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CONDUCCION TRIDIMENSIONAL
ESTUDIANTES:
CAMILO PINEDA
YEISON OROZCO
GASPAR SOTO
UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
MEDELLÍN
2012
CONDUCCION TRIDIMENSIONAL
ESTUDIANTES:
CAMILO PINEDA
YEISON OROZCO
GASPAR SOTO
INFORME DE PRACTICA EXPERIMENTAL #3
PROFESOR:
YUHAN LENIS
ASIGNATURA:
IMC-481 GR01 LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
MEDELLÍN
2012
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CONTENIDO
1. GLOSARIO ............................................................................................ 4
2. RESUMEN ............................................................................................. 5
3. OBJETIVOS .......................................................................................... 6
4. DESCRIPCION DEL EQUIPO EXPERIMENTAL ............................. 7
5. PROCEDIMIENTO ............................................................................... 8
6. CALCULOS ........................................................................................... 9
7. ANALISIS Y RESULTADOS.............................................................. 10
8. FACTORES DE FORMA ................................................................... 13
8.1 PERDIDAS DE CALOR EN LAS CARAS ................................. 13
9. BALANCE DE ENERGIA ................................................................... 18
10. CONCLUSIONES .............................................................................. 19
11. BIBLIOGRAFIA .................................................................................... 20
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1. GLOSARIO
CONDUCCION: La conducción de calor es un mecanismo de transferencia de
energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos en contacto por medio de ondas. CONDUCCION TRIDIMENSIONAL: Es aquella en la cual la transferencia del calor ocurre en todas las direcciones (x, y, z). HORNO: Un horno es un dispositivo que genera calor y que lo mantiene dentro de
un compartimento cerrado TERMOPAR: Un termopar es un dispositivo capaz de convertir la energía calorífica en energía eléctrica, su funcionamiento se basa en los descubrimientos hechos por Seebeck en 1821, cuando hizo circular corriente eléctrica en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones se mantienen a diferentes temperaturas, esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados; el efecto Peltier provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales diferentes cuando una corriente circula atreves de la unión. El efecto Thompson consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas.
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2. RESUMEN
La práctica sobre conducción tridimensional se realizó con un horno eléctrico compuesto por ladrillos refractarios que recubrían su interior. En el experimento se utilizaron sensores de temperatura (termopares) para medir la temperatura del interior de cinco de las seis paredes del horno. Luego se midió la temperatura externa de las paredes utilizando un sensor de temperatura por contacto. Todo esto con el fin verificar el comportamiento tridimensional del flujo de calor causado por su geometría y encontrar la cantidad de energía suministrada al horno que se transfiere al exterior como calor.
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3. OBJETIVOS
Establecer la utilidad de los factores de forma para el análisis de la
transferencia de calor en varias dimensiones.
Realizar balances de energía en un sistema de control.
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4. DESCRIPCION DEL EQUIPO EXPERIMENTAL
Para esta práctica se utilizará un horno conformado por ladrillos refractarios en seis caras interiores con resistencias eléctricas en tres de éstas caras. El circuito de resistencias se encuentra distribuido en serie y el voltaje de alimentación es de 220 voltios. Para la medición de la temperatura del aire interior se cuenta con un termopar que atraviesa la pared trasera, éste está protegido por una pantalla de radiación a fin de minimizar los errores en la medición de temperatura, que puede verse en la pantalla ubicada al lado derecho del horno. Debajo de la pantalla hay una perilla para el control de la potencia de entrada.
En el interior del horno se tienen seis termopares distribuidos así: - En la cara posterior el termopar toma la temperatura en la superficie interna del ladrillo refractario, es decir, a 85mm de la parte exterior. - En la cara delantera el termopar también toma la temperatura en la superficie interna del ladrillo, es decir a 40 mm de la parte exterior. - En las caras: derecha, izquierda, superior e inferior los termopares se encuentran paralelos a las isotermas a 40 mm de su respectiva parte exterior y en la mitad de cada lado, es decir, a 175 mm.
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5. PROCEDIMIENTO
1. Leer la corriente y el voltaje de entrada al horno 2. Registrar la temperatura del aire interior 3. Registrar la temperatura de los termopares ubicados en cada pared interior de la mufla. 4. Registrar la temperatura de las seis caras en el exterior, tomando varias medidas por cara.
