PRCTICA DE LABORATORIO DE ENERGA IIANLISIS Y MEDIDA DEL COEFICIENTE DE CONDUCTIVIDADDE LANA DE VIDRIO Y VIRUTAI. OBJETIVOS: Calcular en forma experimental el coeficiente de conductividad trmica de lalana de vidrio. Calcular enforma experimental el coeficienteconductivotrmicodelaviruta de madera. Determinar el coeficiente convectivo desde la pared externa hacia elambiente, por mtodo de formula empricas.II. MATERIALES Y EQUIPOS: Horno Elctrico Multmetro. Termocuplas. Potencimetros ConectoresIII. FUNDAMENTO TERICO:Enlos sistemas dein!enierasetratademinimi"ar latransferenciacuandoelsistemare#uiere#ueconserveelflu$odecalor,paraelloselecubredeaislantetrmico. %a exi!encia por el ahorro de ener!a ha hecho #ue los especialistas en eltema perfeccionen el mtodo de aislar, esto se hace con unos aislantes de &ltimatecnolo!a.El campo in!enieril por e$emplo en el ciclo de potencia 'an(ine, las tuberas ) laparte#ueest*expuestaal vaporvivoest*nbienaisladasconellosereducelatransferencia de calor al ambiente.El aislante fsico de me$or desempe+o por conduccin es el aire #uieto o estancadomientras el vacoact&a comoel me$or aislante trmico, siempre )cuandolatransferencia de calor no sea por radiacin, pues esta se transfiere en el vaco.En el si!uiente informe se tratara sobre la transferencia de calor desde un horno,previamente aislado por dos tipos de aislante. ,iendo el ob$etivo !eneral laobtencin de los coeficientes de conductividad trmica de estos.,e invita al lectora buscar ma)or informacin sobre el tema pues no es un tema a$eno a nuestra vidacotidiana.En la pr*ctica es com&n experimentar el fenmeno de la transferencia de calor, pore$emplo sin ir tan le$os nuestro cuerpo est* emitiendo calor en forma constante haciasus alrededores ) nuestro confort trmico esta intimidante li!ado con la ra"n deeste recha"o de calor mismo. Tratamos de controlar esta ra"n de transferencia decalor al a$ustar nuestra ropa a las condiciones ambientales, al hacer esto estamosusando el concepto de aislamiento trmico.Trans!r!n"#a $! "a%&r En la transferencia de calor existente a travs de un e#uipo o elemento entre dosentornos -interior ) exterior. tienen lu!ar los tres mecanismos tpicos deconduccin, conveccin ) radiacin. ,iempre #ue exista un !radiente detemperatura existir* la transferencia de calor es decir tiene #ue haber un diferenciade temperatura entre los dos cuerpos. ,iendo el fenmeno desde el cuerpo de ma)ortemperatura hacia otro de menor temperaturaEl mecanismodeconduccin-transferenciadecaloratravsdeunmaterial sinmovimiento macroscpico. se reali"a a travs de los materiales slidos. El mecanismo de conveccin -transferencia de calor por conduccin con existenciade un movimiento macroscpico de los materiales. se reali"a a travs de los !ases ol#uidos, pudiendo ser el movimiento provocado o natural -por diferencia dedensidades.. El mecanismo de radiacin -transferencia de calor entre superficies sin la necesidadde la presencia de un medio material entre ambas. se reali"a a travs del vaco o demedios transparentes o semitransparentes. F&r'as (!n)r#"as $! %a *rans!r!n"#a $! "a%&rEn !% "a'+& $! 'a*!r#a%!s , *!'+!ra*-ras .-! "&ns#$!ra'&s +&$!'&s a#r'ar:En materiales slidos slo consideraremos el mecanismo de conduccin, )a #ue sesuponen materiales opacos. -/o se consideran vidrios o materiales pl*sticostransparentes. 'ealmente no consideramos el intercambio de calor #ue se produceen stos por radiacin.. En l#uidos slo se considerar* la conveccin -respecto al mecanismo de radiacinsesupondr*#uesonopacos, )portantoel posibleflu$odecalormedianteestemecanismo se desprecia.. En !ases -principalmente aire. se deber* considerar la conveccin ) la radiacin -seproducen ambos mecanismos a la ve".. D!+!n$#!n$& $! %a "&n#(-ra"#/n(!&')*r#"a 01s#"a $! %as "a+as 2+%anas3"#%4n$r#"as3 !s)r#"as5 s! !6+r!sa $! &r'a +r1"*#"a !