e. Coeficientes De Termopar Tipo K: National Bureau Of Standards:a0 = 0.226584602a1 = 24152.10900a2 = 6723.4248a3 = 2210340.682a4 = -860963914.9a5 = 4.83506 E + 10a6 = -1.18452 E + 12Alumel: Nquel AluminioCromel: Nquel CromoConstantan: Cobre Nquel

III. PARTE EXPERIMENTAL:a. Instrumentos y materiales:

Multmetro. Termmetro de mercurio. Termocuplas. Quemador, Cocina, Vasos. Agua.

b. Experimento 1:

Calibracin de un termopar tipo K. Efectuar la disposicin que se muestra en la Fig. 1. En intervalo de tiempo tomar lectura de la muestra en mV. Paralelamente con el Multmetro tomar lectura directa.IV. ANLISIS Y DISCUSIN:Con la ayuda de los datos conocidos de los coeficientes de la Ecuacin 2 de temperatura para tener una mayor precisin en la lectura del Termopar Tipo k, slo basta con conocer el voltaje obtenido por el termopar y reemplazar que por ser de la unin de materiales Cromel y Alumel lo que nos indica que puede dar lecturas entre los rangos de -184 a 1260. Con ayuda de la Tabla 2 podemos verificar los colores de los conductores correspondientes al Tipo K puesto que tambin sabremos el tipo de aleacin que pertenece segn la Tabla 3.As seguidamente encontraremos reemplazando en cualquiera de las Ecuaciones 1 y 2, teniendo en cuenta, que con la Ecuacin 2 es ms precisa y prctica podremos hallar la temperatura deseada en grados centgrados.

V. CONCLUSIONES:Es muy sencillo utilizar un termopar de Tipo K, al igual seguramente que cualquiera de los tipos vistos en tablas, teniendo como herramienta principal el empleo de ecuaciones dadas en teora y las tablas que especifican mucho los datos importantes a saber, para el empleo del trabajo con medidores de temperatura tan especializados como los estudiados en la prctica.

VI. CUESTIONARIO:A. Efectuar la curva temperatura contra milivoltios con los datos directos de temperatura.Grfica 1: La temperatura en funcin de los milivoltios.

B. Calcular los coeficientes y encontrar la ecuacin polinmica.

Nota: En estas evaluaciones aplique sus conocimientos estadsticos. Tabla 4: Datos experimentales para el termopar tipo K.LecturaVoltaje (mV)Temperatura (C)LecturaVoltaje (mV)Temperatura (C)

10.117.8111.140.6

20.219.2121.241.8

30.320.5131.344.2

40.423.0141.446.6

50.525.4151.549.8

60.628.6161.651.9

70.730.7171.753.6

80.831.4181.855.8

90.934.1191.959.5

101.037.0202.061.1

PRCTICAS N 4 5:DETERMINACIN DE PRDIDAS DE CALOR EN UN SISTEMA TRMICO EN FORMA UNIDIMENSIONAL Y BIDIMENSIONALI. PARTE ANALTICA:

1. FORMA UNIDIMENSIONAL:Modelo de Clculo.- Se modela un horno casero que resulte en forma de caja rectangular con dimensiones interiores de 46 cm x 61 cm x 76 cm y exteriores de 51 cm x 66 cm x 81 cm. Si se ignoran las prdidas de calor a travs de las esquinas y las aristas; la temperatura de la pared interior es de 204, la temperatura de pared exterior es de 38, y el material de las paredes es ladrillo. Estima la potencia en watts necesaria que se debe suministrar para mantener est condicin de estado estacionario.Fig. 1

(a) EsquemaSolucin:Datos: Hay tres parejas de paredes en un horno casero a travs de las cuales puede ocurrir transferencia de calor por conduccin.(A) 2 paredes con dimensiones: 46cm x 61cm x 2.5cm cada una.(B) 2 paredes con dimensiones: 61cm x 76cm x 2.5cm cada una.(C) 2 paredes con dimensiones: 46cm x 76cm x 2.5cm cada una.Donde: L: (Espesor) = 2.5cmLa temperatura en la pared interior es T1 = 204.La temperatura en la pared exterior es T2 = 38.De tablas se tiene: K = 0.45W/m-K.Suposiciones:(1) Existen condiciones de estado estacionario(2) El material de las paredes tiene conductividad trmica constante.(3) Se puede despreciar los efectos de prdida de calor a travs de las aristas y las esquinas.(4) Se tiene flujo de calor unidimensional en cada pared.Anlisis:Para condiciones de estado estacionario el flujo de energa a travs de todas las paredes es igual a la energa que suministra el elemento calentador al hornillo. El calor fluye a travs de las tres parejas de paredes. Para cada pareja, la conduccin de calor puede calcular segn la ecuacin de Fourier:

Clculos:

Flujo calorfico en las paredes de la pareja (A):

Flujo calorfico en las paredes de la pareja (B):

Flujo calorfico en las paredes de la pareja (C):

Comentarios:De haber un suministro de potencia igual a 6.54 KW para mantener las temperaturas para condiciones de estado estacionario.2. FORMA BIDIMENSIONAL:Para el mismo modelo calcule la transferencia de calor en el sistema. Solucin:1)

2)

3)

4)

Transferencia o prdida de calor:

II. PARTE EXPERIMENTAL:1. Prdida de calor unidimensional en el sistema trmico:1.1.1. Anotar datos:Espesor de las paredes: 1.5cmDimensiones de las paredes del sistema:Interna:a. 2 paredes con dimensiones: 24cm x 12cm cada una.b. 2 paredes con dimensiones: 13cm x 12cm cada una.c. 2 paredes con dimensiones: 24cm x 13cm cada una.

Externa:

a. 2 paredes con dimensiones: 27cm x 15cm cada una.b. 2 paredes con dimensiones: 16cm x 15cm cada una.c. 2 paredes con dimensiones: 27cm x 16cm cada una.Tabla 1:Temperatura Ambiente: 24.4

Tiempo (min)Temperatura Interna Temperatura Externa de la Pared Temperatura en Bordes Temperatura en Esquinas

026.025.625.725.9

153.027.227.327.2

275.028.628.628.5

391.032.132.232.1

4102.033.733.632.8

5110.035.936.035.1

6115.535.034.033.6

7119.035.635.033.7

8122.036.036.235.4

9124.036.836.535.7

10124.136.336.335.8

PROMEDIO:96.533.032.932.3

1.1.2. Determinar la prdida de calor total unidimensional en la caja trmica. Use la Ec. de Fourier:

Clculos:

Flujo calorfico en las paredes de la pareja (A):

Flujo calorfico en las paredes de la pareja (B):

Flujo calorfico en las paredes de la pareja (C):

1.1.3. Comentarios:De haber un suministro de potencia igual a para mantener las temperaturas para condiciones de estado estacionario.

2. Prdida de calor bidimensional en el sistema trmico: 2.1. Anotar datos: Temperatura promedio interna: 96.5 Temperatura promedio externa: 33.0 Temperatura promedio en los bordes u orillas: 32.9 Temperatura promedio en las esquinas: 32.32.2. Determine la prdida de calor bidimensional total en la caja trmica. Use la Ec. de Fourier:

Propiedades del poliestireno rgido:

3. Forma Bidimensional:Para el mismo modelo calcule la transferencia de calor en el sistema.Solucin:1)

2)

3)

4)

Transferencia o prdida de calor:

NOTA: El error del valor comparando el calor del sistema unidimensional y el bidimensional es de 4.34%. III. CONCLUSIONES:Las frmulas propuestas son muy tiles para el desarrollo del ejercicio dado, con ayuda de las lecturas bien tomadas de los hornos con sus respectivas dimensiones se puede obtener la perdida de calor tanto en su forma unidimensional como bidimensional.Problema Propuesto:La pared compuesta de un horno consiste de tres materiales, dos de los cuales son de conductividad trmica conocida, = 20 y = 50 y de espesor conocido = 0.30 y =0.15 El tercer material, B, que se intercala entre los materiales A y C, de espesor conocido = 0.15 pero de conductividad trmica, desconocida.Fig.1

En condiciones de operacin de estado estable, las condiciones revelan una temperatura de la superficie externa =40 y una temperatura de la superficie interna =800 y una temperatura del aire del horno (atmsfera del horno) =1200. Se sabe que el coeficiente de trasferencia de calos por conveccin interior hi=25

