La Física en Sistemas Térmicos, para la Comprensión Didáctica en

TÍTULO
AUTOR(ES)
La física en sistemas térmicos, para la comprensión didáctica en la ingeniería
María de Jesús Oregán Silva
Ramón Matías López
INSTITUCIÓN Instituto Tecnológico de Tehuacán
RESUMEN
En un equipo térmico didáctico denominado calefactor eléctrico se genera energía calorífica a
pequeña escala, con la finalidad de que el alumno realice prácticas en el laboratorio, donde
aplique las leyes de la física en la transferencia de calor y la mecánica de fluidos, dichas prácticas
se pueden realizar dentro y fuera del aula o laboratorio debido a que el equipo didáctico del
Calefactor eléctrico de C.A. se presta a ser transportado debido a lo práctico de su tamaño.
El alumno, al utilizar el equipo puede aplicar los conocimientos teóricos adquiridos en el aula,
permitiendo de esta manera obtener datos para resolver problemas reales en clase de acuerdo a la
transferencia de calor por medio de la conducción, convección y radiación. Elementos que son
básicos e importantes en su formación profesional del ingeniero, contribuyendo de esta manera a
utilizar los recursos naturales en pequeña escala y permitiendo dar solución a problemas reales en
el sector industrial.
INTRODUCCIÓN
Debido a que el laboratorio de Ingeniería Mecatrónica no contaba con equipo para determinar, en
forma didáctica, la transferencia de calor en sólidos y fluidos que constituyen el equipo
calefactor, la cual es la base fundamental para que el alumno adquiera los conocimientos
prácticos de la transferencia de calor, y aplique las estrategias del diseño para modelar otros
equipos.
El diseñar un prototipo didáctico de transferencia de calor a pequeña escala, es con la finalidad de
optimizar los recursos y de esta manera pueda realizar prácticas en donde aplique las leyes de la
física en la transferencia de calor, y las pueda realizar en el aula o en el laboratorio, debido a que
el equipo se presta a ser transportado dado su tamaño práctico. Dicho equipo permitirá que el
alumno pueda modelar los conocimientos teóricos adquiridos en el aula, permitiendo de esta
manera obtener datos reales en forma optima a microescala y resuelva problemas de una manera
que adquiera el aprendizaje en forma práctica en clase enfocado a los sistemas térmicos y
aplicando la transferencia de calor tales como: la conducción, convección y radiación.
Dichos conocimientos adquiridos en el manejo del equipo didáctico térmico, y en la solución de
problemas reales, que desarrolló durante su formación profesional le permitirá al futuro egresado
aplicar sus saberes en la solución de situaciones reales en el sector productivo.
Para resolver problemas en el equipo didáctico el alumno puede aplicar los conocimientos de
diseño donde puede utilizar otros materiales, aumentar o disminuir el espesor, aislar el material, y
aumentar o disminuir el área del sistema de tal manera que le permite al alumno crear diferentes
diseños y de acuerdo a los resultados obtenidos elija el más adecuado, ya sea para propagar el
flujo de calor o poder aprovecharlo para lograr mejores condiciones del flujo de calor en los
sistemas. Esta forma de determinar la transferencia de calor son los principios para ser aplicados
a diferentes equipos como: climas para aire acondicionado, calderas, evaporadores, destiladores,
reactores, tuberías, bombas de agua, intercambiadores de calor, radiadores, etc.
OBJETIVO GENERAL
Realizar prácticas de laboratorio en un calefactor didáctico a microescala, optimizando los
recursos y aplicando las leyes de la física en la transferencia de calor en el aula, como principio
en la aplicación de los sistemas de la industria.
DESARROLLO Y RESULTADOS DEL PROYECTO
Como producto del resultado de la investigación, se obtuvo un equipo didáctico de calefactor de
C.A., a pequeña escala con unas dimensiones de 35 cm de largo, 17 cm de ancho y 22 cm. de
altura, dimensiones que permitirán su uso prácticamente en cualquier espació, ya sea en el aula,
en el laboratorio, en el campo, en donde el alumno y docente realizaran prácticas sencillas pero
con valores reales sobre las diferentes formas de la transferencia de calor.
