UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

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1 UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II INFORME Transferencia de calor por CONDUCCIÓN. Natalia Ballesteros, Julián Vargas Echeverri, María Claudia Romero. ABSTRACT Generally the metals present a good heat transfer that is product of his facility in the mobility of his electrons, additionally a hot body have tendency to transfer his energy for a cold body until get to equilibrium, this situation can be represent by an analysis of temperature vs. distance in a solid body. KEYWORDS: heat transfer, conduction, Fourier s law. OBJETIVOS Conducción axial: Construir el perfil de temperatura de una barra cuando se induce calor, mediante la transformación de energía eléctrica en térmica. Determinar la conductividad térmica de acero inoxidable y aislantes. Construir el perfil de temperatura de una barra compuesta con diámetro uniforme y de una barra simple con cambio de diámetro. Determinar el flujo axial de transferencia de calor en una simple y con cambio de diámetro. Conducción radial: Construir el perfil de temperatura de un disco cuando se induce calor desde el centro a la periferia, mediante la transformación de energía eléctrica en térmica. Determinar la conductividad del bronce. INTRODUCCIÓN Son muchos los procesos industriales en los que podemos ver relacionados la importancia de la conducción de calor. Un ejemplo muy común es el empleo de ciertos materiales que exhiben una alta conductividad térmica en procesos de calentamiento, podemos nombrar el aluminio que gracias a su alta conductividad del calor es ampliamente usado en la fabricación de utensilios de cocina y en pistones de motores de combustión interna,. también También se destaca el empleo del acero y sus aleaciones en la fabricación de intercambiadores de calor y sus partes, por ser altamente conductivo y facilitar el intercambio calorífico entre los fluidos. Incluso los diamantes auténticos tallados, son utilizados como películas en la superficie de algunos chips electrónicos donde el calor debe disiparse rápidamente gracias a su capacidad para la conducción térmica. También pueden encontrarse aplicaciones de conducción en los radiadores, en los que el calor sobrante, transportado por el líquido refrigerante, es transmitido por convección y conducción a la superficie de las aletas y de allí por radiación térmica al vacío. Cabe mencionar también las aplicaciones de conducción en las parrillas de los fogones eléctricos que son calentadas por medio de una resistencia eléctrica que produce el calor que se va a conducir a través de ellas. Bibliografía consultada?

2 DATOS 1. Conducción a través de una barra simple, de diámetro uniforme. INDUCIDA (W) 5.5W INDUCIDA(W) 6.1W Conducción a través de una barra compuesta de diámetro uniforme. INDUCIDA (W) 5.3W INDUCIDA(W) 6.0W Conducción de calor a través de una barra simple con cambio de diámetro. 4. Conducción radial INDUCIDA (W) 5.4W W 12.6W INDUCIDA (W) INDUCIDA(W)

3 CALCULOCÁLCULO. MODELO DE CÁLCULO. = 2 1. Conducción de calor a través de una barra simple de diámetro uniforme. Donde 1.1 Grafica Gráfica de perfil de temperatura (temperatura vs distancia). es el diámetro del cilindro de bronce 25 mm Se muestra en los resultados. 1.2 Determinar la transferencia de calor Q. Usar la ecuación de ley de Fourier. Usar el valor de k que se calculara en el modulo de radiación. Comparar el Q encontrado con la potencia suministrada Ley de Fourier = Ley de Fourier para Conducción axial y área constante. = Conductividad térmica del bronce Para conocer este valor se utilizo utilizó un valor estimado a partir de la literatura [1] el valor utilizado es 116 W/m K (en la guía se pedía trabajar con el valor de k obtenido en el módulo de radiación Modelo de cálculo. = 25/ = m Para una potencia de 5.5 W ( )= 34.6 = =0.08 Donde = ( ) = ( ).. = 24.6 Rata de flujo de calor Área perpendicular a la transferencia de calor en m 2 Conductividad térmica del bronce Área perpendicular a la transferencia de calor. 2. Conducción a través de una barra compuesta de diámetro uniforme. 2.1 Grafico Gráfico Perfil de temperatura (temperatura vs distancia) Se muestra en los resultados.