Cual es el valor de ?Cul es el calor total perdido a travs de las paredes del horno, considerado que es cbico y de 1m de lado?Solucin:Fig. 2

Forma unidimensional:1. Flujo de calor:

2. Conductividad trmica KB:

Fig. 3

Forma bidimensional:

1. Prdida de calor en las paredes:

2. Prdida de calor en los bordes de orillas:

3. Prdida de calor en los vrtices:

4. Prdida de calor total en el horno:

Porcentaje de la distribucin de prdidas de calor:84.4% en Paredes15.1% en Bordes 0.5% en Vrtices 100.0%O bien:

PRCTICA N 6:TIPOS DE HORNOS Y DETERMINACIN DE LAS PRDIDAS DE CALOR EN UN HORNO ELCTRICO TIPO MUFLA

1. Tipos De Hornos:

A. Horno Cubilote:Es un horno en posicin vertical que se alimenta con carbn y el material de fundicin por un costado. Tiene una tapa hermtica en la base que va puesta y es sacada para la limpieza de este, la chimenea esta en la superior del horno.Con revestimiento de ladrillos y refractarios cambiables en las compuertas.

Fig. 1

a) Partes principales de un Horno Cubilote.

B. Horno Giratorio:Horno en posicin horizontal que gira conforme el calor es omitido de izquierda a derecha por un circuito de combustin, con un revestimiento de concreto cambiable para mantenimiento.

Fig. 2

a) Horno Giratorio Esquematizado: (1)cubierta de acero externa (2)espesor de cubierta (3)pintura externa anticorrosiva (4)revestimiento refractario o cemento (II)tipo de revestimiento para hornos (6)sensores de tonelaje del horno (L)soporte de sensores (9)interior del horno (10)sensor de temperatura.C. Horno a Lea:Horno cilndrico con paredes cubiertas con ladrillo y cemento de revestimiento, es alimentado de lea y carbn para su uso, es utilizado para fundiciones en escala menor.Fig. 3

a) Esquema general.

D. Horno Elctrico Tipo Mufla:Horno de forma cbica y tambin paraleleppedo con calor origen de resistencias que calientan el interior cubierto con ladrillos refractarios, una puerta en la parte posterior que es por donde se ingresa el material para el tratamiento correspondiente se puede encontrar de todos los tamaos.Fig. 4

a) Un Horno Elctrico Tipo Mufla.2. Prdidas De Calor En Un Horno Elctrico Tipo Mufla:Cuando se enciende un horno este comienza a absorber calor (paredes estructura y otros componentes) hasta mantener un equilibrio con el entorno, en este instante decimos que el horno est en un estado estacionario. Entonces las prdidas de calor de un horno elctrico se transportan hacia el medio ambiente pasando por las paredes del mismo y llegar finalmente al medio ambiente, es decir que cuando el horno est en estado estacionario, slo la resistencia para compensar la prdidas. Podemos tener el siguiente diagrama.Se pueden determinar las prdidas de acuerdo a los siguientes criterios:a) Usando prdidas por radiacin y conveccin al medio ambiente.b) Considerando las prdidas por conduccin a travs de la paredes del horno.c) Considerando todas las resistencias; es decir, las paredes del horno, la conveccin y la radiacin al medio ambiente.Fig.5

Es decir que si en la frontera de la pared externa del horno establecemos un equilibrio trmico, este sera:

1. Determinacin de las prdidas de calor (flujo de calor) a travs de la paredes del horno:Fig.6

No se considera la placa de acero que tiene una K=48W/m.Si consideramos la resistencia de la pared de acero, entonces tendramos:

Es decir que la influencia de la placa de acero como resistencia trmica es despreciable, por lo tanto se puede no considerar para los clculos.2. Determinacin de las prdidas de calor considerando todas las resistencias:Fig.7

Usando el concepto de Resistencia trmica:Clculo de :

Fig.4

Podemos notar que las resistencias de radiacin y conveccin estn en paralelo, entonces:

La resistencia de todo el sistema ser:

Usando el concepto de coeficiente global de transferencia (U):

3. Determinacin de las prdidas de calor considerando radiacin y conveccin:

Para las prdidas de radicacin y conveccin se tiene:

Luego las prdidas totales sern:

Tabla 1: Resumen de las prdidas de calorConduccinRadiacin-ConveccinLas Tres Resistencias

Q total (W)33.0031.7933.96

Q unit. ()187.50187.56187.25

4. Conclusiones:Podemos notar que los valores son iguales, lo que nos induce a que podemos usar cualquiera de ellos; siendo la condicin que las temperaturas estn bien registradas y las caractersticas de los materiales estn correctamente determinadas.