METODOLOGÍA
Materiales
Se seleccionaron los materiales a utilizar para el armado del calefactor, considerando aspectos
como costos, disponibilidad y duración. El material y equipo utilizado en el calefactor consistió
en lo siguiente: cien centímetros de resistencia calentadora de níquel al 80% y cromo al 20%
(Como la utilizada en el calefactor de corriente alterna), una lija del número cinco, barniz, un
vernier, un termostato, un termómetro de 300º.C, un ventilador de C.A, un cautín, soldadura,
pasta para soldar, cinta de aislar , perrillas, cable, clavija, y de un seguro térmico, madera y
corriente de 127 volts.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se realizó una recopilación y análisis de los principales aspectos del “estado del arte” acerca de
los principios de funcionamiento, así como de los tipos de calefactores. De estos hallazgos se
decidió diseñar un calefactor a escala con la finalidad de pudiera ser utilizado en forma didáctica
en asignaturas como Transferencia de Calor, para determinar, sin riesgos personales o del equipo,
la radiación que éste emite en forma de calor y se pueda calcular aplicando los tres métodos de
radiación (conducción, convección y radiación).
ARMADO DEL EQUIPO.
El equipo didáctico de transferencia de calor está constituido por nueve resistencias las cuales
están provistas de alambre (ver Fig. 3.) con una aleación de níquel (80%) y cromo (20%).
Fig. 3. Resistencias del prototipo
didáctico, compuestas de 80 % Ni y
20% Cr.
Esta aleación permite soportar elevadas temperaturas alcanzando
hasta 1000º C, es resistivo (condición necesaria para generar calor),
es muy resistente a los impactos y es inoxidable, dichas resistencias
hacen circular corriente eléctrica a través de un conductor convirtiendo la energía eléctrica en
calor.
El equipo está constituido en su parte interior por un
termostato (Fig. 4), el cual está conectado a la
resistencia calentadora, por medio de este se puede
regular la temperatura; la longitud de la resistencia calentadora es de 97 cm.
Fig. 4. Termostato y resistencia
calentadora del prototipo didáctico.
La estructura de este dispositivo contiene un panel de control el cual está constituido por un
botón de encendido y apagado el cual se encuentra en el lado izquierdo del calefactor
representado de color negro y el botón del lado derecho es el termostato que se utiliza para
regular la temperatura (ver fig. 5).
Fig. 5. Panel de control del calentador
eléctrico.
A continuación se muestra el
diagrama
completo
de
la
instalación del calefactor de C.A.
Fig. 6. Diagrama
calefactor.
eléctrico
del
Las medidas del calefactor son de 35 cm de largo, 17 cm de ancho y 22 cm. de altura.
En la parte interna del calefactor de C.A. contiene una resistencia de 97 cm.
Fig. 7. Frente del calefactor.
En la parte posterior del calefactor se encuentra un ventilador el cual permite sacar el calor del
calefactor y poderlo distribuir al exterior.
Con la finalidad de validar y asegurar el funcionamiento correcto del calefactor, se realizaron
varias pruebas antes de realizar el ensamble definitivo, a continuación se describen algunas de
estas:
 Antes de la instalación en el calefactor y con la finalidad de conocer el radio exacto de la
resistencia, primero se lijo para eliminar aislante e impurezas y utilizando un vernier se
obtuvo el radio exterior de la resistencia, esto con la finalidad de que en la realización de las
practicas se pueda determinar la transferencia de calor por conducción y convección.


Antes de encender el equipo se debe anotar la lectura de la temperatura del medio ambiente
por medio del termostato que contiene el calefactor, conectar el calefactor a la corriente de
127 volts y encender el equipo con el botón del lado izquierdo.
Con un termómetro de mercurio anotar la temperatura de la resistencia, acercando el
termómetro lo más cerca posible a la resistencia sin tocarla y simultáneamente con el
termostato regular la temperatura de la resistencia hasta la temperatura deseada.
MANUAL DE OPERACIÓN DEL CALEFACTOR DE C.A.
Objetivo: Que el alumno pueda operar el equipo didáctico del calefactor eléctrico y pueda
obtener datos reales para resolver problemas por los tres métodos de la transferencia de calor
(conducción, convección y radiación así como en forma simultánea)
Obtención de datos
Con el vernier se obtiene el radio exterior de la resistencia, se lija la resistencia antes de la
instalación en el calefactor con la finalidad de medir su radio interior de la resistencia.
Antes de encender el equipo anotar la lectura de temperatura del medio ambiente por medio del
termostato.
Posteriormente conectar el calefactor a la corriente de 127 volts y encender el equipo con el
botón del lado izquierdo.
Con un termómetro obtener la temperatura de la resistencia, acercando el termómetro lo más
cerca posible a la resistencia sin tocarla y simultáneamente con el termostato regular la
temperatura de la resistencia hasta la temperatura deseada.
