GUÍA DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO: Transferencia de Calor

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA

ÁREA DE LA ENERGÍA, LAS INDUSTRIAS Y RECURSOS NATURALES NO RENOVABLES

CARRERA INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

GUÍA DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO: Transferencia de Calor

PRÁCTICA NRO. 2

 Silabo: Transferencia de Calor:

Resultados de aprendizaje de la práctica: Identifica las metodologías y las herramientas informáticas pertinentes para dar solución a problemas de la transferencia de calor a partir del conocimiento del mecanismo de transferencia de calor en un proceso térmico.

Tiempo planificado en el sílabo: 2 horas

Tiempo de práctica por grupo de estudiantes: 2 horas

Número de estudiantes por grupo: 3 estudiantes: total 7 grupos

1. TEMA:  Transferencia de Calor por conducción en sistemas radiales
2. OBJETIVOS:

• Analizar y definir el proceso metodológico para la conducción en sistemas radiales.
• Programar una hoja de cálculo que permita resolver el fenómeno de transferencia de calor en sistemas radiales.
• Simular el proceso a través de un sistema radial.

1. MATERIALES Y REACTIVOS (por estudiante)

1. EQUIPOS Y HERRAMIENTAS (por grupo)

• 1 computadora

1. PROCEDIMIENTO:

Problema Tipo: (3.45LI) (3.45 del Incropera) Un tubo de acero de pared delgada de 0,20 m de diámetro y emisividad 0,8 se utiliza para transportar vapor saturado a una presión de 20 bar (Tsat = 485 K) en un cuarto para el que la temperatura del aire y de las paredes es 25 ºC y el coeficiente de transferencia de calor por convección en la superficie externa del tubo es 20 W/m2·K.

a) ¿Cuál es la pérdida de calor por cada metro de longitud del tubo expuesto (sin aislante)?

b) Calcule la pérdida de calor en un metro de longitud del tubo si se añade una capa aislante de 50 mm de óxido de magnesio que también tiene una emisividad de 0,8. Calcular también la temperatura superficial Ts exterior del aislante.

c) El coste asociado con la generación del vapor saturado es de 4 €/109 J y el del aislante y su instalación de 100 €/m. Si la línea de vapor opera 7.500 horas al año, ¿Cuánto tiempo se necesita para amortizar la instalación del aislante?

Datos: Propiedades termo físicas del óxido de magnesio:

PASO 1.- Analizar el problema tipo sobre conducción en sistemas radiales para obtener Temperaturas, Resistencias Térmicas y distribución de temperatura T=f(x) entre Tsat y Ts

PASO 2.- Programar una hoja de cálculo de acuerdo con el problema tipo que permita verificar la metodología de cálculo para la conducción en sistemas radiales.

PASO 3.- Modelar en 3D el problema tipo y realizar la simulación térmica, verificando la temperatura Ts

1. RESULTADOS: 

[pic 1]

Esquema elaborado de acuerdo al problema planteado.

Datos:

Diámetro= 0.20 m

P= 20 Bar (Ts = 485 K)

T∞ = Tald = 25 ºC +273 = 298 K

ho= 20 W/m^2*K

ε=0.8

Ts=485 K

a) q=?

Literal a:

Realizando un balance energético.

Een = Esa

q' = q'rd + q'cv

q' = ε*σ*A*(Ts4 - T4ald ) + ho*A*(Ts-T∞)     donde Área = 2*pi*r

q' = 0.8* 5.67*10-8 W/m2 * K4 (2*pi*0.10m)(4854+2984)K4 + 20 W/m2*K (2*pi*0.10m)(485-298)K

q' = 3702.10 W/m

Esquema cilindrico simulado en Solidworks para el cálculo de la potencia obteniendo un valor de 3701,6 W

[pic 2]

Literal B

[pic 3]

 Tse=?

q'=?

Diametro int=0.20m  (di)

Diametro ext=0.30m  (de)

k=0.058 W/m*K

q'=q'cd

Mediante balance energetico

Encontrar el valor de temperatura Tse.

q'cd=q'cv+q'rad

(Ts-Tse)*(2*pi*k)/ ln(de/di) = (h*pi*de) (Tse - Tald) + (ε*σ*pi*de) (Tse4 - Tald4)

(485-Tse)/1.1126 = (20*pi*0.3) (Tse - 298) + (0.8*5.67*10-8*pi*0.3) (Tse4 - 2984)

(485-Tse) = 1.1126(18.8495)(Tse)-1.1126(18.8495)(298) + 1.1126(4.2750*10-8)(Tse4) - 1.1126(4.2750*10-8)(2984)

485- Tse = 20.9719Tse - 6249.6422 + 4.7563*10-8 Tse4 - 375.1011

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