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6. CALCULOS
6.1 Hallar la potencia del horno. 6.2 Hallar el calor perdido por cada lado, arista y vértice de la mufla por medio de la teoría de factores de forma. 6.3 Hacer el balance de calor. 6.4 ¿Cuál es el porcentaje de error cometido al calcular las pérdidas de calor mediante la teoría de factores de forma? 6.5 Haga una lista de las posibles causas de error en la medición y proponga una manera de corregirlas.
Para realizar los cálculos se tienen en cuenta los siguientes supuestos:
Condiciones de estado estable.
Propiedades de las paredes constantes.
Transferencia de calor en las paredes en una dirección.
Se desprecia la transferencia de calor por radiación.
Se consideró que la pared era isoterma, es decir que promediamos la temperatura y este promedio se asume como la temperatura en toda la superficie.
Conductividad del refractario = 0.25 W/m ºK.
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7. ANALISIS Y RESULTADOS
7.1 POTENCIA DEL HORNO
Con una pinza se midió el voltaje 220V y una corriente de 6,2 A P= V*I = 1364W = 1,364Kw 7.2 TEMPERATURAS OBTENIDAS
Figura 2. Horno y tablero de control.
7.2.1 Temperaturas obtenidas para las paredes exteriores
TEMPERATURA CARA SUPERIOR (ºC)
T1 T2 T3 T4 T5 Tprom
26.6 27.2 27.6 27.1 32.7 28,24
Tabla 1. Temperatura cara superior.
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TEMPERATURA CARA LATERAL IZQUIERDO (ºC)
T1 T2 T3 T4 T5 Tprom
28.6 28.7 28.7 27.9 29.2 28,62
Tabla 2. Temperatura cara lateral izquierda.
TEMPERATURA CARA POSTERIOR (ºC)
T1 T2 T3 T4 T5 Tprom
30.2 29.5 29.6 29.6 29.3 29,64
Tabla 3. Temperatura cara posterior.
TEMPERATURA CARA LATERAL DERECHA (ºC)
T1 T2 T3 T4 T5 Tprom
35.6 35.8 33.6 35.6 33.6 34,84
Tabla 4. Temperatura en cara LD.
TEMPERATURA CARA FRONTAL (ºC)
T1 T2 T3 T4 T5 Tprom
29.9 31.9 37.8 31.2 31.7 32,5
Tabla 5. Temperatura en cara frontal.
TEMPERATURA CARA INFERIOR (ºC)
T1 T2 T3 T4 T5 Tprom
26.6 27.2 27.6 27.1 22.7 28,24
Tabla 6. Temperatura en cara inferior.
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TEMPERATURAS SUPERFCIALES EXTERIORES (ºC)
Tsup,e 28,24
Tizq,e 28,62
Tpost,e 29,64
Tder,e 34,84
Tfron,e 32,5
Tinf,e 28,24
Tabla 7. Resumen de temperaturas promedio para las caras exteriores.
7.2.2 Temperatura obtenida para las paredes interiores.
TEMPERATURAS SUPERFIAL INTERIOR (ºC)
Tsup,i 285.0
Tder,i 220.2
Tpost,i 303.5
Tizq,i 220.0
Tfron,i 294.2
Tinf,i 294.2
Tabla 8: temperaturas interiores
NOTA: la temperatura frontal e inferior son un promedio de la temperatura superior y posterior.
Temperatura al interior del Horno = 303.5 °C
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8. FACTORES DE FORMA
Donde, K= Conductividad S= Factor de forma ∆T= Cambio de temperatura
8.1 PERDIDAS DE CALOR EN LAS CARAS
Para una pared plana tenemos S= / donde l es el espesor de la pared CARA SUPERIOR
Donde, A = 0.35 0.42 = 0.147 m2 l = 0.04 m ∆T = 256.76 ºC
CARA LATERAL
Donde, A= 0.35 0.42 = 0.147 m2 l = 0.04 m ∆T = 185.36 ºC
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CARA POSTERIOR
Donde, A = 0.35 0.35 = 0.1225 m2 l = 0.085 m ∆T = 273,86ºC
CARA LATERAL IZQUIERDA
Donde, A = 0.35 0.42 = 0.147 m2 l = 0.04 m ∆T = 191.38 ºC
CARA FRONTAL
Donde, A = 0.35 0.35 = 0.1225 m2 l = 0.085 m ∆T = 261.7 ºC
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CARA INFERIOR
Donde, A = 0.35 0.42 = 0.147 m2
l = 0.04 m ∆T = 265.96 ºC
PERDIDA TOTAL EN TODAS LAS CARAS
8.2 PERDIDAS DE CALOR EN ARISTAS Para una arista o para dos paredes adyacentes: S = 0.54 D donde D es la longitud de la pared.
