LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

ESCUELA POLITCNICA NACIONALFACULTAD DE INGENIERA MECNICALABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR II

PRCTICA N 1TTULO: Transferencia de Calor en superficies extendidas en estado estableGRUPO N: 7INTEGRANTES: NOTA: Aluisa Gmez Ricardo David Chiguano Niquinga Alex Omar Chusin Cayo Mario Fabin Pozo Peaherrera Willer Wladimir Romero Fuentes Eduardo Felipe FECHA DE REALIZACIN: 23/04/2015FECHA DE ENTREGA: 30/04/2015

I. TEMA: Transferencia de Calor en superficies extendidas en estado estableII. OBJETIVOS: Evaluar las caractersticas termo fsicas de diferentes superficies extendidas. Obtener las curvas de distribucin de temperatura experimentales para diferentes tipos de aletas. Evaluar los datos experimentales con los datos obtenidos por el mtodo de elementos finitos y los datos tericos. Determinar el coeficiente de conveccin global para el equipo. Determinar la eficiencia de cada una de las superficies extendidas.

III. MARCO TERICO:Transferencia de Calor

La transferencia de calor es el cruce de energa desde un cuerpo de mayor temperatura a otro que tenga menor temperatura, esto es resultado del segundo principio de la termodinmica. La transferencia de calor conlleva tres modos para su realizacin: conduccin, conveccin y radiacin.

Fig. 1. Esquema de los mecanismos de transferencia de calor

CONDUCCINUno de los mecanismos de transferencia de calor es la conduccin, la cual es en escala atmica ya que se produce un choque de unas molculas con otras, donde las partculas ms energticas le entregan energa a las menos energticas, es as como se produce un flujo de calor desde la temperatura ms alta a la ms baja. En este mecanismo de transferencia de calor se usa la denominada ley de Fourier:

k: Conductividad trmica del material.A: rea perpendicular a la direccin de flujo de calor Gradiente de temperatura.

CONVECCINEste mecanismo de transferencia de calor se da por el movimiento de masa o por la circulacin dentro de la sustancia. La conveccin se puede realizar de dos maneras, natural se da solo por la diferencia de densidades de la materia y la forzada cuando la materia es obligada a moverse.La conveccin est dada por la ley de enfriamiento de Newton:

h: Coeficiente de transferencia de calor por conveccin.A: rea perpendicular a la direccin de flujo de calor. Son las temperaturas que actan en la conveccin.

RADIACINEs la energa expulsada por la materia que se encuentra a una temperatura dada, este mecanismo de transferencia de calor se produce directamente desde la fuente hacia su exterior en todas las direcciones. Esta energa se da por los cambios en las configuraciones electrnicas de los tomos y son transportadas por ondas electromagnticas.

Emisividad del Material. Constante de Stefan-Boltzman.

SUPERFICIES EXTENDIDASCuando se habla de una superficie extendida tambin llamada aleta, se hace referencia a un slido que combina la transferencia de energa por conduccin, conveccin y radiacin entre sus lmites y los alrededores. Estas superficies extendidas ayudan a incrementar el calor.Existen diferentes tipos de aletas: Longitudinales. Radiales. Espinas.

Fig. 2. Tipos de aletas

A continuacin se presenta la ecuacin general que rige el clculo en superficies extendidas.

Fig. 3. Esquema de la ecuacin general de superficies extendidas.

IV. PREGUNTAS:Si el equipo del laboratorio se traslada a otro ambiente, funciona?

El equipo del laboratorio est diseado con un factor de seguridad de potencia de 20% a una temperatura ambiente de 20C, por lo que el cambio de ambiente no le afectara significativamente, ya que la variacin de la temperatura de medio es en un valor no muy alto.

Qu pasara si la aleta de este equipo fuera de otro material?

Con materiales que tengan valores de conductividad trmica mayor que la del acero y menor que la del aluminio, el equipo funciona normal. Con los materiales con conductividades trmicas que no se encuentren dentro del rango, antes mencionado, los valores de los resultados seran muy diferentes, por lo que sera necesario calcular la potencia requerida para alcanzar un estado estable en un tiempo corto.

Por qu es necesario lubricar la placa de la aleta y la fuente de calor?, influye la viscosidad del aceite?

Es importante lubricar la placa de la aleta y la fuente de calor debido a que de esta forma se reduce la resistencia de contacto, generado por ciertas condiciones del material como la rugosidad, la temperatura en la superficie de contacto, los fluidos que estn atrapados en la interfaz, entre otras. Al poner una pelcula de aceite en la interfaz, aumenta la transferencia de calor en este medio, ya que el aceite tiende a llenar los vacos que se encuentran en la interfaz, como producto de las rugosidades del material. Adems el aceite tiene una conductividad trmica mayor que la del aire, lo cual permite disminuir la resistencia de contacto. La seleccin del aceite a utilizar en el equipo es muy importante, debido a que si sta tiene una densidad baja, fluye muy rpido y la superficie queda sin la pelcula de aceite requerida. Por otro lado, si el aceite es demasiado viscoso, no alcanza a llenar los intersticios de la superficie de contacto, con los cual no est cumpliendo su funcin que es reducir la resistencia de contacto.