Técnica de operación del calefactor de C.A.
1. Cerciorarse que esté cerrado el interruptor de encendido el cual le suministra energía al foco
indicador de encendido y al ventilador. El termostato no estará funcionando hasta que se
cierre el interruptor de encendido y el interruptor del termostato.
2. Cerrados los interruptores se le suministra un voltaje de 127 VCA (luz convencional) al
calefactor el cual va aumentando energía calorífica debido a la resistencia.
3. El calor empieza a disiparse del calefactor debido al calentamiento de las resistencias
permitiendo que el ventilador mande el aire caliente hacia el medio ambiente.
4. El interruptor térmico se activa cuando las resistencias se sobrecalientan cortando una línea
que suministra energía a dichas resistencias.
5. Al mitigarse el calor debido a que dejan de trabajar las resistencias el ventilador seguirá
trabajando permitiendo que descienda el calor del calefactor
6. Cuando el calor disminuya a una temperatura mínima de 40º.C entonces las resistencias
volverán a trabajar hasta que la temperatura se restablezca en el calefactor.
PRÁCTICA No. 1
CÁLCULO DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR POR EL MÉTODO DE LA
CONDUCCIÓN UTILIZANDO EL CALEFACTOR DIDÁCTICO.
Técnica.
Si el calefactor estuviera aislado con cualquier material como, cobre, aluminio, fierro, acero
inoxidable, entonces se aplica la siguiente fórmula: Q= ((T1 - T2)/( Lmadera/Kmadera + Lmetal/Kmetal))
T1 = Temperatura de la madera interior del calefactor cuando alcanzó la temperatura máxima de
operación el sistema.
T2 = Temperatura de la superficie exterior del calefactor.
L = Espesor del material en metros.
K = Conductividad térmica del material a analizar.
Cálculos
DATOS A OBTENER
DATOS
Calculo del Flujo de calor sin
considerar el área y sin aislar.
Q=
(K(T1-T2))/
Espesor
sin
considerar el área
Q= Lado X Lado (K(T1-T2))/
Espesor
Si L= 22 cm
Si el sistema fuera cuadrado
Q= KπDL (K(T1-T2))/ Espesor
Calculo del Flujo de calor considerando la siguiente
fórmula:
Q= ((T1 - T2)/( Lmadera/Kmadera + Lmetal/Kmetal))
Conductividad térmica de la
madera (K)
Conductividad térmica del
cobre (K)
Área de la pared
Área total del calefactor
Espesor de la madera
Espesor
del
cobre
considerado igual que el de
la madera
T1 = temperatura de la
madera
interior
del
calefactor cuando alcanzó la
temperatura máxima de
operación el sistema
T2 = Temperatura de la
superficie
exterior
del
calefactor
Cuestionario:
¿Explica a que factores se debe a la diferencia de flujo de calor por conducción aislada sin aislar?
Si el aislante de la pared del calefactor se considera el doble se podría aislar mejor el flujo de
calor, explícalo.
PRÁCTICA No. 2
TRANSFERENCIA DE CALOR POR MEDIO DE LA CONVECCIÓN UTILIZANDO EL
CALEFACTOR DIDÁCTICO.
Técnica
1. El calefactor debe estar totalmente frío para medir el diámetro de la resistencia.
2. Obtener de tablas el valor de la conductividad térmica de la resistencia.
3. Calcular la temperatura de la resistencia.
4. Calcular la temperatura del medio ambiente.
5. Conectar el sistema a la fuente de energía.
6. Calcular la longitud de las resistencias.
7. Esperar a que el calefactor alcance la temperatura máxima en la resistencia de 120o.C
8. Apagar el sistema (calefactor).
9. Calcular la temperatura de la superficie del material a calcular T1.
10. Calcular la temperatura del aire a diferentes distancias de la resistencia T2.
11. Aplicar la siguiente fórmula para calcular el flujo de calor por medio de la conducción Q=
hπDL(T1-T2).
La convección tiene lugar cuando áreas de fluido caliente (de menor densidad) ascienden hacia
las regiones de fluido frío. Cuando ocurre esto, el fluido frío (de mayor densidad) desciende y
ocupa el lugar del fluido caliente que ascendió. Este ciclo da lugar a una continua circulación
(corrientes convectivas) del calor hacia las regiones frías. En los líquidos y en los gases la
convección es la forma más eficiente de transferir calor.
