LABORATORIO DE INGENIERÍA I
PRÁCTICA 2
TRANSFERENCIA DE CALOR EN
SUPERFICIES EXTENDIDAS
1. INTRODUCCIÓN
Cuando se requiere enfriar una superficie por convección, la tasa de eliminación de
calor se puede mejorar aumentando el área de la superficie. Esto generalmente se
logra agregando superficies extendidas llamadas aletas. Existe un gradiente de
temperatura a lo largo de estas superficies debido a la combinación de la
conductividad del material y la pérdida de calor hacia el entorno, convección.
Conocer la distribución de temperatura a lo largo de una aleta proporciona
información clave para optimizar el diseño, mejorar la eficiencia energética y
garantizar que la transferencia de calor sea efectiva y controlada. Esto es
fundamental en numerosas aplicaciones, desde sistemas de refrigeración en
dispositivos electrónicos hasta el diseño de componentes en procesos industriales.
2. OBJETIVOS
Comprender la transferencia de calor por conducción unidimensional y por
convección natural en una varilla alargada.
3. FUNDAMENTO TEÓRICO
Describa los siguientes conceptos
•
Transferencia de calor por conducción y convección de calor
•
Ley de Fourier y de enfriamiento de Newton
4. PARTE EXPERIMENTAL
4.1 Materiales y equipo
•
Equipo Ht-15 Armfield
•
Vernier
4.2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1) Ajuste el nivel de calentamiento a 3 Volts.
2) Registre la temperatura frecuentemente hasta que ésta se estabilice, Registre
el voltaje (V) y la corriente (I) usada en cada caso, la temperatura en cada
posición a lo largo del cilindro, es decir de T1 a T8 (Temperatura en x=0, 0.05,
0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35 m) y T9 (Temperatura ambiente).
3) Medir el diámetro del cilindro
4) Repita el ejercicio 2 veces más, incrementando el voltaje.
5. CÁLCULOS Y RESULTADOS
1) Para cada conjunto de mediciones grafique (un solo gráfico) la temperatura
en la superficie Tx en función de la posición y presente la tendencia del
comportamiento. Observe los gráficos y concluya sobre cuáles son las
condiciones de transferencia de calor determina el comportamiento
encontrado y cuáles son los esperados con respecto al fundamento teórico.
2) Con los valores obtenidos experimentalmente calcular:
Área superficial del cilindro con L=5 cm (As)
Área de sección transversal (A)
Calcule el coeficiente convectivo Hc para cada nodo con la siguiente ecuación:
3) Realice el balance de energía para cada nodo y determine los valores de calor
conducido y perdidos por convección. Presente en una tabla y represente los
valores calculados en función de la posición en un solo gráfico para los 3
grupos de datos. Argumente sobre el porqué de esta tendencia. Utilice la
conductividad térmica sugerida para el cilindro como k=121 Wm-2K-1.
4) Calcule la cantidad global de calor conducido y perdido, para cada ejercicio,
grafique para mejor visualización. Realizar un análisis fundamentado
teóricamente para la interpretación de los resultados.
6. CUESTIONARIO
1) ¿Por qué es importante conocer la distribución de temperatura a lo largo de
una aleta en procesos de transferencia de calor?
2) Explique cómo la variación de la longitud de una aleta puede afectar la
distribución de temperatura y la eficiencia en la transferencia de calor.
3) ¿Cómo influye la forma y el grosor de una aleta en la distribución de
temperatura a lo largo de su superficie?
7. BIBLIOGRAFÍA
1) Christie John Geankoplis, “Procesos de transporte y principios de procesos
de separación”, 4ª Ed. Grupo Patria Editorial, México (2011)
2) Junus A. Cengel, Afshin J, Ghajar, “Transferencia de calor y masa:
fundamentos y aplicaciones”, 4ª Ed. McGraw Hill, México (2011)
3) James R. Welty, “Fundamentos de transferencia de momento, calor y masa”,
2ª Ed. LIMUSA WILEY, México (2009)
4) R. B. Bird, W. E. Stewardt, E. N. Lightfoot, “Fenómenos de Transporte” Ed.
REPLA, México (2001)