PRCTICAS N 7 8:CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO EN TRATAMIENTOS DE METALES1. Recocido De Regeneracin, Normalizado Y Temple Normal:Los procesos que se siguen en estos tres tratamientos. Tienen entre si ciertas semejanzas que conviene destacar conjuntamente para luego estudiar los caracteres que los diferencian.En los tres casos se calienta el acero a una temperatura ligeramente superior a la crtica, luego, despus de un periodo de permanencia a esa temperatura, suficiente para conseguir el estado austentico, se enfran las piezas. Los enfriamientos diferentes en los tres casos. En los recocidos, se hace muy lentamente dentro del horno. En los temples, se hace muy rpidamente enfriando en agua, Aceite, Etc., y en los normalizados, el enfriamiento se efecta al aire a una velocidad intermedia entre los temples y recocidos. Se puede decir que a la velocidad de enfriamiento es lo que caracteriza y diferencia principalmente estas tres clases de tratamiento (ver figura 1).Fig. 1: Representacin Esquemtica De Recocido De Regeneracin, Normalizado Y Temple De Un Acero.

No es recomendable introducir las piezas fras de ms de 200 mm de dimetro en hornos cuya temperatura sea superior a 350, porque el acero relativamente fro es poco plstico, no admite deformaciones y las tensiones que se crean pueden originar grietas.El paso de la zona crtica no es peligro cuando toda la pieza tiene la misma temperatura o la diferencia entre el centro y la periferia son pequeas como ocurre en los calentamientos lentos. En cambio cuando en las piezas ms gruesas la periferia alcanza esa temperatura antes que en el centro. La zona perifrica sufre una contraccin, mientras que el centro que no ha llegado a esa dilatacin todava y el peligro de grietas, es mayor.Para evitar que la tensiones sean peligrosas, conviene que en las secciones transversales la diferencia de temperatura entre dos puntos de un mismo radio situados a 25mm de distancia, no sea superior a 20, y para conseguirlo, la duracin del calentamiento desde la temperatura ambiente a los 850, debe ser superior a media hora por pulgada de dimetro, y si es posible contiene que la duracin del calentamiento sea de una hora por pulgada de dimetro (aprox. 2 min/mm de espesor de la pieza).En sntesis las variables que deben tenerse en cuenta en el calentamiento son: Masa de la pieza, Temperatura, Velocidad de calentamiento y Tipo de acero.Fig. 2: Proceso De Calentamiento De Un Redondo De Acero De 500 mm De Dimetro.

1.1. Anlisis Experimental: Calentamiento De Las Probetas Para Normalizado Y Temple.Las pruebas experimentales de calentamiento para estos casos tambin se obtienen por lectura directa del registro del horno bajo intervalos de temperatura y tiempo.Tabla 1: Datos Experimentales Del Normalizado.PRE - CALENTAMIENTO

LECTURATIEMPO (min)TEMP. INICIAL (To)TEMP. DEL HORNO (Ts,1)

102020

2420100

3820200

41420300

52420400

63720500

75320600

87420700

910420800

1013020900

1113320910

PERMANENCIA DE TEMPERATURA

121520910

CICLO FINAL14820910

Tabla 2: Datos Experimentales Del Temple.PRE-CALENTAMIENTO

LECTURATIEMPO (MIN)TEMP. INICIAL (To)TEMP. DEL HORNO (Ts,1)

10.002020

21.0220100

32.5020200

44.3020300

56.5020400

69.4020500

713.5020600

816.5020650

921.2020700

1030.4020750

1143.0020770

PERMANENCIA DE TEMPERATURA

1220.0020770

CICLO INICIAL63.0020770

Modelo Experimental:Por tener un comportamiento Newtoniano obedece al mismo modelo expuesto para el calentamiento del recocido.De los datos experimentales expuestos tomamos las condiciones de operacin iniciales y finales que corresponde para cada caso, a fin de determinar y . Asimismo para el calentamiento de las probetas para el normalizado, la temperatura del horno y para el calentamiento de probetas para el templado, la temperatura del horno .Por tanto:

