Practica 1 transferencia de calor PDF

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practica sobre la conductividad termica...

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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TEPIC DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y BIOQUÍMICA INGENIERÍA BIOQUÍMICA

FENÓMENOS DE TRANSPORTE II

PRÁCTICA NO. 1 CONDUCCIÓN DE CALOR Y DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURA EN ACCESORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE SUPERFICIE EXTENDIDA

INTEGRANTES DEL EQUIPO 4: •

MÁRQUEZ HUERTA AIDÉ JAZIVE

18400187

•

MORALES MIRAMONTES VALERIA YAMYLEÉ

18400196

•

PÉREZ MARTÍNEZ JAYLENNE SARAHÍ

18400204

•

RAMOS MONROY JAZFELY DEL CARMEN

18400139

•

URIBE SÁNCHEZ ARACELY

18400226

M.C. AIDE LEDEZMA MORALES

MARZO 17, 2021.

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ÍNDICE FUNDAMENTOS TEÓRICOS ........................................................................................ 3 OBJETIVOS ................................................................................................................... 4 MATERIALES ................................................................................................................ 4 METODOLOGÍA ............................................................................................................ 4 RESULTADOS ............................................................................................................... 7 ANÁLISIS DE RESULTADOS ........................................................................................ 9 CONCLUSIÓN ............................................................................................................. 10 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................. 10

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FUNDAMENTOS TEÓRICOS Una superficie extendida (también conocida como aleta) es un sistema que combina la conducción y la convección entre un sólido en transferencia de energía de sus fronteras o entre sus fronteras y el medio que las rodea (Domingo, 2011). Se utilizan específicamente para mejorar la velocidad de transferencia de calor entre un sólido y el fluido adyacente. La velocidad de transferencia de calor se puede incrementar aumentando el área de la superficie a través de la cual ocurre la convección, se consigue empleando aletas que se extienden desde la pared del fluido que la rodea. Siempre que existe una diferencia de temperatura , la energía se transfiere de la región de mayor temperatura a la de temperatura más baja; de acuerdo con los conceptos termodinámicos la energía que se transfiere como resultado de una diferencia de temperatura, es el calor. Sin embargo, aunque las leyes de la termodinámica tratan de la transferencia de energía, sólo se aplican a sistemas que están en equilibrio; pueden utilizarse para predecir la cantidad de energía requerida para cambiar un sistema de un estado de equilibrio a otro, pero no sirven para predecir la rapidez (tiempo) con que puedan producirse estos cambios. La fenomenología que estudia la transmisión del calor complementa los Principios Primero y Segundo de la Termodinámica clásica, proporcionando unos métodos de análisis que permiten predecir esta velocidad de transferencia térmica (Bravo, 2013). Para determinar la velocidad de la transferencia de calor asociada con la aleta se debe determinar la distribución de temperatura en la aleta. Para ello se efectúa un balance de energía sobre un elemento diferencial apropiado. El HT10XC de Armfield es una unidad de servicio, que puede ser usado en conjunción con una gama de accesorios de pequeña escala para una amplia gama de manifestaciones en los modos de transferencia de calor. Los factores que afectan la transferencia de calor pueden ser investigados y algunos de los problemas prácticos asociados a la transferencia de calor se pueden demostrar con claridad. Una característica específica de la HT10XC es que incorpora las instalaciones y medidas de seguridad para permitir que los accesorios para ser controlado remotamente desde una computadora externa, cuando sea apropiado. Con adecuado (usuario siempre) de software, esto significa que el equipo puede ser controlado de forma remota, por ejemplo, a través de una intra-net o incluso a través de Internet. Todas las instalaciones también se pueden acceder localmente utilizando los controles del panel frontal y la pantalla (Díaz, 2017). Con el HT10XC se entrega un software didáctico aplicable a todos los módulos complementarios dedicados a la termotransfrencia. Cada módulo tiene su programa y cada programa cuenta con una selección de prácticas sugeridas.

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OBJETIVOS Obtener la distribución de temperatura a lo largo del accesorio de transferencia de calor de superficie extendida Armfield HT15 (varilla metálica), tanto experimental como teóricamente, y comparar los resultados.

