Lab. Transfer en CIA de Calor

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    12-Jul-2015

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<p>Universidad de GuadalajaraCentro universitario de ciencias exactas e ingenieras</p> <p>Ulises De la Torre Hernndez</p> <p>Seguridad en el laboratorio de transferencia de calor</p> <p>Profesor Armando Lpez Ornelas</p> <p>Guadalajara, Jal</p> <p>23-Diciembre-2011</p> <p>Que es un laboratorio? Local dispuesto y equipado para la investigacin, experimentacin y otras tareas cientficas, tcnicas o didcticas. En el siglo XIX se construyeron los primeros laboratorios semejantes a los que existen en la actualidad, con bancos, armarios, cajones y estantes en la parte superior para colocar los reactivos. En los primeros aos del siglo XX se trat de facilitar la disposicin de los servicios de manera horizontal, por el suelo o por el techo, o mediante conductos verticales. Estos servicios consisten, como mnimo, en el suministro de agua, gas y electricidad. En la actualidad, tanto la disposicin de los bancos como la distribucin en ellos de los servicios y los sistemas de seguridad son muy diferentes segn el tipo de laboratorio. SEGURIDAD EN EL LABORATORIO Toda sustancia qumica debe ser considerada un txico en potencia, por lo que la manipulacin de estas sustancias se debe realizar con mucho cuidado y conociendo, de antemano, las consecuencias de dicha manipulacin. Adems, aunque los laboratorios han sido diseados y construidos para que los riesgos sean mnimos se deben tener siempre en cuenta una serie de precauciones y seguir unas normas de seguridad bsicas: Conocer las salidas de emergencia y la localizacin y utilizacin de los extintores, lavaojos y equipos de emergencia. Mantener el rea de trabajo limpia y ordenada. Todos los equipos debern ser instalados en lugares apropiados, con buena iluminacin, ventilacin y los sistemas de seguridad correspondientes. Utilizar una bata de laboratorio que deber estar siempre abrochada. Evitar el contacto con fuentes de electricidad y de calor. Apagar los instrumentos elctricos antes de manipular las conexiones. Utilizar guantes y gafas de seguridad cuando se requieran. No se deben guardar ni consumir alimentos y bebidas dentro del laboratorio. Todos los productos inflamables se deben almacenar en un lugar adecuado, separados de los cidos y las bases y de los reactivos oxidantes. En la campana de extraccin de gases no se deben almacenar productos qumicos ni otro tipo de materiales.</p> <p>Universidad de GuadalajaraCentro universitario de ciencias exactas e ingenieras</p> <p>Ulises De la Torre Hernndez</p> <p>Medicin de la conductividad trmica de una placa</p> <p>Profesor Armando Lpez Ornelas</p> <p>Guadalajara, Jal</p> <p>23-Diciembre-2011</p> <p>La tcnica de medida de la conductividad trmica, que emplearemos en esta experiencia, se basa en la determinacin experimental del flujo de calor que atraviesa la muestra situada en el soporte de experimentacin, que mantiene al foco trmico, Tc a la temperatura constante de ebullicin del agua haciendo circular vapor a su travs, y el foco fro a la temperatura de fusin, tambin del agua, mediante un bloque de hielo en fusin que se sita en contacto trmico con la otra cara de la muestra, Tf. Adems habr que determinar el rea de contacto entre el hielo y la muestra. Por lo tanto, mediremos las siguientes variables: Espesor de la muestra, h de fcil determinacin con un pie de rey. La superficie de contacto entre el hielo y la muestra, A. Se hallar a partir de la medida del dimetro del bloque al inicio y final de la experiencia para reducir el error cometido. El flujo de calor, DQ/Dt, se determinar midiendo la masa de agua fundida en un intervalo de tiempo determinado. Esta medida se realizar en dos condiciones diferentes: 1.- Cuando el foco caliente est a la temperatura ambiente. 