Ordenando e integrando se tiene:

En consecuencia, el modelo de las curvas experimentales ser:NORMALIZADO:TEMPLE:t: tiempo de calentamientos en minutos.2. Fase De Enfriamiento: Recocido De Regeneracin.Se hace presente en caso despus de haber terminado el ciclo de calentamiento; el enfriamiento de las probetas se realiza en el interior del horno cerrado.Es importante determinar el rea efectiva el horno:En hornos pequeos como los de laboratorio el rea no son constantes y es necesario emplear alguna clase de promedio de rea de pared interior A1 y el rea exterior A2.Las paredes del horno son confinadas interior y exteriormente por paraleleppedos rectangulares, el flujo trmico, especialmente en los aislantes de las aristas y esquinas tiene mayor efecto, no pueden ser perpendiculares a las superficies limitadora exteriores y la medida geomtrica simple es demasiado grande.Algunos especialistas con el fin de compensar y evitar clculos engorrosos sobre un anlisis de transferencia de calor bidimensional recomiendan para esta configuracin cuando A1/A2>2; es apropiado emplear una media geomtrica modificada igual a 0.725(A1A2)1/2 en la cual 0.725(/6)1/2, es un factor de diseo en ingeniera para una superficie cbica.3. Fase De Enfriamiento: Normalizado.Finalmente las temperaturas y la prdida de calor que corresponden por este mtodo son:Centro del CilindroT(0, 0, 20min)Centro Cara CircularT(0, 5cm, 20min)Mitad Altura LateralT(1.905cm, 0, 20min)Transferencia de Calor o Energa

114111112-396KJ

3.1. Anlisis Experimental:El enfriamiento se realiz sin restricciones en aire en reposo. El registro de temperaturas se hizo con un termmetro digital permitido hasta 200. Lo que nos ha limitado presentar reportes de temperatura antes de los 15 minutos.Tabla 3: Temperaturas De Enfriamiento En El Normalizado.TEMPERATURA ()

LECTURATIEMPO (min)Ts (superficial)T(aire)

1091025

21518425

32011025

4257725

5305425

6354525

7403725

8453325

9503025

10552725

11602625

3.2. Modelo Experimental:De los antecedentes del estudio del comportamiento del enfriamiento en el Normalizado es Newtoniano, por lo que usted puede usar el modelo matemtico:

Ordenando e integrando y luego tomando las condiciones iniciales y finales se llega al modelo experimental de respuesta de la temperatura al enfriamiento de la pieza:

t: Minutos.4. Fase De Enfriamiento: Temple.El enfriamiento de las piezas en este caso se realiza en agua fra en reposo a 204.1. Evaluacin Del Coeficiente De Transferencia De Calor h:Durante la etapa de enfriamiento en el templado los fenmenos de transferencia de calor puede deberse a:1) En primera instancia conduccin radiacin.2) En segunda instancia conveccin por transporte de vapor en la ebullicin de pelcula.3) Conduccin y conveccin natural o libre comprendido desde 100 a 20.

Tabla 4: Temperaturas De Enfriamiento En El Temple.TEMPERATURA ()

LECTURATIEMPO (seg)Ts (superficial)T (agua)

1077020

21517120

32010820

4257120

5304820

6353720

7403020

8452520

9502320

10552220

11602120

4.2. Modelo Experimental:Tan igual que el caso anterior el enfriamiento durante el templado tiene comportamiento Newtoniano, por lo que usted puede usar el mismo modelo matemtico; en seguida despus de seguir el mismo procedimiento se obtiene de esta manera el modelo experimental de respuesta de la temperatura al enfriamiento de la pieza en agua:

5. Anlisis:Ciclos de calentamiento y enfriamiento de una pobreta o pieza en un horno.Deduccin de la ecuacin gobernante de Newton:Ciclo de calentamiento:Incremento de calor en la pieza:

(Ec. 1)

Calor recibido por la pieza en el horno; conveccin y radiacin:

(Ec. 2)

Igualando ecuaciones 1 y 2; es decir se tiene:

(Ec. 3)

(Ec. 4)

En estas ecuaciones: m = Vc: masa o peso de pieza. : densidad del material. Vc: volumen de la pieza. C: calor especfico del material. dT/dt: variacin del incremento de temperatura con respecto al tiempo. hc: coeficiente de transferencia de calor por conveccin. hr: coeficiente de transferencia de calor por radiacin. Ac: rea de conveccin. Ar: rea de radiacin. : emisividad del slido. : constante de Boltzmann. Ts: temperatura de la superficie. T: temperatura del fluido que rodea a la pieza.