MATERIALES HT15 Accesorio de transferencia de calor de superficie extendida Unidad de servicio de transferencia de calor compatible con computadora HT10XC a) Computadora con software para equipo HT15

• •

METODOLOGÍA a) Configuración del equipo Ubicar el Accesorio de transferencia de calor de superficie HT15 junto con la Unidad de servicio de transferencia de calor HT10XC en un banco adecuado lejos de corrientes de aire o fuentes de radiación.

Conectar los nueve termopares en el HT15 a las tomas apropiadas en la parte frontal de la unidad de servicio.

Corroborar que las etiquetas en los cables del termopar (T1 - T9) coincidan con las etiquetas en los enchufes. Ajustar el potenciómetro CONTROL DE VOLTAJE al mínimo (en sentido antihorario) y el interruptor selector en MANUAL luego conectar el cable de alimentación desde el HT15 a la toma marcada SALIDA 2 (HT10XC; (25)) en la parte posterior de la unidad de servicio.

Comprobar que la unidad de servicio esté conectada a un suministro eléctrico.

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b) Procedimiento o Usando software

No

Encender el interruptor de la red eléctrica frontal

¿Los medidores del panel se iluminan?

Sí Ajustar el voltaje del calentador a 20 voltios utilizando la caja de control en la pantalla del diagrama de mímica

Verificar el RCD arriba de la unidad de servicio

Controlar la temperatura T1 regularmente usando la pantalla del software

Cuando T1 alcance 80 °C, reducir el voltaje del calentador a 9 voltios

Primera vuelta

Permitir que el HT15 se estabilice utilizando la pantalla del software

Seleccionar el icono para registrar el voltaje, la corriente

Establecer el voltaje del calentador en 16 voltios

Segunda vuelta

Permitir que el HT15 se estabilice.

Crear una nueva hoja de resultados registrar las lecturas

y

Si el tiempo lo permite, repetir las lecturas

Tercer vuelta

1) Ajustado a 12

2) Ajustado a 14

Cuarta vuelta

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o Manual

No

Encender el interruptor de la red eléctrica frontal

¿Los medidores del panel se iluminan?

Sí Ajustar el voltaje del calentador a 20 con la consola HT10XC, ajuste el potenciómetro r con el interruptor selector en la posición V Verificar el RCD arriba de la unidad de servicio

Controlar la temperatura T1 regularmente con el interruptor selector inferior

Cuando T1 alcance 80 °C, reducir el voltaje del calentador a 9 voltios

Primera vuelta

Permitir que el HT15 se estabilice con el interruptor / medidor del selector

Registrar los valores manualmente desde las pantallas de la consola.

Establecer el voltaje del calentador en 16 voltios

Segunda vuelta

Permitir que el HT15 se estabilice.

En una hoja nueva registrar las lecturas

Si el tiempo lo permite, repetir las lecturas

Tercer vuelta

1) Ajustado a 12

2) Ajustado a 14

Cuarta vuelta

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RESULTADOS b) PRIMER CORRIDA A 9V

Thermocou ples description

Heat er Temperat Consta pow ure RHS nt m er constant Qin (W)

Heat Heat Thermocou Temperatu Ambie er er ples res along nt volta curre location x surface Tx temp ge V nt I (m) (ºC) Ta (ºC) (V) (A)

T1

0

52.51

19.2

9

0.3

2.7

1

T2

0.05

43.97

19.2

9

0.3

2.7

0.744

6.15

T3

0.1

37.6

19.2

9

0.3

2.7

0.553

6.25

T4

0.15

31.85

19.2

9

0.3

2.7

0.381

6.8

T5

0.2

28.44

19.2

9

0.3

2.7

0.278

7

T6

0.25

25.78

19.2

9

0.3

2.7

0.199

7.25

T7

0.3

23.93

19.2

9

0.3

2.7

0.143

0.2 0.14 7.7 5

T8

0.35

23.48

19.2

9

0.3

2.7

0.13

7.8 0.13

L=

0.35

T1=

52.51

m(medio)= 6.9929

T9=

19.2

Tx calculado

𝑇𝑥−𝑇9 𝐶𝑜𝑠ℎ [𝑚(𝐿−𝑥)] = 𝑇1−𝑇9 𝐶𝑜𝑠ℎ (𝑚𝐿) 𝐶𝑜𝑠ℎ [𝑚(𝐿−𝑥 )](𝑇1−𝑇9)