V. ELABORACIN DEL CUADRO DE DATOS:Superficie extendida de seccin circular de Acero

Temperatura [C]Distancia [mm]

1000

56100

34200

23300

Superficie extendida de seccin circular de Aluminio

Temperatura [C]Distancia [mm]

1000

94100

84200

75300

VI. CLCULOS:

a. Coeficiente global de conveccin

Para calcular el coeficiente global de conveccin se tiene en cuenta las siguientes consideraciones: La temperatura base de la aleta que es de 100C, esta temperatura es igual en toda la superficie de las aletas. El valor de las propiedades del aire se hacen a temperatura promedio que resulta de hacer un promedio de la temperatura bases con la temperatura . El coeficiente de conveccin resultante de la aleta de seccin circular constante de aluminio ser igual para todas las aletas. La Lc es igual al D de la aleta de seccin circular constante.

Coeficiente de conveccin global de la aleta de Aluminio.Datos:

Propiedades del aire 1 atm; Tprom=333 KExtrado del libro de Incropera y Dewitt, 1999, pg. 839

Clculo:

b. Distribucin de temperatura

Superficie extendida de seccin circular de acero

Condicin adiabtica:

Para

Para

Para

Para

Superficie extendida de seccin circular de aluminio

Condicin adiabtica:

Para

Para

Para

Para

c. Transferencia de calor

Superficie extendida de seccin circular de acero

Transferencia de calor del rea libre

Transferencia de calor total

Superficie extendida de seccin circular de aluminio

Transferencia de calor del rea libre

Transferencia de calor total

d. Eficiencia de las aletas

Superficie extendida de seccin circular de acero

Superficie extendida de seccin circular de aluminio

VII. TRABAJOS:a. En un software basado en elementos finitos obtener las curvas de distribucin de temperatura para las diferentes aletas.

Captura [1]: Curvas de estabilizacion del Acero.

Captura [2]: Curvas de distribucion del Acero.

Captura [3]: Curvas de estabilizacion del Aluminio.

Captura [4]: Curvas de distribucion del Aluminio.

b. Comparar los datos simulados y tericos con los datos experimentales.

Captura [5]: Curvas de distribucion del Acero, datos simulados vs experiementales.

Captura [6]: Curvas de distribucion del Aluminio, datos simulados vs experiementales.VIII. ELABORACIN DE GRFICOSa. Elaborar las curvas de distribucin de temperaturas simulada, terica y experimental para cada aleta.

Simulacin [1]: ACERO

Simulacin [2]: ALUMINIOb. Elaborar las curvas de distribucin de temperatura experimental de las dos aletas.

Simulacin [3]: Curva de distribucin del ACERO

Simulacin [4]: Curva de distribucin del Aluminio

IX. ANLISIS DE RESULTADOS:En las curvas de estabilizacin se puede apreciar que la temperatura incrementa de manera rpida hasta alcanzar un punto de estabilizacin despus de un periodo de tiempo. Adems, la temperatura vara de acuerdo a la distancia desde la base de la aleta debido al enfriamiento por la transferencia por conveccin, es decir, la temperatura en la base es mayor a la temperatura en el extremo de la aleta.Se puede apreciar al momento en que el acero alcanza los 100 C en su base su extremo posee una temperatura de 23C mientras que el Aluminio al alcanzar 100C en su base, su extremo posee una temperatura de 75C lo que sugiere que el acero es mejor material para casos de enfriamiento adems de tener un coeficiente de conveccin ms elevado que el del aluminio.Dentro de la curva de distribucion del Acero comparando datos simulados vs experiementales podemos observar que en los datos experimentales existe un enfriamiento mas severo que los datos simulados esto puede ocurrir debido al medio ambiente experimental puede existir un movimiento del fluido externo en este caso el aire lo que aumenta el porcentaje de transferencia de calor por conveccion.A diferencia del acero, en el aluminio los datos simulados vs experimentales no existe una diferencia de temperatura en el extremo de la aleta mayor a 5C esto es debido al coeficiente de conveccion que presenta al aluminio.Existi cierta discrepancia en los sensores de temperatura ya que el sensor del extremo marcaba mayor temperatura que el sensor anterior a ese. Despus de volver a reiniciar el equipo este error se corrigi y se pudo obtener datos ms coherentes en la temperatura de estabilizacin.

X. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Mario Chusin En el diseo de cualquier equipo de transferencia de calor es muy importante considerar un factor de seguridad en el diseo, en este caso se considera la potencia mxima que se requiere para obtener una temperatura deseada, ya que de esta forma se puede acoplar a las diferentes condiciones sin la necesidad de un rediseo completo de dicho equipo.

En la construccin de un equipo como la que se est usando para el anlisis de trasferencia de calor por las aletas, es de suma importancia tomar en cuenta las propiedades fundamentales del material que mayormente afecta a los resultados, como en este caso es la conductividad trmica de los materiales. Adems se debe considerar la mayor cantidad de datos posibles que puede afectar al problema para que los resultados sean lo ms cercano a la realidad.

