TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCION FORZADA EXTERNA Y RADIACION DESDE UNA SUPERFICIE EXTENDIDA

RESUMEN

Los ingenieros mecánicos deben ser capaces de encontrar, por medio de pruebas a las cuales se someten los materiales, el calor que le es transferido a un cuerpo y también reconocer porque medio se hace más evidente dicha transferencia de calor. Con este laboratorio se desea saber la transferencia de calor que experimenta una barra de latón con un flujo de aire cruzado y calentando un extremo de la barra, se analiza el cambio de temperatura en 8 secciones diferentes de la barra, estos datos experimentales se comparan con los datos obtenidos teóricamente y se llega a dichas conclusiones.

Palabras claves: Transferencia de calor, temperatura, convección, radiación.

ABSTRACT

Mechanical engineers should be able to find, through tests to which materials are subjected, the heat that is transferred to a body and also recognize that means becomes more evident that heat transfer. This laboratory is desired to know the heat transfer is made to a brass bar that is heated and an end of the bar and analyzes the temperature change on 8 different sections of the bar, these experimental data are compared with theoretically obtained data and come to these conclusions.

Keywords: heat transfer, temperature, convection, radiation.

INTRODUCCIÓN

Con el desarrollo de este laboratorio lo que queremos observar es la trasferencia de calor que sucede en este caso un tubo con un flujo cruzado de aire y así comparar dicho comportamiento con los datos teóricos que poseemos. Con este tipo de experimentos podemos ver los causantes de errores y por lo tanto saber que al momento de aplicar estos conceptos en el campo industrial saber porque los resultados no dan de la manera esperada o saber qué factores se deben sobredimensionar para que podamos llegar a los objetivos esperados.

Al realizar este tipo de experimentos lo que se desea es hacer una modelación de procesos industriales mucho más grandes, para así poder también detectar fallas a menor escala y prevenirlas a mayor escala.

METODOLOGÍA

Los materiales utilizados durante la práctica fueron:

HT10X Heat Transfer Service Unit.

HT15 Extended Surface Heat Transfer Accessory.

Ventilador

Anemómetro

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se revisa si el equipo está correctamente instalado. Después se encienda el equipo dándole suministro eléctrico al sistema, se ajusta el voltaje a 11 V, y la corriente en 0.36 A. Se monitorea regularmente la temperatura T1 hasta cuando se estabilice (t=40min). Se monitorean las temperaturas y se permite que los sensores de temperatura se estabilicen. Se registran las temperaturas en las siete posiciones a lo largo del cilindro, incluyendo la temperatura ambiente T0.

Para hallar la parte de transferencia de calor por convección libre o natural, se deben de tener en cuenta consideraciones y datos de la experiencia de laboratorio “Transferencia de calor por convección libre y radiación desde una superficie extendida”:

Dado que la transferencia de calor en este caso no es unidimensional, no es posible realizar los cálculos realizados anteriormente:

Para 11,1 V;

La suma de todas las temperaturas fue 307,7°C , Convirtiendo a grados kelvin = 2467,7 K

Ts (el promedio de temperaturas)= 308.46 K

T.Ambiente=24,3°C= 297 K

D (es el diámetro del cilindro)= 0.01 m

h_conv=1.32[((T_s-T_a))/D]^(0.25)= 7.6801 W/(m^2°k)

T_ambiente=24°C=297 K

h_rad=σξF ((〖T_s〗^4-〖T_a〗^4))/((T_s-T_a))=5.9802 W/(m^2°K)

ξ(emisividad de la superficie)=0.95

σ(constante de Boltzmann)=5.67×〖10〗^(-8) 1/(m^2°K^4 W)

F(factor de vista)=1

h_comb12v= h_conv+h_rad=(7.6801+ 5.9802) W/(m^2°K)=13.6603 W/(m^2°K)

En términos generales, el área de la sección transversal Ac y el perímetro p de una aleta varían con x, lo cual hace que la ecuación diferencial anterior sea compleja para resolverla. Tomando un caso especial de una sección transversal constante y conductividad térmica constante y dividendo la expresión entre ellas, la ecuación anterior,

Da:

Para efectos de cálculo y practicidad, la ecuación anterior resulta

Donde

Es el exceso de la temperatura. Y:

Las únicas funciones cuyas derivadas son múltiplos constantes de sí mismos son las exponenciales (o una combinación lineal de funciones exponenciales, como el seno y el coseno hiperbólicos). Por lo tanto, las funciones solución de la ecuaciones diferencial antes dad son las exponenciales

o múltiplos de ellas.

Dicho lo anterior, la solución general de la ecuación diferencial antes vista, resulta

Evaluamos las condiciones de frontera respectivas para hallar los valores de las constantes.

En la base de la alera se tiene una condición de frontera de temperatura específica, expresada como

En la punta de la altea se tiene varias posibilidades, que incluyen temperatura específica, perdida de calor despreciable (punta aislada), convección o convección y radiación combinadas. Para este caso se considera una aleta

Infinitamente larga. Sin embargo se tiene que comprobar este criterio para poder aplicarlo debidamente.

Se compara la transferencia de calor de una longitud finita con la transferencia de calor de una infinitamente larga, en las mismas condiciones. La razón entre ellas dos es

Después de todo lo anterior se procede se considera la aleta infinitamente larga.

Para una aleta suficientemente larga de sección transversal uniforme, la temperatura en la punta tendera a la del medio, Tinf, y en consecuencia θ tendera a cero. Esto es

Esta condición es satisfecha por la función

Pero no por la otra función solución

Perspectiva

ya que la última tiende al infinito cuando x se incrementa. Por lo tanto, la solución general consistirá en un múltiplo constante de

Se tiene que

y por ultimo queda:

Para un cilindro largo unidimensional se tiene:

Aquí se obtuvo la ecuación teórica para la distribución de temperatura en una aleta cilíndrica. Con la ecuación teórica para la distribución de temperatura en una aleta o una superficie extendida cilíndrica se grafica su perfil con respecto a la posición de las termocuplas, para el caso de los diferentes voltajes tomados en la experiencia.

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