Tx=

𝐶𝑜𝑠ℎ (𝑚𝐿)

1 0.74 4 0.55 2 0.38 1 0.27 5

+ T9 52.51

Temperatura Tx (ºC)

Primera corrida a 9V 60 50 40 30

Tx

20

tx calculado

10 0 0

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Distancia x (m) Gráfica 1.1. Primera corrida

42.85812144 36.12803597 31.48857375 28.36675824 26.37704321 25.2736976 24.92045752

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SEGUNDA CORRIDA A 15.9V

•

Thermocou ples description T1

0

77.67

19.8

15.9

T2

0.05

57.44

19.8

15.9

T3 T4

0.1 0.15

44.52 35.36

19.8 19.8

15.9 15.9

T5

0.2

30.55

19.8

15.9

T6

0.25

27.54

19.8

15.9

T7

0.3

25.65

19.8

15.9

T8

0.35

25.26

19.8

15.9

L=

Heat er Temperat Consta pow RHS ure nt m er constant Qin (W) 0.5 8.5 1 1 0.64 9 0.5 8.5 0.65 8.7 0.42 0.5 8.5 0.427 8.6 8 0.5 8.5 0.268 8.9 0.27 0.18 0.5 8.5 0.185 8.8 4 0.13 0.5 8.5 0.133 8.7 3 0.10 1 0.5 8.5 0.101 8.8 0.09 3 0.5 8.5 0.094 8.75

Heat Heat Thermocou Temperatu Ambie er er ples res along nt volta curre location x surface Tx temp ge V nt I (m) (ºC) Ta (ºC) (V) (A)

0.35

T1=

77.67 𝑇𝑥−𝑇9 𝐶𝑜𝑠ℎ [𝑚(𝐿−𝑥)] = 𝐶𝑜𝑠ℎ (𝑚𝐿) 𝑇1−𝑇9

8.75

m(medio)=

T9=

19.8 Tx=

𝐶𝑜𝑠ℎ [𝑚(𝐿−𝑥 )](𝑇1−𝑇9) 𝐶𝑜𝑠ℎ (𝑚𝐿)

− T9

Primera corrida a 15.9V Temperatura Tx (ºC)

90 80 70 60 50 40 30

Tx

tx calculado

20 10 0 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

Distancia x (m) Gráfica 1.2. Segunda corrida

Tx calculado 77.67 57.27776455 44.17416071 35.81081501 30.5612338 27.40448469 25.72664683 25.20141628

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ANÁLISIS DE RESULTADOS Se llevó a cabo un procedimiento para obtener la distribución de temperatura a lo largo del accesorio de transferencia de calor de superficie extendida Armfield HT15, a dos diferentes voltajes (9V y 15.9V). Debido a que el diámetro de la barra es pequeño en relación con su longitud (L), la conducción térmica se considera unidimensional, entonces la perdida de calor se puede suponer que es insignificante en el extremo (x=L). Por ello se empleó:

𝑇𝑥−𝑇9 𝑇1−𝑇9

=

𝐶𝑜𝑠ℎ [𝑚(𝐿−𝑥)] 𝐶𝑜𝑠ℎ (𝑚𝐿)

; 𝑇𝑥 =

𝐶𝑜𝑠ℎ [𝑚(𝐿−𝑥)](𝑇1−𝑇9) 𝐶𝑜𝑠ℎ (𝑚𝐿)