Ciclo de enfriamiento: Es similar al ciclo de calentamiento.

Se fundamenta en el balance de energa:

Observacin:Con frecuencia, cuando la diferencia de temperatura entre una superficie y los alrededores es pequea; se obtiene el coeficiente de transferencia de calor de radiacin hr a partir de la igualdad entre las ecuaciones (5) y (6):

(Ec. 5)

(Ec. 6)Aqu:

A: rea dela superficie.T1 = Ts: temperatura de la superficie.T2 = T: temperatura del fluido en los alrededores.

Se define hr como:

(Ec. 7)

(Temperatura media)

6. Conclusiones:Los tratamientos trmicos pueden ser diferenciados tambin con ayuda de sus grficos. Estas se diferencian en la depresin de la lnea de enfriamiento, en esencia principal ya desde su planteamiento terico son conocidos los cambios bruscos de temperatura en cada caso, tambin es necesario conocer las respectivas propiedades y datos propios del material al que se llevara a un cabo al tratamiento trmico. 7. Cuestionario:

4. 5. 6. 6.1. Con los datos experimentales de Tablas 1, 2, 3 Y 4, graficar Temperaturas vs Tiempo De Calentamiento y Enfriamiento en los Tratamientos Trmicos de Normalizacin, Temple.

Grfico 1: Temperatura vs Tiempo De Calentamiento Y Enfriamiento.

Grfico 2: Temperatura vs Tiempo De Calentamiento Y Enfriamiento.

6.2. Con los modelos experimentales correspondientes (modelos matemticos deducidos a partir de la ecuacin de Newton Ec. 4, graficar Temperaturas Vs Tiempo De Calentamiento y el Enfriamiento en los Tratamientos Trmicos de Normalizado y Temple.Grfico 3: Temperatura vs Tiempo De Calentamiento Y Enfriamiento.

Grfico 4: Temperatura vs Tiempo De Calentamiento Y Enfriamiento6.3. Haga las discusiones posibles.Los grficos claramente dan a conocer que pesar de haber tomado dos caminos para hallar la temperatura primero por el mtodo de los datos y el muy aproximado mtodo de la ecuacin de newton de calentamiento y enfriamiento respectivamente. La ecuacin de Newton obtenida da temperaturas muy aproximadas a las obtenidas por lectura.

Tabla 5: Ciclo De Calentamiento En El Normalizado Y Temple.

CARACTERIZACINNORMALIZADOTEMPLE

DATOS:

Acero: AISI10201080

Probeta: Dimetro en PulgadasD:1 1/2"1/2"

Longitud en MetrosL:0.100.10

Temperatura de Austenizacin en 910770

Temperatura dela Horno en T,1 = Th:920780

Temperatura de Superficie en Ts = To:2020

Horno: Tipo Mufla (de las mismas caractersticas de uso del recocido)

PROPIEDADES:

Conductividad trmica a Tf en W/m-KK:4337

Calor Especfico en J/Kg-KCp:557470

Densidad del Acero en Kg/m^3p:78207800

PLANEAMIENTO DEL CALENTAMIENTO:

Precalentamiento: 1 Hora/Pulgada de Dimetro1.501/2

Permanencia de Temperatura: 1/2 Hora/Pulgada de Dimetro0.751/2

Ciclo de Calentamiento: Total en Horas2.251

PRCTICA N 9DETERMINACIN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIN FORZADAI. OBJETIVO:Resolver el problema de transferencia e calor forzada planteado en la prctica de laboratorio.II. CONSIDERACIONES TERICAS:Si existe una forma analtica para un problema similar, la correlacin de datos es mucho ms fcil, ya que podemos suponer la forma funcional de los resultados, y en consecuencia utilizar los datos experimentales para obtener valores de constantes o exponentes de alguno para metros significativos, tales como los nmeros de Reynolds o de Prandtl. Si no existe una solucin analtica para un problema similar, la persona deber recurrir a la intuicin, basndose en la compresin fsica del problema.III. PARTE EXPERIMENTAL:Fig. 1