2.- cuando el foco caliente est ya a la temperatura de ebullicin. La diferencia entre estas dos cantidades ser realmente el flujo de calor intercambiado a travs de las superficies paralelas del material. Diferencia de temperaturas (Tc-Tf) entre el foco caliente y fro. Esta diferencia ser de aproximadamente 98.5C, dependiendo de las condiciones de presin atmosfrica en las que se realice la experiencia. Si este material en forma de lmina plana, tal y como aparece en la figura 1, se encuentra en contacto con dos focos trmicos a diferente temperatura Tc (caliente) y Tf (fro) y ha alcanzado el rgimen estacionario, la cantidad de calor por unidad de tiempo y superficie que atraviesa la placa ser proporcional a la diferencia de temperaturas e inversamente proporcional a su espesor, dicha constante de proporcionalidad se denomina conductividad trmica, k, del material.</p> <p>Analticamente el enunciado anterior se pude escribir de la siguiente forma:</p> <p>DQ- calor intercambiado en el tiempo Dt, entre el foco fro y el caliente (J). DT- diferencia de temperaturas entre los focos fro y el caliente (C). k- conductividad trmica (W/mC). A- rea de la seccin transversal del bloque cilndrico (m2). h- espesor de la muestra (m). En funcin del valor de la conductividad trmica, los materiales se pueden clasificar en buenos conductores del calor, k elevadas o malos conductores k, pequeas. Para determinar el valor de la conductividad trmica, despejamos este parmetro en la ecuacin y obtenemos:</p> <p>Universidad de GuadalajaraCentro universitario de ciencias exactas e ingenieras</p> <p>Ulises De la Torre Hernndez</p> <p>Evaluacin de perdidas de calor en un sistema de paredes compuestas con disipacin calorfica unidimensional de un cilindro aislado trmicamente</p> <p>Profesor Armando Lpez Ornelas</p> <p>Guadalajara, Jal</p> <p>23-Diciembre-2011</p> <p>En cualquier fenmeno fsico o qumico en donde se encuentre presente una diferencia de temperaturas, se presentar una transferencia de calor, la cual nicamente puede llevarse a cabo por tres mecanismos o una combinacin de ellos, estos son:</p> <p>CONDUCCIN. La transferencia de calor por conduccin el proceso mediante el cual fluye calor a travs de un slido. En este tipo de proceso , el calor se transfiere mediante un complejo mecanismo submicroscpico en el que loa tomos interactan a travs de choques elsticos e inelsticos para propagar la energa desde la regiones con mayor temperatura hacia las que tienen menor temperatura. La transferencia de calor por conduccin generalmente se da en los slidos pero puede presentarse tambin en lquidos o en gases bajo ciertas circunstancias como lo son las condiciones cercanas al reposo. La ecuacin que predice la disipacin de calor por un mecanismo de conduccin es la ley de Fourier Q=-KA T Que para un caso unidireccional se convierte en : Q=- KA(dT / dX ) Donde: Q = Flujo de calor K = Conductividad trmica del material. A= rea de transferencia de calor. T= Temperatura. X= espesor del material donde se lleva a cabo el fenmeno.</p> <p>CONVECCIN. La transferencia de calor por conveccin aparece siempre que un cuerpo se coloca en un fluido con una temperatura mayor o menor. Debido a ala diferencia de temperaturas, el calor fluye entre el fluido y el cuerpo, cambiando la densidad del fluido cerca de la superficie. La diferencia de densidad produce un flujo descendente del fluido ms pesado y un flujo ascendente del flujo mas ligero. Si el movimiento del fluido solo se debe a diferencias de densidad producidas por gradientes de temperaturas , el mecanismo de transferencia de calor asociado se llama conveccin natural. Si los cambios de densidad adems de ser provocados por gradientes de temperaturas, son favorecidos por dispositivos externos como bombas o ventiladores, el mecanismo de transferencia de calor se conoce como conveccin forzada En ambos casos la ecuacin que predice la prdida de calor , es la ecuacin de Newton. Q=hA(Ts-T) Donde Q = Flujo de calor h = Coeficiente de transferencia de calor por conveccin natural o forzada. A = rea de transferencia. Ts = Temperatura de la superficie T = Temperatura del fluido.