% %-7& $! "a%&r "&'&: Placas planas0 1lu$o de calor por unidad de *rea #23 -42m5.. Placa cilndrica0 1lu$o de calor por unidad de lon!itud #2H -42m.. Placa esfrica0 1lu$o de calor # -4.. RESISTENCIAS T8RMICAS POR CONDUCCIN %a ecuacin#ue ri!e el intercambio de calor por conduccin es la conocidaecuacin de 1ourier, la cual considera #ue la densidad de flu$o de calor por unidadde *rea es proporcional al !radiente de temperaturas en la direccin perpendicular al*rea considerada0 %a constante de proporcionalidad -k. se conoce como conductividad trmicadel material, tom*ndose en !eneral de forma pr*ctica como constante. En realidad,puede presentar cierta dependencia con la temperatura del mismo. En esos casos setoma el valor medio dentro del campo de temperaturas en el #ue se desarrolla laaplicacin. %os valores de dicha variable puedenser mu)diferentes, desde aislantes conconductividades del orden de varias centsimas -6,67 42m 8 para %ana de vidrio96,657 para Poliuretano tipo ::9 6,65; para Poli estireno tipo ; 42m 8 para elcobre.. Esta variacin tan !rande hace #ue la resistencia trmica al paso de calor demateriales con mucha conductividad -metales. sea en la pr*ctica despreciable. %os valores de materiales tpicos de construccin son del orden de la unidad. Es elcasodel ladrillomaci"o-6,>?42m8., enfoscadodecemento-@,742m8. oenlucido de )eso -6,= 42m 8.. Cuando la composicin de un material no es homo!nea se define unaconductividad aparente, en funcin del tipo constructivo -o distribucin ) porcenta$ede diferentes elementos.. 3s se define una conductividad aparente diferente para elladrillo perforado -6,?A 42m 8. ) para el ladrillo hueco -6,7; 42m 8. respecto alladrillo maci"o -6,>? 42m 8..R!s#s*!n"#as *)r'#"as "&n$-"*#9as !n "as& $! +%a"as +%anas Particulari"ada la anterior ecuacin al caso de una placa plana en #ue sus superficiesten!an una diferencia de temperaturas BT, tenemos0Donde se define la resistencia trmica por conduccin de una placa plana como0 RESISTENCIAS T8RMICAS POR CONVECCION %a ecuacin #ue ri!e el intercambio de calor por conveccin es la conocidaecuacin de /eCton, la cual considera #ue la densidad de flu$o de calor por unidadde*reaesproporcional aladiferenciadetemperaturasentrelasuperficie)latemperatura del fluido -l#uido o slido.. Eneste casola constante de proporcionalidadse conoce comocoeficiente deconveccin o coeficiente de pelcula . Dichocoeficientedeconveccinpresenta!ranvariacinenfuncindel tipo)cantidad de movimiento #ue presente el fluido, as como de su estado, e incluso delmismo !radiente de temperaturas -paredDfluido.. 'especto al movimiento se debe diferenciar entre movimiento provocado -for"ado.por unelemento -bomba, ventilador. opor el ambiente -velocidad viento., )movimiento natural -debido a la diferencia de temperaturas dentro del fluido #ue asu ve" provoca diferencia de densidades ) por tanto despla"amiento.. 'especto a su estado, cabe diferenciar el caso de !ases, l#uidos o fluidos #ue en lascondiciones de traba$o presenten cambios de fases -tuberas bif*sicas.. Como rdenes de ma!nitud se pueden se+alar0 Caso de !ases0 Con movimiento natural del orden de varias unidades -@D@6 42m5 8.. Con movimiento for"ado del orden de varias decenas -@6D@66 42m5 8.. Caso de l#uidos0 Con movimiento natural del orden de al!unas centenas -@66 42m5 8.. Con movimiento for"ado del orden de al!unos millares -@666 42m5 8.. Caso de fluidos en cambio de fase0 E Del orden de al!unos millares -@666 42m5 8. Esta !ran variedad de coeficientes deconveccin hace #ue el comportamiento alpaso de calor en el caso de !ases sea mu) diferente con respecto a los dem*s. Enotras palabras, la resistencia trmica #ue ofrece un l#uido o un fluido en cambio defase es despreciable frente a la #ue ofrece un !as. =.=.@ 'esistencias trmicas convectivas en caso de placas planas Particulari"adalaanterior ecuacinal casodeunaplacaplanaen#ueten!amos unadiferencia de temperaturas DT entre la superficie ) el fluido0 Donde se define la resistencia trmica por conveccin de una placa plana como0=.A C3%F' :/TE'C3MG:3DF E/ H/ E%EME/TF CFMPHE,TF PF'D:1E'E/TE, C3P3, Es evidente #ue en estado estacionario -constancia de temperaturas a ambas partes de unelementoconel tiempo., lacantidaddecalor #ueatraviesacadaunadelas capas esconstante -evidentemente se supone #ue no existe cambio de fase en nin!una capa.. 'esaltemos #ue asumimos el estado estacionario, ) no presencia de radiacin de lon!ituddeondacorta-exposicinsolar., porlotanto, medianteel usodeestasexpresionesnoobtendremos el calor real transferido por los muros exteriores de un edificio por e$emplo ,)a #ue no consideramos ni inercia trmica, ni radiacin solar. De forma !eneral se deber* contar la posibilidad de existencia de intercambio convectivo )radiante a ambas partes del elemento. =.A.