LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR CONDUCCIÓN UNIDIMENSIONAL
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- María Teresa Quiroga Méndez
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1 LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR CONDUCCIÓN UNIDIMENSIONAL 1 OBJETIVOS o Comrobar el fenómeno de transferencia de calor or conducción, tanto en dirección axial como en dirección radial, sin desconocer la resencia de otras formas de érdidas de calor. o Determinar mediante datos exerimentales la conductividad térmica de diferentes materiales. o Verificar que la conductividad térmica es una roiedad indeendiente de la geometría. o Analizar el efecto de la conductividad térmica sobre la distribución de temeratura. 2 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO En esta ráctica se hará uso de una unidad de transferencia de calor que consta de dos módulos de conducción, una barra ara estudios de conducción lineal y un disco metálico ara estudios de conducción radial. (ver Figura 1). Figura 1. Esquema de equio utilizado. Lado izquierdo, conducción radial. Lado derecho, conducción axial.
2 En ambos módulos se tiene una unidad de calentamiento con resistencia eléctrica y una unidad de enfriamiento or circulación de agua y de ésta forma lograr un flujo de calor desde una fuente de alta temeratura hasta baja temeratura. Las unidades se encuentran aisladas con una cámara de aire y un revestimiento en nylon ara minimizar las érdidas de calor. Los sensores de temeratura ueden ser conectados a un monitor en el cual se ueden leer las temeraturas y ajustarse el suministro de energía. 3 CARACTERÍSTICAS Conducción lineal: Está constituido de una barra horizontal de 25 mm de diámetro, dividido en tres secciones, fuente de calor, unidad central removible de 30 mm de longitud y unidad de enfriamiento. Cada una de ellas cuenta con tres sensores de temeratura esaciados cada 10 mm. En la sección central uede ubicarse una barra de acero inoxidable de 25 mm de diámetro, una barra de bronce de 13 mm de diámetro o una barra de bronce de 25 mm de diámetro. Conducción radial: Está constituido or un disco en bronce de 3 mm de esesor y 110 mm de diámetro, rovisto de una unidad de calentamiento eléctrico central y una unidad de enfriamiento eriférico. Desde el centro a la eriferia se cuenta con seis sensores de temeratura esaciados 10 mm. 4 PROCEDIMIENTO En la conducción radial: 1. Para lograr un flujo estacionario de calor se debe conectar la unidad dos horas antes de realizar las mediciones. 2. Fijar las otencias de suministro. 3. Tomar las medidas de temeratura en los canales resectivos, registrar el caudal y la temeratura de entrada y salida del agua ara la configuración radial dada. Toda la información adquirida se anota en la siguiente tabla
3 Tabla 4 1 Mediciones ara la configuración radial 1 P1= P2= P3= 1 = t= t= t= t= t= t= t= t= t= CANAL TH2OE= TH2OS= TH2OE= TH2OS= TH2OE= TH2OS= T1 T2 T3 T4 T5 T6 En la conducción axial: 1. Para lograr un flujo estacionario de calor se debe conectar la unidad dos horas antes de realizar las mediciones. 2. Fijar las otencias de suministro. 3. Tomar las medidas de temeratura en los canales resectivos, registrar el caudal y las temeraturas de entrada y salida del agua según las configuraciones axiales. Tabla 4 2 Mediciones ara la configuración axial BRONCE Ø 25mm ACERO INOXIDABLE Ø mm BRONCE Ø 13mm CANAL P1=9.4 P2=9.8 P3=8.4 1 = V t= t= t= & V t= t= t= & t= t= t= 1 La temeratura se registra en grados centígrados, el tiemo en segundos, la otencia en watts y el volumen en mililitros.
4 TH2OE= TH2OS= TH2OE= TH2OS= TH2OE= TH2OS= T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 NOTA: Para todas las configuraciones las temeraturas se deben registrar con el mismo sensor, ara mejorar el cálculo de incertidumbre. 5 CÁLCULOS Y GRÁFICOS 1. Determine las curvas teóricas de temeratura mediante la ecuación de difusión de calor en las diferentes configuraciones. (Asuma ara las conductividades teóricas los siguientes valores: bronce [190W/mK} y acero inoxidable [14W/mK]) 2. Determine las curvas exerimentales de distribución de temeratura (graficar y agregar la línea de tendencia corresondiente) en todas las configuraciones. 3. Ubique en el mismo gráfico los erfiles teóricos y exerimentales ara cada configuración. 4. Halle la conductividad térmica del bronce utilizando los datos de la configuración radial. 5. Halle la conductividad térmica del bronce utilizando los datos de la configuración axial. 6. Halle la conductividad térmica del acero inoxidable. 7. Calcule la incertidumbre en los valores de conductividad hallados ara el bronce y el acero inoxidable. 6 PREGUNTAS - De qué manera se ve afectado el erfil de temeratura al variar la conductividad del material?, Concuerdan los resultados exerimentales
5 con la teoría? (Concluya de acuerdo con las variaciones que se resentan en las funciones de distribución de temeratura teóricas y exerimentales de las barras). - Reita el análisis anterior ara la variación del diámetro de las barras. - Comarar los resultados obtenidos ara la conductividad el bronce, según las configuraciones radial y axial. - Comare la forma de la curva de temeratura del disco con la que se resenta en la barra. Son diferentes? En caso de serlo, exlique or qué. - Analice el efecto de la otencia en la conductividad del bronce ara la configuración radial. - Determine las curvas de distribución del flux y del flujo de calor ara las diferentes configuraciones. Por qué son diferentes? Exlique - Cómo afecta el flujo de calor los cambios en área y material de las barras? - Cuál de las dos geometrías cree usted que es más aroiada ara disiar calor? Exlique. Considere igual condiciones de frontera e igual volumen de control. - Comare el valor de la otencia eléctrica con la otencia disiada or el agua. Qué tan diferentes son?, afectaría esta diferencia el carácter unidimensional del exerimento?, exlique. No olvide concluir sobre los cálculos y rocedimientos realizados.
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