</p> <p>RADIACIN. Es un fenmeno de transferencia de calor a partir de ondas electromagnticas , originado por un gradiente de temperaturas, entre ms grande es este, la radiacin se incrementa. la ecuacin que predice las prdidas de calor por radiacin es la Ecuacin de Stefan Boltzmann.</p> <p>Donde Q = Flujo de calor = Constante de radiacin = rea de transferencia = Emisividad del cuerpo radiante Ts= Temperatura de la superficie. T = Temperatura del medio receptor</p> <p>Universidad de GuadalajaraCentro universitario de ciencias exactas e ingenieras</p> <p>Ulises De la Torre Hernndez</p> <p>Calibracin de la unidad de conductividades. Trmicas con el aire ambiente</p> <p>Profesor Armando Lpez Ornelas</p> <p>Guadalajara, Jal</p> <p>23-Diciembre-2011</p> <p>Medidor de conductividades trmicas de fluidos.</p> <p>En caso de que la unidad de medicin de conductividades trmicas haya sido usada, asegrese de que dicha unidad est perfectamente limpia. Para limpiarla, saque el tornillo hexagonal que se encuentra en la tapa del lado izquierdo y empuje el cilindro calefactor cuidadosamente para que salga por el lado opuesto. Colocando la otra mano en el lado opuesto para sostenerlo, evitando jalar de los cables. Tenga cuidado de que los anillos O queden perfectamente colocados, despus de limpiar la unidad (en caso de que haya sido necesario). Haga circular el agua por la entrada correspondiente con una velocidad de 3 lts. / min. Conecte los tubitos flexibles a las uniones de carga y descarga del fluido muestra. Introduzca el fluido de muestra (en ste caso aire del medio ambiente). De ser posible usar aire seco, ya que su conductividad trmica es bien conocida y fcil de encontrar en la literatura. Inicie el suministro de voltaje comenzando con 20 volts, hasta llegar al estado estacionario. Una vez llegado al estado estacionario tome las temperaturas T1 y T2 y reprtelos en la tabla (I). Suba a 30 volts, y as sucesivamente de 10 en 10 volts, hasta 70 volts. Enseguida se muestra un esquema del medidor de conductividades trmicas y algunas caractersticas importantes de la toma de datos en el mismo.</p> <p>Haciendo un balance de energa calorfica en el sistema: Determine la conductividad trmica del fluido empleado. Donde:</p> <p>qe = qm + qpDonde:</p> <p>Universidad de GuadalajaraCentro universitario de ciencias exactas e ingenieras</p> <p>Ulises De la Torre Hernndez</p> <p>Determinacin de la conductividad trmica de un liquido</p> <p>Profesor Armando Lpez Ornelas</p> <p>Guadalajara, Jal</p> <p>23-Diciembre-2011</p> <p>La conductividad trmica de los lquidos decrece a medida que aumenta su temperatura, excepto en el caso del agua, pero el cambio es tan pequeo que en la mayor parte de las situaciones prcticas, la conductividad trmica se puede suponer constante para ciertos intervalos de temperatura; asimismo, en los lquidos no hay una dependencia apreciable con la presin, debido a que stos son prcticamente incompresibles. Para la determinacin de la difusividad trmica en lquidos se puede definir como:</p> <p>Como la ecuacin no es homognea, conviene precisar las unidades en que se deben expresar las magnitudes que en ella figuran, K Cp en Kcal./kg.C. Para definir la variacin de la conductividad trmica k en funcin de la temperatura, Riedel propone la ecuacin:</p> <p>Donde: k la conductividad a la temperatura T = Tr Tk en K kk la conductividad a la temperatura crtica Tk en K Tr la temperatura reducida igual a T/Tk La conductividad de los lquidos vara con la temperatura; en las proximidades del punto