@ Caso de capa plana %as anteriores afirmacionesseresumen paraplacas planasen laconstancia delflu$o decalor por unidad de *rea, es decir0Rconvradplana,=TiRcondplana.i=TextRconvradplana.extTqA=De donde se obtiene, simplemente sumando numeradores ) denominadores -propiedad delas fracciones., ) contabili"ando todas las capas.0I #ue en !eneral se expresa como0=.? 'E,:,TE/C:3 TJ'M:C3 K%FG3%. CFE1:C:E/TE K%FG3% DET'3/,1E'E/C:3 DE C3%F' Encadaunadelasconfi!uracionesanali"adassepuederesumirlacontribucindelasdiferentes capas de material ) la existencia de conveccin ) radiacin en una resistenciatrmica !lobal del sistema, ) con su inversa definir el coeficiente !lobal de transferencia decalor, as0 E Paredes=.> Keneracin interna de calorMuchas aplicaciones pr*cticas de la transferencia de calor comprenden la conversin deal!una forma de ener!a en ener!a trmica en el medio. ,edice #ue los medios de ese tipo comprenden !eneracin interna de calor, l cual semanifiesta como una elevacin en la temperatura en todo el medio. 3l!unos e$emplos de!eneracin de calor son el calentamiento por resistencia enalambres, las reacciones #umicas exotrmicas en un slido ) las reacciones nucleares enlas barras de combustible nuclear, en donde las ener!as elctrica,#umica ) nuclear se convierten en calor.%a temperatura de un medio se eleva durante la !eneracin de calor, comoresultado de la absorcin del calor !enerado por el medio durante el periodotransitorio de arran#ue. 3 medida #ue se incrementa la temperatura del medio,tambin aumenta la transferencia de calor de ese medio hacia sus alrededores.Esto contin&a hasta #ue se alcan"an las condiciones de operacin estacionarias) la velocidad de !eneracin de calor es i!ual a la ra"n de la transferenciade calor hacia los alrededores. Hna ve" #ue se ha establecido la operacinestacionaria, la temperatura del medio en cual#uier punto )a no cambia.=.; conveccion natural sobre superficies planas de forma vertical%a transferencia de calor por conveccin natural sobre una superficie dependede la confi!uracin !eomtrica de sta as como de su orientacin. Tambindepende de la variacin de la temperatura sobre la superficie ) de las propiedadestermofsicas del fluido #ue interviene.3un cuando comprendemos bien el mecanismo de la conveccin natural, las comple$idadesdel movimiento del fluido hacen #ue sea mu) difcil obtener relaciones analticas sencillaspara la transferencia de calor mediante la resolucinde las ecuaciones #ue ri!enel movimiento )la ener!a. Existenal!unas solucionesanalticas para la conveccin natural, pero carecen de !eneralidad, )a #ue se obtienen paraconfi!uraciones !eomtricassimples conal!unas hiptesissimplificadoras.Por lotanto,con la excepcin de al!unos casos simples, las relaciones de transferencia de calor en laconveccinnatural sebasanenestudios experimentales. Del numeroso!rupodeesascorrelaciones, de comple$idad variable ) de proclamada exactitud de las #ue se dispone enlaliteraturaparacual#uierconfi!uracin!eomtricadada, a#u presentamoslas#ueseconocen me$or ) #ue se usan con m*s amplitud.%as correlaciones empricas sencillas para el n&mero promedio de /usselt/u en la conveccin natural son de la forma en donde 'a% es el n&mero de 'a)lei!h, el cual es el producto de los n&meros de Krashof )de Prandtl0%os valores de las constantes C ) n dependen de la confi!uracin !eomtricade la superficie ) del r!imen de flu$o, el cual se caracteri"a por el ran!o deln&mero de 'a)lei!h. El valor de n suele ser para el flu$o laminar ) para el turbulento. Elvalor de la constante C normalmente es menor #ue @.En la tabla @ sedan relaciones simples para el n&mero promedio de /usseltpara varias confi!uraciones !eomtricas, $unto con es#uemas de estas &ltimas.Enestatablatambinsedanlaslon!itudescaractersticasdelasconfi!uraciones)losintervalos del n&mero de 'a)lei!h en los cuales la relacin es aplicable. Todas laspropiedades del fluido deben evaluarse a la temperatura de pelcula0 Tf =12(Ts+T )Tabla nL @ correlaciones empricas del n&mero de /usselt para la conveccin natural sobresuperficies IV. FV. FVI. FVII. FVIII. FI:. F:. F:I. F