Práctica # 1: Conducción unidimensional axial y radial e incertidumbre

Práctica # 1: Conducción unidimensional axial y radial e incertidumbre

Integrantes: Cristian Camilo Aguirre Márquez

                     Juan Diego Castrillón Madrid

                     Johan Anderson Carvajal

Profesores: Andrés Felipe Colorado Granda

                     Fabián  Esneider Cano Ardila

Laboratorio de transferencia de calor y masa, Departamento de Ing. Mecánica, Universidad de Antioquía

Resumen:

En la siguiente práctica se evidenciaran los fenómenos de transferencia de calor como conducción unidimensional  axial y radial. Para  desarrollar esta práctica se dispone de un equipo de transferencia de calor que se divide en dos módulos de conducción, un disco metálico de 110mm de diámetro y de 3mm de espesor para estudios de conducción unidimensional radial, este módulo presenta la fuente de calentamiento en la parte central y la fuente de enfriamiento en la periferia del disco , presenta 6 sensores de temperatura  colocados cada 10 mm desde la parte central hasta la periferia y otro módulo que consta de una barra cilíndrica de 25 mm de diámetro, la cual se divide en 3 secciones (observando la barra cilíndrica de izquierda a derecha y de frente):Fuente de calor, unidad central removible de latón de 30mm de longitud y finalmente la unidad de enfriamiento, con la  consideración en ambos procesos  de que el proceso es en estado estable y no hay generación interna de calor. Los equipos presentan unidades de calentamiento y enfriamiento donde se logran focos calientes y bajos de temperatura, el foco de baja temperatura corresponde a la circulación por una tubería de agua a temperatura aproximadamente a la ambiente. Los módulos de conducción se asumen sin pérdidas de calor ya que están aislados por una cámara de aire y un revestimiento en nylon con el objetivo de generar un flujo constante de calor de la fuente de alta temperatura a la fuente de baja temperatura, los sensores de temperatura (termopares) que se tienen son 6 sensores tanto para la parte radial como axial, estos  permitirán construir los perfiles de temperatura requeridos en la práctica y elaboración del análisis de resultados.

Igualmente se procederá a elaborar un código en Matlab para el procesamiento de las imágenes termo-gráficas que permitirán medir la temperatura real de la superficie cilíndrica.

El equipo de conducción axial deberá trabajar con una potencia eléctrica constante que deberá estar comprendida entre 7 y 12 W y el equipo de conducción radial deberá trabajar con una potencia comprendida entre 30 a 50 W, todo esto con el objetivo de lograr transferencia de calor en estado estable y sin generación interna de calor en ambos módulos de conducción, es por esto que el equipo debe conectarse con anticipación, antes de la experimentación.

Antes de iniciar la práctica se debe de encender los equipos aproximadamente 2 horas antes para garantizar el funcionamiento en estado estable y por cuestiones de seguridad se debe de encender la fuente de baja temperatura primero que la de alta temperatura para evitar sobrecalentamientos.

Introducción:

Los fenómenos de transferencia de calor y masa son fenómenos naturales y son tan viejos como la historia de la civilización, no obstante es hasta los tiempos modernos que se saben sus fundamentos y verdaderas aplicaciones ingenieriles, la diferencia con la termodinámica es que esta se encarga de analizar los estados de equilibrio con la intervención del tiempo y la termodinámica se limita únicamente al análisis de los estados de equilibrio.

Los fenómenos involucrados en esta práctica son la conducción axial y radial donde la fuerza impulsora de transferencia de calor es la diferencia de temperaturas entre una fuente de alta temperatura y un sumidero de baja, el hecho de que la transferencia de calor sea muy instantánea es porque se utilizan elementos metálicos que como se sabe presentan electrones libres y facilitan la conducción de calor en una dirección especificada, por el contrario los materiales aislantes como elementos poliméricos, cerámicos, etc. son elementos con una configuración electrónica estable y no presentan electrones libres por ende son malos conductores del calor y la electricidad.

Objetivos:

1. Comprobar experimentalmente el fenómeno de transferencia de calor por conducción axial y radial.

2. Conocer el método por el cual se calcula experimentalmente la conductividad térmica de cualquier material.

3. Determinar el porcentaje de error que presenta la conductividad térmica cuando se presentan errores en la medición del perfil de temperatura en conducción axial y radial.

4. Determinar el porcentaje de error que presenta el perfil de temperaturas cuando se presentan errores en la medición de la conductividad térmica en conducción axial y radial.

5. Analizar el efecto de la conductividad térmica sobre la distribución de temperatura para diferentes configuraciones.

Metodología:

El método que se emplea en la realización de la práctica fue inicialmente, anotar la potencia eléctrica a la cual está operando cada módulo de conducción las cuales son diferentes y posteriormente se anotan las temperaturas de cada sensor comenzando desde el que está directamente en la fuente de calor hasta el más lejano pudiendo observar las variaciones en las temperaturas, la toma de medidas se toma 3 veces por el hecho de que se presentan histéresis en los datos.

Con un termómetro de bulbo se mide la temperatura de entrada del agua a la tubería, cabe resaltar que este instrumento presenta una precisión en la medida de 1° ya que es la menor división que tiene en su escala, con el mismo termómetro se mide la temperatura de salida del agua no viendo cambios muy significativos en su temperatura esto indica que la variación o la transferencia de calor de los módulos a la fuente de enfriamiento no es muy significativa.

Posteriormente se tratara de calcular el flujo másico de agua que entra, por esto se posee una probeta para calcular volúmenes, la precisión de la probeta es 100 ml y para la medición del flujo másico se dispone de un celular el cual presenta un cronometro cuya precisión es de una milésima de segundo lo cual hace muy exacto el experimento, el procedimiento es que cada 100ml se toman los tiempos y con esto determinamos los flujos.

Con la ayuda de fórmulas matemáticas determinamos al final el flujo ya que se conocen la densidad del fluido (Agua) y la razón entre el volumen y el tiempo.

Cabe resaltar que el calor que entra a la barra cilíndrica para el cálculo de la conducción axial procede  directamente de la fuente eléctrica y está entre 7 a 12 W, el cilindro presenta pérdidas por las paredes del módulo de conducción y dichas pérdidas  se calcularan por medio de procesamiento de imágenes termográficas , finalmente entonces el calor que sale por la barra cilíndrica será la diferencia del calor que ingresa menos el calor que se disipa por las paredes, este calor es fundamental para el cálculo de la conductividad térmica del material.

...