crtico disminuye ms rpidamente, ya que la conductividad del vapor es siempre ms baja. Si se conocen la conductividad del vapor saturado seco k y la temperatura crtica del lquido Tk en K, la conductividad del lquido a la temperatura de saturacin se puede deducir, con ayuda de la Tabla 1.1, de la relacin:</p> <p>Universidad de GuadalajaraCentro universitario de ciencias exactas e ingenieras</p> <p>Ulises De la Torre Hernndez</p> <p>Conductividad trmica de gases</p> <p>Profesor Armando Lpez Ornelas</p> <p>Guadalajara, Jal</p> <p>23-Diciembre-2011</p> <p>La conductividad trmica en los gases a baja presin aumenta con la temperatura. La dependencia exacta de y en T es difcil de juzgar por la estimacin de mtodos, porque otra temperatura depende de los parmetros (capacidad de calor y viscosidad) que son incorporadas en las correlaciones. Generalmente con rangos desde 4E-5 a 1.2 E-4 W/m.K2. La mayor complejidad y con polaridad en la molculas teniendo valores mas grandes. Algunas de las leyes relacionadas con y T han sido propuestos pero no son particularmente ciertos. Miller y otros enlistaron constantes polinomiales para estimar en funcin de la temperatura para muchos gases y se muestra en la fig. 10.3. Para ilustrar la tendencia se dibujo para mostrar como funcin de la temperatura para unos gases seleccionados. La conductividad trmica de todos los gases aumenta con la presin. Se piensa que el efecto es relativamente pequeo a bajas y moderadas presiones. Tres regiones de presin en las que el efecto de presin es distintivamente diferente se discuten abajo .</p> <p>A MUY BAJA PRESION De baja presin de 10E-3 bares. El libre camino de las molculas es comparado con las de dimensiones tpicas de las medidas de las clulas y estas son relativamente proporcionales a la presin. Esta regin es llamada el dominio de Knudsen. Los datos en el reporte de conductividad trmica, el termino de valor de presin cero es usado muy seguido de cualquier manera esto se refiere a las evaluaciones extrapoladas de presiones a altapresion (por arriba de 10E-3 bares)y estas evaluaciones no son medidas en el dominio de presiones muy bajas. A BAJA PRESION Esta regin se extiende aproximadamente desde 10E-3 bares hasta 10 bar. La conductividad trmica se incrementa Cerca delo 1% omenose por bar tal incremento es muy ignorado en la literatura, y cualquier de los dos valores de un bar o de la presin cero Los valores extremos de la temperatura constituyen el rango experimental. Para extrapolacin a otras temperaturas, se sugiere que los datos consignados se grafiquen como log de k VS. log de T o que se haga uso de la suposicin de que la razn Cp/k es prcticamente independiente de la temperatura (o de la presin, dentro de limites moderados). Conductividad Trmica de Gases a Alta Presin En la figura 10-5 se muestra la conductividad trmica del propano sobre un rango ancho de presiones y temperaturas. La presin alta en el dominio del gas seria representada por las curvas del lado derecho de la grafica sobre la temperatura critica. Aumentando la presin aumenta la conductividad trmica con la regin alrededor el punto crtico siendo particularmente sensible. Aumentando la temperatura a bajas presiones resulta en una conductividad trmica</p> <p>ms grande, pero en alta presin se nota el efecto contrario Comportamiento similar se muestra para la regin debajo Tc, donde para lquidos disminuye con temperatura mientras que para gases hay un aumento para con T. Los efectos de presin son pequeos debajo de Tc. No se muestran en la figura 10-5 es el comportamiento inusual de cerca del punto critico. En esta regin la conductividad trmica es bastante sensible para ambas; la temperatura y la presin. En la figura 10-6 muestra un grafico de para CO2 cerca del punto critico. La explicacin para este fenmeno no es clara; puede ser a travs de ord...</p>