Aristas del horno (cara, cara)
D (m) Tprom,e(ºC) Tprom,i(ºC) ∆T (ºC)
(W)
Derecha, Superior 0.42 31.54 252.6 221.06 12.53
Izquierda, Superior 0.42 28.43 252.5 224.07 12.70
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Frontal, Superior 0.35 30.37 289.6 259.23 12.24
Frontal, Derecha 0.35 33.67 257.2 223.53 10.56
Frontal, lzquierda 0.35 30.56 257.1 226.54 10.70
Posterior, Superior 0.35 28.94 294.25 265.31 12.53
Posterior, Izquierda 0.35 26.63 261.75 235.12 11.10
Posterior, Derecha 0.35 32.24 261.85 229.61 10.84
Frontal, inferior 0.35 30.37 294.2 263.83 12.46
Derecha, inferior 0.42 31.54 257.2 225.66 12.79
Izquierda, inferior 0.42 28.43 257.1 228.67 12.96
Posterior, inferior 0.35 28.94 298.85 269.91 12.75
TOTAL PERDIDAS = 144.16
8.3 PERDIDAS DE CALOR EN LOS VERTICES
Para un vértice, o tres paredes adyacentes S = 0.15 L donde L es el espesor de la pared.
Vértice del horno Lprom (m) Tprom,e Tprom,i ∆T
(W)
Derecha, Superior, Frontal 0.0625 31.86 266.46 234.60 0.5498
Izquierda, Superior, Frontal 0.0625 29.78 266.4 236.62 0.5545
Derecho, Inferior, Frontal 0.0625 31.86 269.53 237.67 0.5570
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Izquierdo, Inferior, Frontal 0.0625 30.68 269.46 238.78 0.5596
Derecho, Posterior, Superior 0.0625 30.90 269.56 238.66 0.5593
Izquierdo, Posterior, Superior 0.0625 28.83 269.5 240.67 0.5640
Derecho, Posterior, Inferior 0.0625 30.90 272.63 241.73 0.5665
Izquierdo, Posterior, Inferior 0.0625 28.83 272.56 243.73 0.5712
TOTAL PERDIDAS = 4.4819
Total en pérdidas de caras, aristas y vértices. Q perdido total = calor perdido por (paredes + aristas + vértices).
Q total x conducción = 1019.31W + 144.16W + 4.4819 W
Q total = 1167.95W
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9. BALANCE DE ENERGIA
= 0 Donde el QSALE son las pérdidas de calor que salen por las caras, las aristas y los
vértices, entonces:
1364 W – 1167.95 W = 196.05 W No se cumplió el balance de energía, debido a los posibles errores durante la toma
de datos.
¿Cuál es el porcentaje de error cometido al calcular las pérdidas de calor mediante la teoría de factores de forma?
Haga una lista de las posibles causas de error en la medición y proponga una manera de corregirlas
La principal causa de error se origina en la toma de las temperaturas interiores del horno por medio del termopar, arrojando temperaturas mucho mayores a las ajustadas. La propuesta es el mejoramiento en la calibración de los implementos de medida.
Las pérdidas de calor con los alrededores inmediatos de los agujeros por donde se introduce el termopar. Como solución se propone utilizar silicona resistente a altas temperaturas, para el completo aislamiento del horno.
Teniendo en cuenta que la conductividad térmica del material varía con la temperatura y que se toma el k promedio para el ladrillo refractario, creando un posible error de la teoría de factores de forma.
No se tiene en cuenta el material que recubre el ladrillo del horno ni las dimensiones de este, dentro de los cálculos en las perdidas de calor utilizando el método de factores de forma.
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10. CONCLUSIONES
La conducción tridimensional esta influenciada por la geometría o la forma
de los cuerpos que conducen calor.
El método de los factores de forma es aproximado para encontrar valores como la cantidad de calor transferido, pero es una buena herramienta para aproximarse a los resultados reales.
Existen muchas causas de error ya mencionadas anteriormente, siendo la más destacada que no se tuvo en cuenta el calor transferido por la pared inferior del horno.
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11. BIBLIOGRAFIA
[1] P.Incropera, Frank, P.DeWitt, David. FUNDAMENTALS OF HEAT AND MASS TRANSFER 5TH EDITION. John Wiley & Sons 2002