+ 𝑇9 Con el

propósito de observar el gradiente de temperatura a lo largo de la superficie extendida y demostrar que m es constante en todas las posiciones a lo largo de la superficie. De acuerdo a los resultados obtenidos, se observó que en la segunda corrida al aumentarle el voltaje al calentador de 9V a 15.9V, también aumenta la energía que se suministra al sistema, provocando que exista mayor disipación de calor y aumentando los gradientes de temperatura. La temperatura de la barra decae al aumentar la distancia de la fuente de calor, es decir, el gradiente de temperatura disminuye con mayor rapidez cuando se encuentra en el termopar más cerca del calentador termopar T1, y cuando están más alejados de la barra en el extremo frio termopar T9 (a temperatura ambiente del aire), disminuye más lentamente. En cambio, en la primera corrida a 9V, la energía suministrada al sistema fue menor, con una disipación de calor y gradientes de temperatura más bajos.

100 80 60 40 20 0

Corrida 2 0.2 0.25 0.3 0.35

Corrida 1 0 0.05 0.1 0.15

Temperatura Tx (ºC)

Distrubución de temperatura calculada

Distancia x (m) Gráfica 1.3. Ambas corridas, Tx calculada

En las gráficas 1.1 y 1.2, se muestras las variaciones entre los valores de Tx, los valores que arrojo el software y los calculados. Mostrando que fueron mínimas las variaciones, esto se debió a que m fue constante. https://drive.google.com/file/d/1AG3CD3dNlsJ0DiqWGqNrcTweAPfaHzLG/view?usp=sharing enlace para Excel con los cálculos.

P á g i n a | 10

CONCLUSIÓN Se llegó a la conclusión de es necesario conocer la distribución de temperatura a lo largo de la barra para determinar la transferencia de calor de la superficie a los alrededores, con ello, obtenemos que, al aplicar mayor energía al sistema, este aumenta su voltaje al igual que la temperatura. Se produjo una variación entre ambas corridas y esto nos indica que los resultados fueron correctos y que fue muy mínima la variación. Estas similitudes ocurrieron debido a que m fue constante, consideramos que, si las corridas hubieran tenido una variación mayor, se tendría que verificar y rectificar que los análisis que se realizaron y las fórmulas utilizadas fueran las correctas. Por otra parte, se logró el objetivo principal de esta práctica el cual era obtener la distribución de temperatura a lo largo del accesorio de transferencia de calor de lo experimental y teóricamente y con esto la comparación de ambos resultados.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS •

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Acón, S. G., Espinoza, L. A. D., Liang, J., Hernández, F. M., Fuentes, W. M., Padilla, H. O., ... & Granados, B. S. (2012). Modelación y simulación de disipadores de calor para procesadores de computadora en COMSOL Multiphysics. Tecnología En Marcha, 25(3), 4. Bejan, A. (2002). Fundamentals of exergy analysis, entropy generation minimization, and the generation of flow architecture. International journal of energy research, 26(7). Bird, R. B., Stewart, W. E., & Lightfoot, E. N. (1987). Fenómenos de transportes. Reverté. Bravo Calderón, C. J., & Guevara Granizo, A. F. (2013). Instalación y Automatización del Laboratorio de Transferencia de Calor (Bachelor's thesis). Çengel, Y. A., Transferencia de calor. McGraw Hill, México, 2a edición, 2004. Cornwell, K., Transferencia de calor. Ed. Limusa, México, 1981. Díaz Guevara, S. A., & Vega Patiño, G. E. (2017). Diseño y construcción de un intercambiador de calor de placas paralelas para el laboratorio de transferencia de calor. Domingo, A. M. (2011). Apuntes de transmisión de calor. Universidad Politecnica de Madrid, 34-37. Disponible en: http://oa.upm.es/16570/2/amd-apuntes-transmisioncalor-v2.4.pdf Kreith F., M.S. Bohn, "Principios de Transferencia de Calor", Thompson Learning, Mèxico,2001. Sáenz, Y. L. (2014). Caracterización termohidráulica del área de transferencia de calor en superficies extendidas mediante simulación numérica (Doctoral dissertation, Master Thesis, Universidad Autónoma de Nuevo León, Nuevo León). Disponible en: https://core.ac.uk/download/pdf/76590807.pdf...