Cálculos
DATOS A OBTENER
DATOS
Calculo del Flujo de calor por
convección
Q= h (Ts-T∞) no considerando el
área del sistema
Q=hπDL((Ts-T∞) considerando el
área de la resistencia
h= coeficiente de transferencia de
calor cuyo valor es de 5 w/m2oK
Calculo del Flujo de calor considerando la
siguiente fórmula:
Q= ((Ts-T∞)/(Lmadera/Kmadera+ Lmetal/Kmetal))
Diámetro de la resistencia
Coeficiente de transferencia de
calor
Temperatura de la resistencia
Temperatura del medio ambiente
Longitud de la resistencia total
Calcular la temperatura del aire a
diferentes
distancias
de
la
resistencia.
Cuestionario:
¿Explica que es convección?
¿Si en lugar de aire fuera agua a una temperatura de 15º.C, cuál sería el resultado?
PRÁCTICA No. 3
TRANSFERENCIA DE CALOR POR MEDIO DE LA RADIACIÓN UTILIZANDO EL
CALEFACTOR DIDÁCTICO.
Técnica
1. Verificar que los botones estén en apagado.
2. Verificar la temperatura de la superficie del calefactor.
3. Medir el espesor de la pared de madera del calefactor.
4. Conectar el sistema a la fuente de energía.
5. Esperar a que el calefactor alcance la temperatura máxima de 120.oC
6. Apagar el sistema (calefactor).
7. Calcular el área del calefactor de una pared del mismo.
8. Calcular el área total del calefactor.
9. Aplicar la formula sin área Q = σ ε (T14 – T24).
10. Aplicar la formula con área Q = σ ε A (T14 – T24).
11. Determinar la temperatura de la superficie de la pared del calefactor a determinar T14
12. Determinar la temperatura del medio ambiente T24
13. Determinar el flujo de calor con área y sin área del sistema.
Cálculos
Flujo de calor por medio de la
radiación de cuerpo negro del
sistema con área
Flujo de calor por medio de la
radiación de cuerpo negro del
sistema sin área
Q = σ ε A (T14 – T24)
Q = σ ε (T14 – T24)
Resultados
Análisis
Aplicando la formula de cuerpo gris por medio de la resistencia
La formula a utilizar es Q = σ ε A (T14 – T24)
σ = 5.67 x 10-8 x T4 (ºK) [W/m4]
A = Es el área del calefactor.
ε = Emisividad de la resistencia la cual es de cobre, o de aluminio.
T14 = Temperatura de la superficie del sistema cuando alcanzó la temperatura máxima.
T24 = Temperatura del medio ambiente donde se propaga el calor puede ser a diferentes
distancias del sistema.
METALES
Coeficientes de emisividad ε
Aluminio 170º.C
Cobre 300º-C.700º.C
0.05
0.015...0.025
Tabla para obtener resultados de la práctica
FLUJO DE CALOR
RESULTADOS
ANÁLISIS
Flujo de calor por medio de la radiación de cuerpo gris
del sistema con área considerando la emisividad del
cobre.
Q = σ ε A (T14 – T24)
Flujo de calor por medio de la radiación de cuerpo negro
del sistema sin área considerando la emisividad del
cobre.
Q = σ A (T14 – T24)
Flujo de calor por medio de la radiación de cuerpo gris
del sistema con área considerando la emisividad del
aluminio.
Q = σ ε A (T14 – T24)
Flujo de calor por medio de la radiación de cuerpo negro
del sistema con área considerando la emisividad del
aluminio.
Q = σ A (T14 – T24)
Conclusiones
El manejo del equipo térmico permitió al alumno adquirir las habilidades y destrezas en su
manejo y en la solución de problemas, observándose que al final de curso los alumnos
adquirieran el aprendizaje en forma práctica y real y los motive a aplicar los conocimientos de
transferencia de calor en otros sistemas térmicos tales como: climas para aire acondicionado,
calderas, evaporadores, destiladores, reactores, tuberías, bombas de agua, intercambiadores de
calor, radiadores, etc., los cuales pueden ser utilizados en el campo laboral.
REFERENCIAS




Donald Q. Kern, Procesos de Transferencia de Calor. C.E.C S.A., México 1981 (ISBN 968-26-10400)
Necati ÖziÕik, M., Transferencia de Calor. Ed. Mc.Graw Hill Latinoamericana S.A, 1975. (ISBN 007-091944-5)
http://www.monografias.com/trabajos27/transferencia-calor/transferencia-calor.shtml
Manrique transferencia de calor Editorial Oxford 318 Edición 2 Año 2002 Idioma Español (ISBN:
9706136711)