a) Esquema de un circuito de conduccin de agua caliente.Datos: Volumen de agua en el depsito A: 3l (0.003m3).Tiempo de descarga del depsito A: 1 minuto.Dimetro de la tubera de PVC: (0.0127m).Clculos a efectuar: Propiedades del agua a Tf. Velocidad del fluido (agua). Nmero de Reynolds. Nmero de Nusselt. Coeficiente de transferencia de calor. Transferencia de calor por metro de longitud de tubo.Solucin:Las propiedades del agua a Tf: = 974.08Kg/m3; Cp = 4.1964J/Kg-K = 0.364 ; K = 0.668W/m-K = 1.636;Pr = 2.22Caudal: = 3l/min. = 5rea de tubera: La velocidad del fluido:

El nmero de Reynolds es:

El nmero de Nusselt es:

Luego el coeficiente de transferencia de calor es: Por ltimo la transferencia de calor por metro de longitud del tubo:

IV. RESULTADOS:Como se pudo ver en procedimiento los resultados son obtenidos mediante ayuda de las ecuaciones.

V. ANLISIS Y DISCUSIN:Las Propiedades del agua a Tf, la velocidad del fluido (agua), el nmero de Reynolds, el nmero de Nusselt, coeficiente de transferencia de calor y la transferencia de calor por metro de longitud de tubo; todas ellas son encontradas con ayuda de las ecuaciones utilizadas en forma satisfactoria.

VI. CONCLUSIONES:As se determin el coeficiente de transferencia de calor por conveccin forzada con la ayuda de las ecuaciones planteadas; procedi a resolver paso a paso lo requerimientos del enunciado.PRCTICA N 10:TRANSFERENCIA DE CALOR DEL INTERCAMBIADOR EXPUESTOI. OBJETIVOS:Resolver el problema de transferencia de calor del intercambiador expuesto planteado en la prctica de laboratorio.

II. CONSIDERACIONES TERICAS:El proceso de intercambio de calor entre dos fluidos, que estn a diferentes temperaturas y separados por una pared slida, ocurre en muchas aplicaciones de la ingeniera. El dispositivo que se utiliza para llevar a cabo este intercambio se denomina intercambiador de calor, y las aplicaciones especficas se pueden encontrar en calefaccin de locales y acondicionamiento de aire, produccin de potencia, recuperacin de calor de desechos.

III. PARTE EXPERIMENTAL:Fig. 1

6) Esquema de un intercambiador de calor de flujo en paralelo.

Datos: mc = 0.0015Kg/smc = 0.001Kg/s Ch = 4180J/Kg-K Cc = 4179J/Kg-K U = 500W/m2-KClculos a efectuar:A. El calor real transferido.B. La diferencia de temperatura media logartmica.C. El rea del intercambiador de calorD. El mximo transferido.E. La eficacia o eficiencia del intercambiador.F. La comprobacin con el mtodo NUT.

Solucin:La transferencia de calor se determina partir de la energa absorbida por el agua:

Como se conocen todas las temperatura de los fluidos, se puede calcular DTML:

As como:

Ahora balance de energa:

Para el problema:

Las replicas de capacidad para las nuevas dimensiones se calculan ahora como:

IV. RESULTADOS:Como se pudo ver en procedimiento los resultados son obtenidos mediante ayuda de las ecuaciones.La eficacia o eficiencia del intercambiador es del 45,45% (344.77W a 188.06W).

V. ANLISIS Y DISCUSIN:El calor real transferido, la diferencia de temperatura media logartmica, el rea del intercambiador de calor, el mximo calor transferido, la eficacia o eficiencia del intercambiador, y la comprobacin con el mtodo NUT; se muestran como se obtienen mediante las ecuaciones.

VI. CONCLUSIONES:As se demostr que hubo un intercambio del calor en el intercambiador gracias al flujo paralelo que se presento en el problema y con ayuda de las ecuaciones planteadas se procedi a resolver paso a paso lo requerimientos del enunciado.