El aceite SAE-50 utilizado en este equipo tiene la propiedad requerida para soportar temperaturas altas en el contacto, as como la viscosidad adecuada para ocupar los intersticios en el interfaz y permitir una mejor transferencia de calor por dicho medio.Wladimir PozoConclusiones: Se concluye que la transferencia de calor dentro de una superficie extendida es una forma eficiente para enfriar equipos de forma natural utilizando el concepto de conveccin natural y asi abaratar costos de fabricacin y refrigeracin. De acuerdo a la naturaleza del material cada uno presenta un distinto coeficiente de conveccin por que el trabajo como ingenieros es disear el equipo con el mejor material y geometra para que la eficiencia del equipo aumente y si es su caso que se requiera refrigeracin optar por la alternativa de aletas que trabajen bajo el concepto de conveccin natural. La forma de la aleta determina en gran porcentaje la transferencia de calor a obtener adems que esta debe justificar su uso con un clculo de efectividad sobre la mismas. Por lo tanto, el campo de uso en tema de aletas es bastante amplio y las aplicaciones dentro de la industria son siempre con el fin de abaratar costos y mejorar eficiencias.

Recomendaciones: Se recomienda colocar una capa adecuada de aceite en la base de la aleta con el fin de reducir la resistencia por contacto en la transferencia de calor. Calibrar los sensores de temperatura y colocarlos en el orden correcto con el fin de que el programa de simulacin muestre datos mas aproximados a los datos tericos.

Eduardo RomeroConclusiones: La transferencia de calor a los largo de las aletas es eficiente cuando la efectividad es mayor a un valor de 2 por lo que debe justificar su diseo en cuanto a costos en su produccin. La temperatura de las aletas en el extremo difieren bastante con respecto a los clculos obtenidos tericamente y puede ocurrir debido a errores en el equipo. El coeficiente de conveccin del acero es mucho mayor que el aluminio lo que facilitar la transferencia de calor por conveccin y asi enfria la aleta de manera mucho mas efectiva.Alex ChiguanoConclusiones: La superficie extendida de aluminio disipa el calor de mejor manera que la de acero, esto se puede concluir ya que esta aleta alcanz la temperatura de 100C en un menor tiempo, esto es debido a que la conductividad trmica del aluminio es mucho mayor a la de acero. La aleta de aluminio tiene una efectividad del 82.15%, esto se debe a su conductividad; es decir la aleta de este material se puede usar para un diseo adecuado. Se debe tomar en cuenta la geometra de la aleta es decir su rea, esta es un factor muy importante para el diseo y elaboracin de la misma, puesto que a mayor rea mayor es el calor disipado.

Recomendaciones: Se debe tomar en cuenta la enumeracin de las termocuplas ya que si no se las colocan en orden se puede producir errores al momento de tomar los datos de temperatura. Reprogramar correctamente el software utilizado debido a que este posee errores de programacin.

Ricardo Aluisa:Conclusiones: Para una correcta simulacin se debe tomar en cuenta los valores ms cercanos a los de la realidad para los materiales de cada una de las aletas. Para esta simulacin los valores ms importantes son: conductividad trmica, temperatura base, coeficiente de conveccin. Las simulaciones obtenidas en la prctica (experimentales) difieren en cierto grado de las tericas o de las simulaciones realizadas con programas de utilizados en elementos finitos, debido a que los factores externos varan dependiendo a la temperatura ambiente que se tenga en el momento de realizar las mediciones, esto se debe a que el coeficiente de conveccin es calculado de acuerdo a estos valores. En el laboratorio se observa con detalle el fenmeno que se obtiene en una superficie extendida visualizando como ocurre el proceso desde que inicia la transferencia de calor hasta que llega a un estado estable, esto se compara con los valores reales y en el mismo laboratorio se puede llegar a deducir los fenmenos que se realizan en el proceso.

Recomendaciones: Rectificar el problema que existe en la programacin del sistema utilizado en el laboratorio para que no existan confusiones, y se obtengan las grficas correctas en cada uno de los elementos de estudio. Revisar el estado de las termocuplas puesto a que el desgaste que se produce por el calor en estas produce que su precisin vare con el tiempo.

XI. BIBLIOGRAFAInzunza, J. (sf.). Transferencia de Calor. Recuperado el 28 de Abril de 2015, de Mecanismos de Transferencia de Calor: http://old.dgeo.udec.cl/~juaninzunza/docencia/fisica/cap14.pdfJ.M. Corbern, R. R. (2001). UPV. Recuperado el 28 de Abril de 2015, de Superficies Extendidas: http://www.upv.es/upl/U0296617.pdfNetto, R. (s.f.). Fisicanet. Recuperado el 28 de Abril de 2015, de Transferencia de Calor: http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap08_transferencia_de_calor.php

XII. ANEXOS (Hoja de datos escaneada, , etc)21