4 2.2 Determinar el coeficiente global de transferencia de calor (U). Calcule la conductividad térmica del acero inoxidable. Donde: = = K1 conductividad térmica del bronce. K2 conductividad térmica del acero. Q flujo de calor suministrado. L1, L2, L3 longitud correspondientes a cada tramo de la barra. T Cambio de temperatura entre los puntos inicial y final de la barra. A área seccional de la barra Modelo de cálculo. Para una potencia de 5.3 W =5.3 = 25/ = m =36.8 = No se conoce con exactitud las distancias. L1= 25 mm=0.025m L2=30mm=0.03 m L3= 25 mm=0.025m Cada sección de la barra tiene 3 conectores, y cada conector se separa de los demás en 10 mm, así que cada sección mide por lo menos 30 mm. La conductividad térmica del acero inoxidable es: = = 1 (293.32)(0.03) 1 2 (293.32)(0.025) (116) = Conducción de calor a través de una barra simple con cambio de diámetro. 3.1 Grafico Gráfico perfil de temperatura (temperatura vs distancia). Se muestra en los resultados 4. Conducción radial 4.1 Gráfico perfil de temperatura (temperatura vs distancia) Se muestra en los resultados 4.2 Conductividad térmica del bronce Donde = 2(1 2) K conductividad térmica del material Q flujo de calor suministrado L Espesor del disco 3 mm =0.003 m R radio en la posición n Modelo de cálculo. Para una potencia de 11.5 W =11.5 = 80 8 =10

5 =11.5 (1 2)=5.5 = (.)(.) RESULTADOS 1. Conducción de calor a través de una barra simple de diámetro uniforme. Temperatura C Perfil de temperatura Conducción barra simple, diámetro uniforme Distancia mm 5.5W 6.1W 5.5 W 6.1 W Q rata de flujo de calor 24.6 W 27.0W 2. Conducción a través de una barra compuesta de diámetro uniforme. Temperatura C Perfil de temperatura Conducción barra compuesta, diámetro uniforme W 6.0W Distancia mm 5.3 W 6.0W

6 Coeficiente de transferencia de calor Conductividad térmica del acero inoxidable W/m2K W/ /m2k W/ mk / mk 3. Conducción de calor a través de una barra simple con cambio de diámetro. Temperatura C Perfil de temperatura Conducción barra simple, cambio de diámetro Distancia mm 5.4W 4. Conducción radial. K conductividad térmica del bronce 11.5 W 12.6 W W/m K W/m K

7 DISCUSIÓN Y ANALISIS DE RESULTADOS. Los gráficos de temperatura vs distancia encontrados dan muestra de que hay muy buena conducción en los metales, esto se puede ver muy claramente en el gráfico de conducción radial en el cual la conducción se muestra de forma casi lineal y constante,. en En la barra compuesta y en la barra con cambio de diámetro, en las graficas gráficas se evidencian caídas de temperatura producto de que hay un mal contacto entre las superficies y la falta de toma de datos en la zona intermedia. Al hallar el calor por medio de la ecuación de Fourier en barra simple se observa que difiere mucho del calor suministrado, ya que no se tiene un dato confiable de conductividad del bronce, valor que depende de la temperatura, lo mismo cuando se calcula esta conductividad en conducción radial, los valores son más altos que el reportado en la literatura y presenta diferencias grandes al pasar de una potencia a la otra. Al medir la conductividad del acero no se tienen datos precisos de las longitudes y se evidencia que la conductividad del acero, es mucho menor que la del bronce. BIBLIOGRAFIA [1] Fisicanet. Publicación electrónica en línea: CONCLUSIONES Cuanto mayor es la conductividad del material se observa que la caída de temperatura no es tan drástica y la energía fluye más fácilmente a lo largo del material obteniéndose una temperatura muy similar a una buena distancia de donde está la fuente de la energía, en cambio si se tiene un material no muy buen conductor se espera que la temperatura a lo largo del material sea mucho menor a la temperatura de la fuente de energía. El flujo de calor depende del área por donde fluye, si se disminuye el área de transferencia de calor disminuye el calor que puede fluir por el material y se observa una caída de la temperatura a lo largo que se va alejando de la fuente de energía. El estudio de la ley de Fourier es bastante útil, ya que se tiene en cuenta las propiedades térmicas de cada material, para modelar la transferencia de calor por conducción. namica/tb03_conductividad.php Incropera, Frank; De Witt, David P. Fundamentos de transferencia de calor. Prentice may, 4º edición; México; Donald, Q. Kern. Procesos de transferencia de calor. McGraw-Hill: México; 1965.

8 CONDUCCIÓN Ítem evaluado Observaciones Nota Objetivos e introducción Bien 5,0 10 Abstract y palabras clave Datos obtenidos tabulados y correspondencia con el preinforme En el abstract están mencionando sólo teoría. No están mencionando lo que se mostrará en el informe. % informe 4,2 7 5,0 7 Bien Cálculo Modelo Bien 5,0 12 Resultados Tabulados Bien 5,0 17 Discusión y análisis Lo descrito está bien. Falta un poco de profundidad en el análisis 4,6 22 Conclusiones Bien, aunque falta tocar algunos aspectos analizados en el informe 4,5 12 Bibliografía Bien, pero no se indica en el informe el uso de la segunda bibliografía 4,5 7 Presentación del informe 5,0 6 Bien NOTA FINAL 4,8